[发明专利]用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属薄膜厚度的测量方法，特别涉及一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法。

背景技术

随着薄膜技术在微电子、光电子、航空航天、生物工程、武器装备、食品科学、医疗仪器和高分子材料等领域的广泛应用，薄膜技术已成为当前科技研究和工业生产领域内的研究热点，特别是纳米级薄膜技术的迅速发展，已经直接影响到科技的发展方向和人们的生活方式。而薄膜制造技术的不断改进和迅速发展也对薄膜的各种参数提出了更高的要求，比如薄膜的折射率和厚度参数以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜设计和工艺制造中的关键参数之一，它对于薄膜的光学特性、力学特性和电磁特性等具有决定性的作用，因此能够精准地检测薄膜厚度已经成为一种至关重要的技术。目前常用的检测薄膜厚度的方法主要有：干涉测量法、高精密显微镜测量法、椭圆偏振法、探针测量法、电容测微法、X射线衍射法等。测量纳米级金属薄膜厚度的主要方法则主要是高精密显微镜测量法和探针测量法等。其中，高精密显微镜测量法主要是利用扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）通过测量膜基台阶高度或者截断薄膜样品测量横断面的方法来确定金属薄膜的厚度；探针测量法则是利用台阶仪对金属薄膜样品表面进行接触式扫描，由此获得膜基台阶的高度信息从而确定金属薄膜的厚度。但高精密显微镜结构复杂、价格昂贵、不易操作，台阶仪的接触式测量会对薄膜样品造成损伤，破坏了样品的完整性。因此，研究一种非接触、高精度、结构简单、便于操作的用于测量纳米级金属薄膜厚度的检测方法便成为趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有非接触、高精度、结构简单、便于操作的测量纳米级金属薄膜厚度的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，步骤如下：

步骤一：建立TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随金属薄膜厚度变化的标准曲线图，并求得对应的拟合公式；

步骤二：获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的镀膜干涉条纹图像；

步骤三：获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像；

步骤四：将步骤二和步骤三获取的图像进行比对、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：将步骤四中的计算结果代入在步骤一所述标准曲线图的拟合公式中获取金属薄膜厚度的值。

另外，所述步骤一建立TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随金属薄膜厚度变化的标准曲线图参数为：

1）激光器的输出波长，

2）棱镜折射率，

3）金属薄膜的介电常数。

所述步骤二是：将入射到棱镜型SPR传感器镀膜区域的反射光分为TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作为测量光，TE偏振波作为参考光，而后令两束光经干涉系统和偏振片后产生干涉条纹，记录该干涉图像；

所述步骤三是：将入射到棱镜型SPR传感器非镀膜区域的反射光分为TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作为测量光，TE偏振波作为参考光，而后令两束光经干涉系统和偏振片后产生干涉条纹，记录该干涉图像；

所述步骤四是：将步骤二和步骤三获取的两幅图像对比、计算和处理，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，由此计算出镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值；

所述步骤五是：将步骤四得到的镀膜区域TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值代入到步骤一所述的标准曲线图的拟合公式中获取金属薄膜厚度的值。

另外，所述步骤二，入射到棱镜型SPR传感器镀膜区域的反射光，为入射到棱镜型SPR传感器棱镜-金属薄膜界面的光线，入射角等于SPR效应的共振角。

所述步骤三，入射到棱镜型SPR传感器非镀膜区域的反射光，为入射到棱镜型SPR传感器棱镜-空气界面的光线，入射角等于步骤二中的入射角。

另外，所述金属薄膜为金、银、铝或铂薄膜。

本发明的有益效果是：本发明是基于棱镜型SPR传感器和相位调制方法，采用激光干涉对TM偏振波和TE偏振波进行相位调制，能够实现非接触、高精度、便于操作的测量纳米级金属薄膜厚度。

附图说明

图1是棱镜型SPR传感器的基本结构示意图，

图2是TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随金膜厚度变化的标准曲线图，

图3是用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法的实施步骤流程图，