一种用于测量薄膜厚度的增强型SPR相位测量方法

本发明涉及一种纳米级薄膜厚度的测量方法，特别涉及一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法。

背景技术：

1、薄膜材料是原子、分子或离子沉积在基片表面而形成的一种特殊材料，与体材料相比具有许多独特的光学和电学性质。金属薄膜材料的电磁性能、光学性能以及力学性能具有其他薄膜材料不可替代的优越性，因此在微电子器件、光电器件、通讯工程中有着广阔的应用领域。而这些性质不仅仅取决于制作工艺，同时还与薄膜的厚度密切相关，因此准确测量薄膜的厚度对于研究薄膜材料的电学性质和光学性质至关重要。

2、目前，由于相位型spr传感器相较于角度型拥有较高的灵敏度且不易受环境影响，近年来被广泛应用。例如中国专利号为201610576077.2的专利公开了一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的spr相位测量方法，但是，该方法存在动态范围小，无法实时观测相位变化的不足。因此，本发明提出一种增强型相位法来测量薄膜厚度。通过多次反射的测量方式来改善测量系统的灵敏度和非线性等指标，为高精度，准确测量纳米级薄膜厚度提供了一种新的思路。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种非接触、高精度、高灵敏度且结构简单便于操作的测量纳米级薄膜厚度的方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、步骤一，建立理论曲线图：通过计算入射光在道威棱镜型spr传感器的底面镀膜区多次内反射后，入射光的tm偏振波和te偏振波的相位变化量差值随入射角度变化，建立理论曲线图，理论曲线图的横坐标为入射角，纵坐标为相位差；

4、步骤二：设定一组以spr共振角度为中心的变化入射角度值，使入射光以任一初始角度入射到道威棱镜型spr传感器的玻璃-薄膜界面，所述薄膜界面包括镀有薄膜区和无镀膜区；

5、步骤三：根据步骤二所述薄膜界面，获取道威棱镜型spr传感器的镀膜区和非镀膜区的干涉条纹图像；

6、步骤四：根据步骤三的干涉条纹图像计算得到镀膜区域tm偏振波和te偏振波的相位变化量差值；

7、步骤五：从初始角度开始依次改变入射角度,重复步骤二至四得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；

8、步骤六：根据步骤一相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和步骤五所得测量曲线,确定spr传感器所镀薄膜的厚度。

9、步骤一所述多次反射下薄膜厚度函数关系的理论曲线图包括参数：入射角θ1、棱镜折射率np、入射光波长λ、空气折射率na、薄膜的光学常数εm；步骤二所述入射光的角度，对于玻璃-金镀膜-空气介质，在43.0°到46.0°内选取；步骤二所述使入射光以任一初始角度入射至道威棱镜型spr传感器薄膜界面，入射光斑同时覆盖镀膜区域和非镀膜区域；步骤三所述干涉条纹图像是将入射到spr传感器的镀膜区和非镀膜区的反射光分为tm偏振波和te偏振波，以反射光中的tm偏振波为测量光，te偏振波为参考光，而后令两束光经干涉系统和偏振片后产生的干涉条纹图像；步骤四所述计算得出镀膜区域偏振波和偏振波的相位变化量差值是将步骤三中获取的两幅条纹图像进行处理计算，得到两幅干涉图像中干涉条纹的偏移量和干涉图像中相邻干涉条纹的间隔量。步骤六所述是通过比对步骤四中的所测得实际值与步骤一中的理论值的残差平方和最小时，确定spr传感器所镀膜层的厚度。

10、所述步骤二的入射角度值变化间隔大于等于0.1度。

11、所述步骤二的一组以spr共振角度为中心变化的入射角度值选取大于10个的测量角度。

12、所述道威棱镜型spr传感器的上顶面需抛光，且多次反射的次数依据实际测量需求设定。

13、所述步骤三中入射到棱镜型spr传感器镀膜区域的反射光，为入射到棱镜-金属薄膜界面的光线；入射到棱镜型spr传感器非镀膜区域的反射光，为入射到棱镜-空气界面的光线。

14、所述测量薄膜厚度为单层薄膜厚度或多层薄膜的厚度测量。

15、激光光源的输出波长为633nm。

16、所述薄膜至少有一层为金、银、铜、铝、铂、钛、镍、铬。

17、所述薄膜测量的总厚度范围为20-70nm，测量分辨力为0.1nm。

18、本发明的有益效果是：本发明是一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，通过多次内反射的测量方式放大了两束多次入射到镀膜区域的反射光的tm偏振波和te偏振波相位差，提高了测量系统的灵敏度，实现了对纳米级薄膜厚度的非接触、高精度测量，且该测量方法简单便于操作。

技术特征：

1.一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：

3.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：所述步骤二的入射角度值变化间隔大于等于0.1度。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：所述步骤二的一组以spr共振角度为中心变化的入射角度值选取大于10个的测量角度。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：所述道威棱镜型spr传感器的上顶面需抛光，且多次反射的次数依据实际测量需求设定。

6.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：所述步骤三中入射到棱镜型spr传感器镀膜区域的反射光，为入射到棱镜-金属薄膜界面的光线；入射到棱镜型spr传感器非镀膜区域的反射光，为入射到棱镜-空气界面的光线。

7.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：所述测量薄膜厚度为单层薄膜厚度或多层薄膜的厚度测量。

8.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：激光光源的输出波长为633nm。

9.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：所述薄膜至少有一层为金、银、铜、铝、铂、钛、镍、铬。

10.根据权利要求1所述的一种用于测量薄膜厚度的增强型spr相位测量方法，其特征是：所述薄膜测量的总厚度范围为20-70nm，测量分辨力为0.1nm。

技术总结
本发明公开了一种用于测量薄膜厚度的增强型SPR相位测量方法，步骤一：建立多次反射下TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图；步骤二：设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值；步骤三：获取镀膜区和非镀膜区的干涉条纹图像；步骤四：计算得到镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值；步骤五：从初始角度开始依次改变入射角度，得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；步骤六：根据相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和所得测量曲线，确定SPR传感器所镀薄膜的厚度。本发明的有益效果是：分析过程简单，具有较高的测量灵敏度和准确性，适用性较好。

技术研发人员：刘庆纲,王奇,岳翀,李阳,郎垚璞
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/20