光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程解读

第$&卷第*期$##(年(月

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应用光学u O \h R N a O ‘J W W a Q U bc W _Q d ^

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光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程解读

杨照金-王

摘

雷-黎高平-许荣国

西安应用光学研究所-西安-(’" ##. +)

要! 简要介绍光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程的构成-被检测量仪器的技术指标/主

要检定参数和检定方法等0该规程适用于光谱椭偏法测量光学薄膜折射率和厚度的仪器-在从事光学薄膜研究/生产和使用的单位具有广泛的应用前景0关键词! 检定规程1光学薄膜1厚度测量1折射率测量

中图分类号! 2*" 3(

文献标志码! 4

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=7; A 9B ;

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引言

光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程于为开展$##+年正式发布实施0该规程的发布实施-实现光谱椭偏仪的计光学薄膜主要参数计量测试-量检定创造了条件0规程规定了光谱范围为$+#R ##R i r"(i 的光谱椭偏法光学薄膜折射率和厚度测试仪的检定技术要求/检定项目/检定条件/检定方法/检定结果的处理和检定周期0为了使该规程早日推广使用-也为了使光谱椭偏仪的使用单位尽快了解本标准-本文简要介绍光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程的主要构成和主要参数检定方法0

收稿日期! $##(%#. %$#1修回日期! $##(%#. %$$

作者简介! 杨照金’男-陕西省耀县人-研究员-博士生导师-主要从事光学计量测试研究工作0" s +, t) -

" 检定规程的主要构成

本检定规程由如下几部分构成! 范围/受检测量器具的用途和原理/技术要求/检定条件/检定项目/检定方法/检定结果的处理和检定周期0" m " 受检测量器具的用途和原理

该规程适用于用光谱椭偏法测量光学薄膜折射率和厚度的检定0因此-在这一部分主要介绍光谱椭偏仪的工作原理/椭偏仪的构成/测量中用到的主要公式0

光谱椭偏仪的组成框图如图" 所示0

椭偏法是利用偏振光在薄膜上下表面的反射-

x p " n x

应用光学

等R 光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程解读’^^y %’n N Q O 杨照金%

通过费涅尔公式得到光学参数和偏振态之间的关

" #

的$该方法准确度系来确定薄膜的折射率和厚度!

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N Q O

高且为非破坏性测量%是测量光学薄膜折射率和厚偏振角度诸多方法中最常用的一种$椭圆方位角&和相位差的关系如图’所示

$

式中R M 为薄膜的椭圆函数; T E A 为A 偏振方向的

T

振幅反射系数; 偏振方向的振幅反射系数; E @为@

偏振方向的振幅反射系数的模; E E @为@A 为A 偏振方向的振幅反射系数的模; W A 为A 偏振相位; W @为@偏振相位; 9@为@偏振角; Z 为相位差; E 为" @界面" 的@方向偏振分量菲涅耳反射系数; E 为界’@面’的@方向偏振分量菲涅耳反射系数; \" 为被测图" 光谱椭偏仪组成框图

() *+" , -. /-0) 1) -2-30/45167. 488) /0-. 414

6

9:偏振角; 坐标系的椭园方位角; ? :@&A 坐

标系的椭圆方位角; B C 椭圆的长轴半径; D C 椭圆的短轴半径; E F C @偏振方向的振幅反射系数的模; E G C A 偏振方向的振幅反射系数的模

图’椭圆方位角&偏振角和相位差的几何关系() *+’H 4-. 416) 5I 8648I 1) -2-3488) /0-. 416) 5I J ) . 71KI 2*84

%/-8I 6) J I 1) -2I 2*84I 2L/K I 04L ) 33464254

用薄膜的椭圆函数M 表示薄膜反射而形

成椭圆偏振光的特性%如公式N " O PN Q O R

T

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膜层的相位厚度; ]^为空气折射率; a ^为空气内的入射角; ]" 为薄膜折射率; a " 为薄膜内的入射

角; ]’为基底折射率; a ’为基底内折射角; E " A 为界面" 的A 方向偏振分量菲涅耳反射系数; E ’A 为界面’的A 方向偏振分量菲涅耳反射系数; i " 为薄膜厚度; h 为光在真空中的波长$

显然%9和Z 是i " %]" %]^%]’%a ^%a ’

%h 的函数%其中]^%]’%a ^%a ’%h 是已知参数%通过测量偏振角和相位差%由计算机求解即可得薄膜折射率和薄膜厚度$

" +’技术要求

技术要求包括R 外观&工作正常性和技术指标$

主要技术指标R

在波长测量范围内%波长最大允许误差不超过j^+’k l ;

入射角最大允许误差不超过j^+^’m ;

偏振角最大允许误差不超过j ^+^Q m %相位差最大允许误差不超过j^+^n m ;

在偏振角和相位差误差满足的条件下%折射率

最大允许误差不超过j" o " ^:f

%

厚度最大允许误差不超过j^+p k l $

" +f 检定条件和检定用设备

检定条件包括检定环境和检定用设备$

检定用设备及要求如下R

" O 标准光源汞灯&钠灯&q r

:s r 激光器; ’O 楔形镜顶角" p m j " ^t 的楔形棱镜%表面光洁;

f O 平行平板平行度为" t

的平行平板%表面光洁;

Q O 标准膜片

u v 基底上镀u v w ’的单层膜%

不确定度小于^+" k l %表面平整光洁且无结构缺陷$" +Q 检定项目

检定项目及检定用主要设备见表" 所示$

应用光学

等K 光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程解读6E E F A 6G I

表! 测试仪检定项目及主要检定设备

" #$%&! ’&() *) +#, ) -.) , &/0#. 1/#) .&23) 4/&. , 0-*, &0, &(序号! 67

外观工作正常性波长最大允许误差入射角最大允许误差偏振角和相位差最大允许误差折射率和厚度最大允许误差

检定项目

55

汞灯8钠灯85; :激光器9:平行平板8楔形镜5标准膜片

主要检定设备

取算术平均值作为测量结果@I O J @测量7次A

6? 7偏振角和相位差最大允许误差

采用空气测量法A 取入射角为H 测量空气的E O A 偏振角和相位差K 按公式I 计算偏振角误差A 按公>J 式I 计算相位差误差@F J

=O I >J L Q N Q B 5

主要介绍波长最大允许误差8入射角最大允许误差8偏振角和相位差最大允许误差8折射率和厚度最大允许误差的检定方法@

6检定方法

6? ! 波长最大允许误差

用标准光源代替椭偏仪的光源位置A 待标准光源正常工作=B C D 后A 用其检定波长@由短波方向至长波方向变换波长A 在7>=? E 6D B A >D B A ? E F D B A =F >? H >D B A

=F H ? E F D B A =G H ? >D B A >76? G D B 波长处A 分别用探测器接收标准光源的出射光强A 记录光强最强处的波长示值与标准谱线波长之差A 测量7次A 取算术平均值@

6? 6入射角最大允许误差

将平行平板放置于被测样品的位置A 椭偏仪入射光对准平行平板的前表面A 调整样品台A 使经过平行平板前表面反射回的光束自准直@取掉平行平板A 将一楔形镜放置在样品台上A 根据楔形镜角度值选择适当的入射角A 调整入射角的角度A 使经过楔形镜前表面反射回的光束自准直A 按公式I =J 计算角度误差K

L M N M E

5M I =J 式中K L M 为角度误差A 单位为度I O J P M E 为楔形镜角度值A 单位为度I O J P M 为角度测量值A

单位为度式中K L R 为相位差误差A 单位为度I O J P R B 为测量得到相位差的最大偏差值A 单位为度I O J @

6?

将标准膜片安装在测试仪上A 取入射角为F =O A 测量折射率和厚度A 测量>次A 按公式I G J 计算折射率误差A 按公式I H J

计算厚度误差@L S

N T S

5S E !

I G J

式中K L S 为折射率误差P T S 为测量>

次得到的折射率的算术平均值P S E !

为标准膜片的折射率值@L U

N V U

5U E

I H J 式中K L U 为厚度误差A 单位为D B P V U 为测量>次得到的厚度算术平均值A 单位为D B P U E 为标准膜片的厚度值A 单位为D B @

7结束语

笔者简要介绍了W X Y Z X =7[6E E =光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程的主要构成和检定方法A 重点介绍了光谱椭偏仪的工作原理A 光谱椭偏仪的主要技术指标A 主要检定用设备和主要参数检定方法@应当注意K

本文只是对标准的简要介绍A 要开展计量检定工作A 还是要以标准正式文本为准@

参考文献K

\! ]苏大图? 光学测试技术\^]

? 北京K 北京理工大学出版社A ! H H >?

第$&卷第*期$##(年(月

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光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程解读

杨照金-王

摘

雷-黎高平-许荣国

西安应用光学研究所-西安-(’" ##. +)

要! 简要介绍光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程的构成-被检测量仪器的技术指标/主

要检定参数和检定方法等0该规程适用于光谱椭偏法测量光学薄膜折射率和厚度的仪器-在从事光学薄膜研究/生产和使用的单位具有广泛的应用前景0关键词! 检定规程1光学薄膜1厚度测量1折射率测量

中图分类号! 2*" 3(

文献标志码! 4

56789:9; ? @A =A ; @E ; @A =>

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引言

光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程于为开展$##+年正式发布实施0该规程的发布实施-实现光谱椭偏仪的计光学薄膜主要参数计量测试-量检定创造了条件0规程规定了光谱范围为$+#R ##R i r"(i 的光谱椭偏法光学薄膜折射率和厚度测试仪的检定技术要求/检定项目/检定条件/检定方法/检定结果的处理和检定周期0为了使该规程早日推广使用-也为了使光谱椭偏仪的使用单位尽快了解本标准-本文简要介绍光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程的主要构成和主要参数检定方法0

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作者简介! 杨照金’男-陕西省耀县人-研究员-博士生导师-主要从事光学计量测试研究工作0" s +, t) -

" 检定规程的主要构成

本检定规程由如下几部分构成! 范围/受检测量器具的用途和原理/技术要求/检定条件/检定项目/检定方法/检定结果的处理和检定周期0" m " 受检测量器具的用途和原理

该规程适用于用光谱椭偏法测量光学薄膜折射率和厚度的检定0因此-在这一部分主要介绍光谱椭偏仪的工作原理/椭偏仪的构成/测量中用到的主要公式0

光谱椭偏仪的组成框图如图" 所示0

椭偏法是利用偏振光在薄膜上下表面的反射-

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应用光学

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通过费涅尔公式得到光学参数和偏振态之间的关

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高且为非破坏性测量%是测量光学薄膜折射率和厚偏振角度诸多方法中最常用的一种$椭圆方位角&和相位差的关系如图’所示

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T

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用薄膜的椭圆函数M 表示薄膜反射而形

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显然%9和Z 是i " %]" %]^%]’%a ^%a ’

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" +’技术要求

技术要求包括R 外观&工作正常性和技术指标$

主要技术指标R

在波长测量范围内%波长最大允许误差不超过j^+’k l ;

入射角最大允许误差不超过j^+^’m ;

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在偏振角和相位差误差满足的条件下%折射率

最大允许误差不超过j" o " ^:f

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" +f 检定条件和检定用设备

检定条件包括检定环境和检定用设备$

检定用设备及要求如下R

" O 标准光源汞灯&钠灯&q r

:s r 激光器; ’O 楔形镜顶角" p m j " ^t 的楔形棱镜%表面光洁;

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Q O 标准膜片

u v 基底上镀u v w ’的单层膜%

不确定度小于^+" k l %表面平整光洁且无结构缺陷$" +Q 检定项目

检定项目及检定用主要设备见表" 所示$

应用光学

等K 光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程解读6E E F A 6G I

表! 测试仪检定项目及主要检定设备

" #$%&! ’&() *) +#, ) -.) , &/0#. 1/#) .&23) 4/&. , 0-*, &0, &(序号! 67

外观工作正常性波长最大允许误差入射角最大允许误差偏振角和相位差最大允许误差折射率和厚度最大允许误差

检定项目

55

汞灯8钠灯85; :激光器9:平行平板8楔形镜5标准膜片

主要检定设备

取算术平均值作为测量结果@I O J @测量7次A

6? 7偏振角和相位差最大允许误差

采用空气测量法A 取入射角为H 测量空气的E O A 偏振角和相位差K 按公式I 计算偏振角误差A 按公>J 式I 计算相位差误差@F J

=O I >J L Q N Q B 5

主要介绍波长最大允许误差8入射角最大允许误差8偏振角和相位差最大允许误差8折射率和厚度最大允许误差的检定方法@

6检定方法

6? ! 波长最大允许误差

用标准光源代替椭偏仪的光源位置A 待标准光源正常工作=B C D 后A 用其检定波长@由短波方向至长波方向变换波长A 在7>=? E 6D B A >D B A ? E F D B A =F >? H >D B A

=F H ? E F D B A =G H ? >D B A >76? G D B 波长处A 分别用探测器接收标准光源的出射光强A 记录光强最强处的波长示值与标准谱线波长之差A 测量7次A 取算术平均值@

6? 6入射角最大允许误差

将平行平板放置于被测样品的位置A 椭偏仪入射光对准平行平板的前表面A 调整样品台A 使经过平行平板前表面反射回的光束自准直@取掉平行平板A 将一楔形镜放置在样品台上A 根据楔形镜角度值选择适当的入射角A 调整入射角的角度A 使经过楔形镜前表面反射回的光束自准直A 按公式I =J 计算角度误差K

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5M I =J 式中K L M 为角度误差A 单位为度I O J P M E 为楔形镜角度值A 单位为度I O J P M 为角度测量值A

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6?

将标准膜片安装在测试仪上A 取入射角为F =O A 测量折射率和厚度A 测量>次A 按公式I G J 计算折射率误差A 按公式I H J

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次得到的折射率的算术平均值P S E !

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7结束语

笔者简要介绍了W X Y Z X =7[6E E =光学薄膜折射率和厚度测试仪检定规程的主要构成和检定方法A 重点介绍了光谱椭偏仪的工作原理A 光谱椭偏仪的主要技术指标A 主要检定用设备和主要参数检定方法@应当注意K

本文只是对标准的简要介绍A 要开展计量检定工作A 还是要以标准正式文本为准@

参考文献K

\! ]苏大图? 光学测试技术\^]

? 北京K 北京理工大学出版社A ! H H >?