基于力傳感器的薄膜厚度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

基于力傳感器的薄膜厚度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

法、顯微鏡法薄膜技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)，厚度是薄膜的重要物理參數(shù)。因此，膜厚的測(cè)量自然是研究材料特性的重要工作。對(duì)于固態(tài)薄膜,常見(jiàn)的膜厚測(cè)量手段主要有直接測(cè)量如螺旋測(cè)微法、顯微鏡法,間接測(cè)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(lái)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(cè)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(guò)利用白光干涉法和干涉極值法測(cè)薄膜厚度,但光路調(diào)節(jié)要求高、操作繁復(fù),必須已知折射率,而且折射率本身的誤差對(duì)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(duì)GSZF-4型邁克爾遜干涉儀加以改進(jìn),提出了實(shí)驗(yàn)原理及具體測(cè)量方法,并分析了該方法的優(yōu)點(diǎn)與不足,實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出較好的精確度。1實(shí)驗(yàn)原理1.1補(bǔ)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(yán)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(bǔ)償板G2用于彌補(bǔ)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(lái)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(mǎn)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(kuò)束鏡,以提供不同角度的入射光。當(dāng)M1//M′2(M1⊥M2)時(shí),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(gè)圓環(huán)對(duì)應(yīng)一恒定的傾角,即等傾干涉。移動(dòng)M2讓d發(fā)生變化,當(dāng)d增加時(shí),條紋從中心涌出向外擴(kuò)展;d減小時(shí),條紋向中心涌入。光程差增加或減少一個(gè)波長(zhǎng)λ,d就增加或減少λ/2,即M2就移動(dòng)了λ/2。設(shè)變化N個(gè)干涉圓環(huán)動(dòng)鏡的移動(dòng)量為Δd,則有環(huán)數(shù)與M2移動(dòng)量的關(guān)系為:Δd=Ν?λ2(2)Δd=N?λ2(2)1.3薄膜厚度的測(cè)定根據(jù)式(2)知道,只要讀出N(通常取大于80)個(gè)干涉環(huán)對(duì)應(yīng)的動(dòng)鏡位置的移動(dòng)量Δd,就可以測(cè)得光源激光器的波長(zhǎng)λ。相反的可以這樣設(shè)想,若使動(dòng)鏡移動(dòng)量恰好等于被測(cè)物的厚度,而且能夠數(shù)出該厚度對(duì)應(yīng)干涉環(huán)的變化數(shù)目N,則在已知激光波長(zhǎng)λ的條件下,將各量帶入式(2)即可測(cè)定物體的厚度。這里的關(guān)鍵點(diǎn)有兩方面:一是要使光程正好改變了被測(cè)的厚度,二是還要能記錄與之對(duì)應(yīng)干涉的周期數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)第一點(diǎn),采用了所謂“抵消法”。即在動(dòng)鏡M2后面放一個(gè)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(shí)力傳感器與M2的距離就是薄膜的厚度。但這樣還無(wú)法數(shù)出環(huán)數(shù),為了實(shí)現(xiàn)第二點(diǎn),先調(diào)手輪使M2與薄膜分開(kāi),該過(guò)程必定對(duì)應(yīng)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(guò)程也會(huì)產(chǎn)生反方向的干涉環(huán)變化,那么當(dāng)反方向的干涉環(huán)變化數(shù)目與之前相等時(shí),M2就回到了夾有薄膜時(shí)的相同位置,只不過(guò)此時(shí)力傳感器與M2之間只有空氣。下面是最后一個(gè)過(guò)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(guò)程干涉環(huán)的變化數(shù)為Δn,就得到了與膜厚對(duì)應(yīng)的干涉環(huán)數(shù)Δn。根據(jù)式(2),容易得到被測(cè)薄膜厚度為:x=Δn?λ2(3)2實(shí)驗(yàn)方法2.1激光束光器與分光鏡的配合測(cè)量前必須首先獲得嚴(yán)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(tái)水平,移動(dòng)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(dǎo)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(diǎn),以下用自準(zhǔn)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(guò)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(guò)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(diǎn),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(gè)光斑重合,這時(shí)M1和M2基本垂直,拿走小孔光闌。(3)細(xì)調(diào):將擴(kuò)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(méi)有應(yīng)重新粗調(diào)),調(diào)整改變M1傾角的兩個(gè)微調(diào)螺絲,使屏P上出現(xiàn)同心圓形干涉條紋,此時(shí)M1和M2嚴(yán)格垂直。2.2被測(cè)薄膜厚度的測(cè)量獲得嚴(yán)格的等傾干涉條紋之后,接著進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量裝置細(xì)節(jié)如圖4所示,力傳感器固定在鐵架臺(tái)上,測(cè)力鉤與動(dòng)鏡間留一空隙。測(cè)量步驟如下:(1)將待測(cè)薄膜放入該空隙,調(diào)節(jié)動(dòng)鏡使空隙減小,兩側(cè)與膜接觸時(shí),空隙與膜等厚;(2)向左調(diào)動(dòng)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(dòng)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(dòng)鏡直到動(dòng)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(zhǎng)λ及Δn代入式(3),計(jì)算被測(cè)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(dāng)?shù)?。?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這樣做通常會(huì)發(fā)生若干個(gè)干涉環(huán)的瞬間跳變,說(shuō)明干涉狀態(tài)已改變,致使測(cè)量結(jié)果有誤。步驟(2)、(3)、(4)起到消除跳變效應(yīng)影響的作用。3試驗(yàn)設(shè)備與缺陷分析3.1測(cè)力器和測(cè)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(jìn)行測(cè)量的實(shí)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(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)線和鐵架臺(tái)等組成。作用于力傳感器上的壓力可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)壓力穩(wěn)定到0.01N時(shí),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(cè)量下限為0.3μm。GSZF-4型邁克爾遜干涉儀動(dòng)鏡行程為1.5mm,這決定了此法的測(cè)量上限為1.5mm。3.2試驗(yàn)工具的使用效果(1)拓展了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的測(cè)量對(duì)象,在被測(cè)薄膜非透明、折射率不已知的情況下,其厚度也可測(cè)量;(2)理論上可以準(zhǔn)確分辨到λ/2個(gè)長(zhǎng)度,使用波長(zhǎng)632.8nm的激光時(shí),分辨力約為0.3μm。這個(gè)精度比一般的機(jī)械式測(cè)量工具如千分尺、游標(biāo)卡尺的精度高許多;(3)有效避開(kāi)了螺旋空程造成的影響。眾所周知?jiǎng)隅R的調(diào)節(jié)一般要通過(guò)機(jī)械的螺旋裝置精密變動(dòng),但在有來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)械的空程差則尤為顯著。雖然空程效應(yīng)客觀存在,但此法整個(gè)過(guò)程不依靠干涉儀自帶的機(jī)械讀數(shù)裝置,而是通過(guò)記干涉環(huán)周期數(shù)進(jìn)行間接測(cè)量,且測(cè)量接觸部位直接位于動(dòng)鏡,很好地解決了這個(gè)問(wèn)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(duì)于一般的固體薄膜,測(cè)量中產(chǎn)生的擠壓形變十分微弱,可忽略不計(jì)。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(xiàng)簡(jiǎn)單的工作,長(zhǎng)時(shí)間關(guān)注激光干涉圖樣對(duì)眼睛不利,若不仔細(xì)則容易數(shù)錯(cuò),造成較大誤差。所以,人工數(shù)環(huán)的方案在實(shí)際應(yīng)用中是不可取的。另外,此法測(cè)量的分辨力是由激光波長(zhǎng)決定的,使用波長(zhǎng)越短的激光,分辨力也越高,但較短波長(zhǎng)的激光也在400nm左右,所以目前通過(guò)降低波長(zhǎng)的辦法提高精度成本較高,提高也不是十分顯著。4試驗(yàn)結(jié)果與誤差分析4.1u3000薄鋼片厚度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(biāo)示值為0.06mm規(guī)格的塞尺)作為樣品,用前述方法分別測(cè)量10次,每次改變的干涉環(huán)周期數(shù)及相應(yīng)推算的厚度分別如表1、表2所示。由表1計(jì)算被測(cè)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(lèi)不確定度uA1=√n∑i=1(x1i-—x1)n(n-1)=0.53μm(4)B類(lèi)不確定度uB1=Δ儀√3=0.5λ√3=0.18μm(5)合成標(biāo)準(zhǔn)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(cè)微器測(cè)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(duì)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(jì)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(lèi)不確定度uA2=√n∑i=1(x2i-—x2)n(n-1)=0.96μm(8)B類(lèi)不確定度uB2=Δ儀√3=0.5λ√3=0.18μm(9)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC2=√u2A2+u2B2=0.98μm(10)測(cè)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(biāo)定值0.06mm作為準(zhǔn)確的參考值,但可以看出測(cè)量的結(jié)果確實(shí)在允許偏差范圍之內(nèi),說(shuō)明該塞尺達(dá)到了指定尺寸,可以繼續(xù)使用。兩組綜合標(biāo)準(zhǔn)不確定度均小于1μm,通過(guò)比較,表明此法具有良好的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。4.2人工數(shù)環(huán)的使用下面簡(jiǎn)要分析誤差,其來(lái)源主要有兩點(diǎn):(1)激光波長(zhǎng)作為測(cè)量參數(shù),其值是否準(zhǔn)確將直接影響測(cè)量準(zhǔn)確度,實(shí)驗(yàn)所用激光器的波長(zhǎng)不一定正好與標(biāo)示規(guī)格吻合,故建議使用前親自測(cè)一下激光的波長(zhǎng),以實(shí)際測(cè)得的激光波長(zhǎng)代入計(jì)算,這有助于減小測(cè)量的系統(tǒng)誤差;(2)當(dāng)薄膜厚度較大時(shí),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(zhǎng),導(dǎo)致結(jié)果有一定的偏差,甚至這偏差將成為測(cè)量的最主要誤差來(lái)源,這主要反映在A類(lèi)不確定度上。實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn),從對(duì)兩種薄膜片的實(shí)際測(cè)量結(jié)果來(lái)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(duì)比可見(jiàn),隨著被測(cè)厚度的增加,其多次重復(fù)測(cè)量的A類(lèi)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(jì)了可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)環(huán)的讀數(shù)系統(tǒng),并開(kāi)發(fā)出了相關(guān)硬件。雖然人工數(shù)環(huán)的方法在實(shí)際應(yīng)用中不太可取,但由于實(shí)驗(yàn)室條件所限,暫時(shí)無(wú)法架設(shè)一個(gè)自動(dòng)數(shù)環(huán)系統(tǒng),只好對(duì)兩種厚度不太大的薄片采用人工數(shù)環(huán)的方法進(jìn)行了測(cè)量。如若采用自動(dòng)數(shù)環(huán),不但可使測(cè)量操作大為簡(jiǎn)化,為計(jì)數(shù)工作節(jié)省大量寶貴時(shí)間,而且其精準(zhǔn)程度也相當(dāng)優(yōu)于人工數(shù)環(huán)。5自動(dòng)數(shù)環(huán)的應(yīng)用與一般的干涉法測(cè)固體薄膜的厚度相比,該方法最大的優(yōu)勢(shì)就是不用已知薄膜的折射率,不要求被測(cè)材料透明,同時(shí)能夠達(dá)到較高精度,且沒(méi)有過(guò)分困難的光路