基于力傳感器的薄膜厚度測量裝置設(shè)計

基于力傳感器的薄膜厚度測量裝置設(shè)計

法、顯微鏡法薄膜技術(shù)是當今科學研究的熱點，厚度是薄膜的重要物理參數(shù)。因此，膜厚的測量自然是研究材料特性的重要工作。對于固態(tài)薄膜,常見的膜厚測量手段主要有直接測量如螺旋測微法、顯微鏡法,間接測量如干涉法、偏振法等。傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀除了可以用來觀察等傾干涉、等厚干涉和白光干涉等各種干涉現(xiàn)象,也能測定薄膜厚度,但必須要求薄膜透明且折射率已知。如一些文章中介紹過利用白光干涉法和干涉極值法測薄膜厚度,但光路調(diào)節(jié)要求高、操作繁復,必須已知折射率,而且折射率本身的誤差對結(jié)果影響較大。為了克服此不足,文中利用朗威DIS力傳感器(分辨力0.01N)對GSZF-4型邁克爾遜干涉儀加以改進,提出了實驗原理及具體測量方法,并分析了該方法的優(yōu)點與不足,實驗結(jié)果反映出較好的精確度。1實驗原理1.1補償板3g光程模型邁克爾遜光路原理如圖1所示,平面鏡M1、M2嚴格垂直;G1、G2為平行等厚的平玻璃板,分光板G1一側(cè)(圖靠右側(cè))鍍有半反半透膜,起分光作用;補償板G2用于彌補光束①在G1板中往返兩次所多走的光程。光源S射出的光束,在半透膜處分成兩束,一束反射光①和一束透射光②。光束②經(jīng)G2到M2后,反射回來經(jīng)G2射到半透膜上,再反射到觀察屏P;光束①經(jīng)半透膜反射后,到M1后又反射到半透膜上,再經(jīng)透射到觀察屏P;由于滿足光的相干條件,這兩束光在屏上相遇就形成干涉條紋。M′2是M2被G1反射所成的虛像,光束①和光束②之間的干涉等效于M1、M′2之間空氣膜產(chǎn)生的干涉。1.2表面光程差的影響要形成等傾干涉,可以在S與G1之間加上一擴束鏡,以提供不同角度的入射光。當M1//M′2(M1⊥M2)時,與M1的法線和M′2的法線夾角皆為θ的入射光,經(jīng)M′2與M1反射后成為平行的兩束光(1)和(2)(如圖2),它們的光程差為:Δ=2dcosθ(1)Δ=2dcosθ(1)其中d為M′2與M1間空氣層的厚度,在屏P上可以觀察到明暗相間的同心圓環(huán),每一個圓環(huán)對應一恒定的傾角,即等傾干涉。移動M2讓d發(fā)生變化,當d增加時,條紋從中心涌出向外擴展;d減小時,條紋向中心涌入。光程差增加或減少一個波長λ,d就增加或減少λ/2,即M2就移動了λ/2。設(shè)變化N個干涉圓環(huán)動鏡的移動量為Δd,則有環(huán)數(shù)與M2移動量的關(guān)系為:Δd=Ν?λ2(2)Δd=N?λ2(2)1.3薄膜厚度的測定根據(jù)式(2)知道,只要讀出N(通常取大于80)個干涉環(huán)對應的動鏡位置的移動量Δd,就可以測得光源激光器的波長λ。相反的可以這樣設(shè)想,若使動鏡移動量恰好等于被測物的厚度,而且能夠數(shù)出該厚度對應干涉環(huán)的變化數(shù)目N,則在已知激光波長λ的條件下,將各量帶入式(2)即可測定物體的厚度。這里的關(guān)鍵點有兩方面:一是要使光程正好改變了被測的厚度,二是還要能記錄與之對應干涉的周期數(shù)。為了實現(xiàn)第一點,采用了所謂“抵消法”。即在動鏡M2后面放一個力傳感器(如圖3),使之與M2間留一微小空隙,把薄膜放入該空隙后調(diào)手輪使薄膜恰好被夾緊,這時力傳感器與M2的距離就是薄膜的厚度。但這樣還無法數(shù)出環(huán)數(shù),為了實現(xiàn)第二點,先調(diào)手輪使M2與薄膜分開,該過程必定對應了一定數(shù)量的干涉環(huán)變化;然后取出薄膜,調(diào)節(jié)手輪使M2貼近傳感器,這過程也會產(chǎn)生反方向的干涉環(huán)變化,那么當反方向的干涉環(huán)變化數(shù)目與之前相等時,M2就回到了夾有薄膜時的相同位置,只不過此時力傳感器與M2之間只有空氣。下面是最后一個過程,調(diào)手輪使現(xiàn)M2繼續(xù)貼近力傳感器,直到與之恰好接觸,設(shè)最后這過程干涉環(huán)的變化數(shù)為Δn,就得到了與膜厚對應的干涉環(huán)數(shù)Δn。根據(jù)式(2),容易得到被測薄膜厚度為:x=Δn?λ2(3)2實驗方法2.1激光束光器與分光鏡的配合測量前必須首先獲得嚴格的等傾干涉條紋,使用邁克爾遜干涉儀的基本調(diào)節(jié)步驟概括如下:(1)大致布局:調(diào)節(jié)干涉儀的底座螺絲使平臺水平,移動M1使M1、M2距分光板G1的距離大致相等。調(diào)節(jié)He-Ne激光器水平并垂直導軌方向入射到分光鏡的中央部位。(2)粗調(diào):利用激光光束方向性好的特點,以下用自準直法調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)激光器或干涉儀的位置,使激光束通過G1、G2垂直照射平面鏡M1,然后在激光器和分光鏡之間放一小孔光闌,使光通過小孔照射到分光鏡上,被M1、M2反射在小孔光闌上各有一排亮點,調(diào)節(jié)平面鏡M1和M2后的三只螺絲,使兩排中最亮的兩個光斑重合,這時M1和M2基本垂直,拿走小孔光闌。(3)細調(diào):將擴束鏡G置于激光器與邁克爾遜干涉儀之間,在屏上可以看到弧形或半圓形干涉條紋(如沒有應重新粗調(diào)),調(diào)整改變M1傾角的兩個微調(diào)螺絲,使屏P上出現(xiàn)同心圓形干涉條紋,此時M1和M2嚴格垂直。2.2被測薄膜厚度的測量獲得嚴格的等傾干涉條紋之后,接著進行測量。測量裝置細節(jié)如圖4所示,力傳感器固定在鐵架臺上,測力鉤與動鏡間留一空隙。測量步驟如下:(1)將待測薄膜放入該空隙,調(diào)節(jié)動鏡使空隙減小,兩側(cè)與膜接觸時,空隙與膜等厚;(2)向左調(diào)動鏡使干涉環(huán)周期改變10圈;(3)用鑷子小心取出薄膜;(4)向右調(diào)動鏡使干涉環(huán)周期改變10圈,兩次改變的環(huán)數(shù)相等方向相反,光程抵消,因而兩者間空氣間隙與薄膜等厚;(5)再右調(diào)動鏡直到動鏡與傳感器剛好接觸,該步中干涉環(huán)的改變數(shù)Δn;(6)將已知的激光波長λ及Δn代入式(3),計算被測薄膜厚度x。需要注意,在完成步驟(1)后,將薄膜直接取出接著操作(5)的做法是不妥當?shù)摹嶒灠l(fā)現(xiàn),這樣做通常會發(fā)生若干個干涉環(huán)的瞬間跳變,說明干涉狀態(tài)已改變,致使測量結(jié)果有誤。步驟(2)、(3)、(4)起到消除跳變效應影響的作用。3試驗設(shè)備與缺陷分析3.1測力器和測力網(wǎng)絡(luò)gy-10-nmGSZF-4型邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)圖解和用其進行測量的實物圖,如圖5、圖6所示。整套裝置主要由邁克爾遜干涉儀、力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、數(shù)據(jù)線和鐵架臺等組成。作用于力傳感器上的壓力可通過計算機軟件實時監(jiān)測,當壓力穩(wěn)定到0.01N時,表明已充分接觸,步驟(1)、(5)就是用這種方法判斷接觸的。根據(jù)前述理論,該裝置最小可以精確地分辨到λ/2,配套光源為GY-10型He-Ne激光器(λ=632.8nm),即測量下限為0.3μm。GSZF-4型邁克爾遜干涉儀動鏡行程為1.5mm,這決定了此法的測量上限為1.5mm。3.2試驗工具的使用效果(1)拓展了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的測量對象,在被測薄膜非透明、折射率不已知的情況下,其厚度也可測量;(2)理論上可以準確分辨到λ/2個長度,使用波長632.8nm的激光時,分辨力約為0.3μm。這個精度比一般的機械式測量工具如千分尺、游標卡尺的精度高許多;(3)有效避開了螺旋空程造成的影響。眾所周知動鏡的調(diào)節(jié)一般要通過機械的螺旋裝置精密變動,但在有來回運動時,機械的空程差則尤為顯著。雖然空程效應客觀存在,但此法整個過程不依靠干涉儀自帶的機械讀數(shù)裝置,而是通過記干涉環(huán)周期數(shù)進行間接測量,且測量接觸部位直接位于動鏡,很好地解決了這個問題;(4)基本消除了擠壓的影響,力傳感器使壓力約在0.01N,較好地解決了不同人操作用力不均勻的偶然誤差。由于壓力較小,故對于一般的固體薄膜,測量中產(chǎn)生的擠壓形變十分微弱,可忽略不計。3.3人工數(shù)環(huán)方案是否可選現(xiàn)階段的裝置,還有待改善。主要是人為地“數(shù)環(huán)”并不是一項簡單的工作,長時間關(guān)注激光干涉圖樣對眼睛不利,若不仔細則容易數(shù)錯,造成較大誤差。所以,人工數(shù)環(huán)的方案在實際應用中是不可取的。另外,此法測量的分辨力是由激光波長決定的,使用波長越短的激光,分辨力也越高,但較短波長的激光也在400nm左右,所以目前通過降低波長的辦法提高精度成本較高,提高也不是十分顯著。4試驗結(jié)果與誤差分析4.1u3000薄鋼片厚度的測量實驗先后選取一層折射率未知的普通塑料薄膜和一支薄鋼片(標示值為0.06mm規(guī)格的塞尺)作為樣品,用前述方法分別測量10次,每次改變的干涉環(huán)周期數(shù)及相應推算的厚度分別如表1、表2所示。由表1計算被測塑料薄膜的結(jié)果為,平均厚度:—x1=21.14μm,總的厚度:x1=(21.14+0.56)μm。A類不確定度uA1=√n∑i=1(x1i-—x1)n(n-1)=0.53μm(4)B類不確定度uB1=Δ儀√3=0.5λ√3=0.18μm(5)合成標準不確定度uC1=√u2A1+u2B1=0.56μm(6)在不考慮均勻性與存在空隙的前提下,用螺旋測微器測得100張同種薄膜的平均厚度為21.46μm,以重疊法為參考值,則相對誤差為:η=|x重疊法-x文中法|x重疊法×100%=|21.46-21.14|21.46×100%=1.5%(7)由表2計算薄鋼片結(jié)果為,平均厚度:—x2=61.00μm,總的厚度:x2=(61.00+0.98)μm。A類不確定度uA2=√n∑i=1(x2i-—x2)n(n-1)=0.96μm(8)B類不確定度uB2=Δ儀√3=0.5λ√3=0.18μm(9)合成標準不確定度uC2=√u2A2+u2B2=0.98μm(10)測值與塞尺規(guī)格相差0.001mm,經(jīng)查表知該塞尺制造工藝上可能存在的偏差為±0.003mm,故尚不能以標定值0.06mm作為準確的參考值,但可以看出測量的結(jié)果確實在允許偏差范圍之內(nèi),說明該塞尺達到了指定尺寸,可以繼續(xù)使用。兩組綜合標準不確定度均小于1μm,通過比較,表明此法具有良好的重復性和準確性。4.2人工數(shù)環(huán)的使用下面簡要分析誤差,其來源主要有兩點:(1)激光波長作為測量參數(shù),其值是否準確將直接影響測量準確度,實驗所用激光器的波長不一定正好與標示規(guī)格吻合,故建議使用前親自測一下激光的波長,以實際測得的激光波長代入計算,這有助于減小測量的系統(tǒng)誤差;(2)當薄膜厚度較大時,需要記錄的干涉環(huán)也較多,如果采用人工數(shù)環(huán)的辦法,人為多數(shù)或漏數(shù)的次數(shù)也將有所增長,導致結(jié)果有一定的偏差,甚至這偏差將成為測量的最主要誤差來源,這主要反映在A類不確定度上。實驗也驗證了這一點,從對兩種薄膜片的實際測量結(jié)果來看,塑料薄膜的厚度x1=(21.14+0.56)μm,薄鋼片的厚度為x2=(61.00+0.98)μm,對比可見,隨著被測厚度的增加,其多次重復測量的A類不確定度也有明顯增加。為了避免人工數(shù)環(huán)的誤差,目前有人設(shè)計了可以實現(xiàn)計算機自動數(shù)環(huán)的讀數(shù)系統(tǒng),并開發(fā)出了相關(guān)硬件。雖然人工數(shù)環(huán)的方法在實際應用中不太可取,但由于實驗室條件所限,暫時無法架設(shè)一個自動數(shù)環(huán)系統(tǒng),只好對兩種厚度不太大的薄片采用人工數(shù)環(huán)的方法進行了測量。如若采用自動數(shù)環(huán),不但可使測量操作大為簡化,為計數(shù)工作節(jié)省大量寶貴時間,而且其精準程度也相當優(yōu)于人工數(shù)環(huán)。5自動數(shù)環(huán)的應用與一般的干涉法測固體薄膜的厚度相比,該方法最大的優(yōu)勢就是不用已知薄膜的折射率,不要求被測材料透明,同時能夠達到較高精度,且沒有過分困難的光路