用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法技術

一種用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法，步驟一：建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標準曲線圖，并求得對應的擬合公式；步驟二：獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區域的鍍膜干涉條紋圖像；步驟三：獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區域的干涉條紋圖像；步驟四：將步驟二和步驟三獲取的圖像進行比對、計算，得到鍍膜區域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；步驟五：將步驟四中的計算結果代入在步驟一所述標準曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。本發明專利技術的有益效果是：本發明專利技術是采用激光干涉對TM偏振波和TE偏振波進行相位調制，能夠實現非接觸、高精度、便于操作的測量納米級金屬薄膜厚度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種金屬薄膜厚度的測量方法，特別涉及一種用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法。
技術介紹
隨著薄膜技術在微電子、光電子、航空航天、生物工程、武器裝備、食品科學、醫療儀器和高分子材料等領域的廣泛應用，薄膜技術已成為當前科技研究和工業生產領域內的研究熱點，特別是納米級薄膜技術的迅速發展，已經直接影響到科技的發展方向和人們的生活方式。而薄膜制造技術的不斷改進和迅速發展也對薄膜的各種參數提出了更高的要求，比如薄膜的折射率和厚度參數以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜設計和工藝制造中的關鍵參數之一，它對于薄膜的光學特性、力學特性和電磁特性等具有決定性的作用，因此能夠精準地檢測薄膜厚度已經成為一種至關重要的技術。目前常用的檢測薄膜厚度的方法主要有:干涉測量法、高精密顯微鏡測量法、橢圓偏振法、探針測量法、電容測微法、X射線衍射法等。測量納米級金屬薄膜厚度的主要方法則主要是高精密顯微鏡測量法和探針測量法等。其中，高精密顯微鏡測量法主要是利用掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)通過測量膜基臺階高度或者截斷薄膜樣品測量橫斷面的方法來確定金屬薄膜的厚度；探針測量法則是利用臺階儀對金屬薄膜樣品表面進行接觸式掃描，由此獲得膜基臺階的高度信息從而確定金屬薄膜的厚度。但高精密顯微鏡結構復雜、價格昂貴、不易操作，臺階儀的接觸式測量會對薄膜樣品造成損傷，破壞了樣品的完整性。因此，研究一種非接觸、高精度、結構簡單、便于操作的用于測量納米級金屬薄膜厚度的檢測方法便成為趨勢。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，提供一種具有非接觸、高精度、結構簡單、便于操作的測量納米級金屬薄膜厚度的方法。為了解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是:一種用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法，步驟如下:步驟一:建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標準曲線圖，并求得對應的擬合公式；步驟二:獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區域的鍍膜干涉條紋圖像；步驟三:獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區域的干涉條紋圖像；步驟四:將步驟二和步驟三獲取的圖像進行比對、計算，得到鍍膜區域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；步驟五:將步驟四中的計算結果代入在步驟一所述標準曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。另外，所述步驟一建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標準曲線圖參數為:I)激光器的輸出波長，2)棱鏡折射率，3)金屬薄膜的介電常數。所述步驟二是:將入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區域的反射光分為TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測量光，TE偏振波作為參考光,而后令兩束光經干涉系統和偏振片后產生干涉條紋，記錄該干涉圖像；所述步驟三是:將入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區域的反射光分為TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測量光，TE偏振波作為參考光,而后令兩束光經干涉系統和偏振片后產生干涉條紋，記錄該干涉圖像；所述步驟四是:將步驟二和步驟三獲取的兩幅圖像對比、計算和處理，得到兩幅干涉圖像中干涉條紋的偏移量和干涉圖像中相鄰干涉條紋的間隔量，由此計算出鍍膜區域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；所述步驟五是:將步驟四得到的鍍膜區域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值代入到步驟一所述的標 準曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。另外，所述步驟二，入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱鏡-金屬薄膜界面的光線，入射角等于SPR效應的共振角。所述步驟三，入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱鏡-空氣界面的光線，入射角等于步驟二中的入射角。另外，所述金屬薄膜為金、銀、鋁或鉬薄膜。本專利技術的有益效果是:本專利技術是基于棱鏡型SPR傳感器和相位調制方法，采用激光干涉對TM偏振波和TE偏振波進行相位調制，能夠實現非接觸、高精度、便于操作的測量納米級金屬薄膜厚度。附圖說明圖1是棱鏡型SPR傳感器的基本結構示意圖，圖2是TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金膜厚度變化的標準曲線圖，圖3是用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法的實施步驟流程圖，圖4是基于SPR相位檢測方法測量金屬薄膜厚度的實驗裝置示意圖，圖5是棱鏡型SPR傳感器放置在XYZ三維平移導軌和轉角平臺上的示意圖，圖6是干涉圖像中干涉條紋強度的一維空間位置示意圖。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細說明:表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)效應是一種特殊的物理光學現象。利用光波在介質與金屬交界面上發生全反射時所產生的倏逝波，可以引發金屬表面自由電子的集體振蕩，從而形成表面等離子體波(Surface Plasmon Wave, SPW),它的磁場矢量方向平行于介質與金屬的交界面，磁場強度在交界面處達到最大值且在兩種介質中呈現指數型衰減趨勢，當入射光波矢等于表面等離子體波波矢時，即可激發SPR效應。目前，SPR傳感技術的調制類型主要有角度型、光譜型和相位型，其中相位型SPR傳感技術擁有更高的靈敏度，具有明顯優勢。基于SPR技術建立的棱鏡型和光纖型SPR傳感器的應用領域主要集中在化學和生命科學方面，最主要的是用于測量溶液折射率，還可以進一步測量一些物質的結構、特性及其相互作用等。在利用棱鏡型SPR傳感器測量溶液折射率的應用中發現，SPR傳感器所鍍金屬薄膜的厚度對反射光的反射率和相位變化有直接影響，因此，本專利技術利用SPR傳感器的這一特點結合相位調制方法來測量金屬薄膜的厚度，為測量納米級金屬薄膜厚度提供一種新思路。如圖1所示為棱鏡型SPR傳感器的基本結構示意圖，入射光E以SPR效應共振角入射到棱鏡型SPR傳感器5的棱鏡501-金屬薄膜502界面激發SPR效應后，反射光E’中TM偏振波的相位會隨金屬薄膜的厚度發生劇烈變化，而TE偏振波的相位變化程度則不明顯，二者差異很大，因此將TM偏振波作為測量光，TE偏振波作為參考光，利用這兩種偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度的變化規律，即可獲得所鍍金屬薄膜厚度的信息。根據菲涅耳公式，圖1所示棱鏡型SPR傳感器的反射系數為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法，其特征是：步驟如下：步驟一：建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標準曲線圖，并求得對應的擬合公式；步驟二：獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區域的鍍膜干涉條紋圖像；步驟三：獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區域的干涉條紋圖像；步驟四：將步驟二和步驟三獲取的圖像進行比對、計算，得到鍍膜區域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；步驟五：將步驟四中的計算結果代入在步驟一所述標準曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。

【技術特征摘要】
1.一種用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法，其特征是:步驟如下: 步驟一:建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標準曲線圖，并求得對應的擬合公式； 步驟二:獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區域的鍍膜干涉條紋圖像； 步驟三:獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區域的干涉條紋圖像； 步驟四:將步驟二和步驟三獲取的圖像進行比對、計算，得到鍍膜區域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值； 步驟五:將步驟四中的計算結果代入在步驟一所述標準曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。2.根據權利要求1所述的用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法，其特征是: 所述步驟一建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標準曲線圖參數為: 1)激光器的輸出波長， 2)棱鏡折射率， 3)金屬薄膜的介電常數。所述步驟二是:將入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區域的反射光分為TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測量光，TE偏振波作為參考光,而后令兩束光經干涉系統和偏振片后產生干涉條紋，記錄該干涉圖像； 所述步驟三是:將入射到...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉慶鋼，劉超，樊志國，劉士毅，陳良澤，梁君，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：