光学方法-光干涉法

       光干涉法的理论基础是光的干涉效应。当平行单色光照射到薄膜表面上时，从薄膜的上、下表面反射回来的两束光在上表面相遇后，就发生干涉现象。而且，当一束光入射于薄膜上时，从膜反射的光和透射光的特性将随薄膜厚度而变化。通过测定反映反射光或透射光特性的某个参量，即可测定薄膜的厚度。显然，用这种方法所测量的是薄膜的光学厚度，以入射光的波长λ作为计量单位，准确度达±10%。如果设膜的折射率n 与块材相同，则从光学厚度(nt)可求得薄膜的几何厚度t。

如果两束相干光的波程差等于波长的整数倍，则两束光相互加强。如果波程差等于半波长的奇数倍，则两束光相互削弱。因此，当膜层厚度相差 λ/2(光学厚度) 时，即膜层的几何厚度相差 λ/2n (n为薄膜材料的折射率) 时，反射率相同，这就是光干涉法测膜厚的基础。

       如果淀积了一层折射率小于比较片折射率的材料，并采用单色光源，则淀积开始后，反射率将随膜厚的增加而减小; 当薄膜的光学厚度达到λ/4 时，反射率达到最小值。如果继续淀积，则反射率随膜厚的增加而上升，并在薄膜的光学厚度达λ/2 时达到与监控反射率相等的最大值。如此继续下去，下一个最小值的3λ/4处，最大值在λ处 · · · · · · 反射率的变化规律如图 2-35 中的曲线 1、曲线2所示。

       如果薄膜的折射率高于监控比较片，则两界面反射波的相互加强将产生在薄膜的光学厚度为λ/4 处，反射率的最小值将发生在 λ/2 处，与监控片的反射率相同。以此类推，下一个最大值将在 3λ/4 处，最小值在λ处 · · · · · · 反射率的变化规律如图2-35中曲线4、曲线5所示。

       在薄膜淀积过程中，如果记录淀积膜反射率经过极值点的次数，则可监控膜层的厚度。并且还应在反射率达到某一极值时，中断淀积过程。如果淀积中经过极值点的次数为 m次，则薄膜的光学厚度恰好等于 mλ/4。

       例如，设计淀积2μm 厚的SiO薄膜，已知SiO的折射率n=2.0，监控片的折射率n'=1.5，单色光的波长 λ=1μm，并假设薄膜的吸收为零，则

m · λ/4=nt

式中，n为淀积薄膜的折射率; t为淀积薄膜厚度; nt为淀积薄膜的光学厚度;  λ为入射光波长; m 为系数 (m=0，1，2，· · ·)。

       由上式即可解得 m=16，若只计算最大值，则只需要注意观察第8个最大值即可。

       监控透射率的原理与监控反射率是一致的。不过当透射率为极大值时，反射率为极小值，当透射率为极小值时，反射率则相反。它们的极值点是同时发生的，所对应的膜厚也相同。因此，记录透射率在淀积过程中经过极值点的次数同样可以监控淀积膜的厚度。

       需要指出，金属薄膜在可见光范围内吸收性很强，无法观察出极值点。因此，这种方法不适用于测定或监控金属薄膜。