真空镀膜试验-深圳大学材料教学试验中心

专业实验（1）

干涉法测厚实验

一、 实验目的

薄膜厚度对薄膜的各种性质有着较大的影响。测量薄膜厚度的方法有许多种，如称重法、石英晶体振荡法、台阶仪法等。

本实验的目的是用干涉显微镜测量膜厚。通过本门实验，要求学生掌握如下几点：①对干涉显微镜结构有较系统的了解；②了解干涉显微镜各组件的功能；③掌握麦克尔逊干涉仪工作原理；④掌握光学显微镜放大、测量机制；⑤掌握干涉法测量膜厚基本原理；⑥掌握干涉显微镜的基本操作。

二、预习要求

要求学生在实验之前，认真学习干涉法测厚实验讲义，在任课教师讲述之前，对干涉显微镜结构、原理以及用干涉显微镜测量薄膜厚度的操作规程有初步的了解。

三、实验所需仪器设备

实验主要使用的仪器为6JA型干涉显微镜，以下为其用途及结构介绍： 1. 用途

干涉显微镜是用来测量精密加工零件表面(平面、圆柱等外表面)光洁度的仪器。也可以用来测量零件表面刻线、刻槽镀层(透明)等深度。

仪器配以各种附件，还能测量粒状、加工纹路混乱的表面以及低反射率的工件表面。同时还能将仪器安置在工件上，对大型工件表面进行测量。

仪器测量表面不平深度范围为1~0.03微米，用测微目镜和照相方法来评定▽10~▽14光洁度的表面。

本仪器适用于厂矿企业计量室，精

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图3 干涉显微镜实物对照图

密加工车间，也适用于高等院校，科学研究等单位。 2. 结构

仪器的外形示于图3。其主体是个方箱，上面是工作台(2)，前面是目镜(1)，后面是干涉条纹调节机构(3)，(3)下面是灯源(4)，(1) 下面是照相机(5)，主体安置在底座(16)上，其两旁还有各种用途的手轮。

(一) 目镜头。它是一个普通的测微目镜，装动测微目镜上鼓轮(1a)能使目镜视场中十字线位移，位移量由分划板刻度和鼓轮上刻度读出。目镜视场参见图4，视场中刻线格值1毫米，鼓轮上刻线格值0.01毫米。

(二) 工作台(2)。用手推滚花轮(2a)可使工作台面作任意方向移动，将被测工件表面所需要测量的部位移到视场中去。将滚花轮(2b)转动，可使工作台作360o旋转。将滚花轮(2c)转动，可使工作台作高低方向移到，以便对工件表面进行调焦。

(三) 干涉条纹调节机构(3)。转动手轮(7) 、(9)可改变干涉条纹的方向和宽度。转动手轮 (14)能补偿因温度、外力等影响而产生光程的变化。手轮(8)可调节标准镜P1和物镜O1之间的距离，以便使镜P1表面精确地成像在目镜视场中。还有一个手轮(15)可以改变标准镜P1的反射率；将手轮(15)朝一个方向转到底时，镜P1具有高反射率；(15)朝另一个方向转到底时，是低反射率；这适合于被测工件是玻璃等非金属或无光泽的低反射率表面，以保证在这时也能得到良好对比的干涉条纹。

(四) 灯源(4)。直接拉伸灯头，可使灯丝作轴向位移。转动调节螺丝(4a)，可使灯丝作垂直于光轴方向作小量移位，使灯丝中心位于光轴上。

(五) 相机(5)。相机(5)是上海照相机厂生产的DFC型相机，配上专用照相物镜，相机可装一般照相用135胶卷。拍照时应将手轮10转到照相位置，使光线导向照相机。

(六) 主体。其右边有一半的滚花手轮(11)用来改变孔径光栏Q2的大小。手柄(12)向左推到底时，将干涉滤光片移入光路，得到单色光照明，手柄(12)向右推到底时，将干涉滤光片移出光路，得到白光照明。左边上部有个手轮(6)是转动遮光板(B)的，转动手轮(6)可使遮光板(B)转入光路，使标准镜一路的光线遮住，只有通过被测件P2的一支光束到达视场，以便能使工件表面清晰地成像在目镜中。

(七) 底座(16)。底座是安置仪器用，并使仪器平稳，在仪器反过来测量大工件时，应将底座里两个滚花螺钉拧下来，将底座拆除，以便携带。

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四、 实验原理

干涉显微镜是麦克尔逊干涉仪与光学显微镜的组合，将被测件和标准光学镜面相比较，用光波波长作为尺子来衡量工件表面的不平深度。由于光洁度是微观不平深度，所以用显微物镜进行高倍放大后进行观察和测量。

干涉显微镜光路如图1所示。 当经过P1，P2镜反射回来的两束光的光程相等时，将在目镜场中出现零级干涉条纹。用白光照明时，视场中央出现两条近似黑色的条纹，两侧对称分布着数条彩色条纹。

测量薄膜厚度时使用的样品制成如图2中左图所示的形状。这样当干涉显微镜的物镜对准待测薄膜台阶处时，样品的两个表面将出现光程差。目镜视场中就可观察到条纹弯曲，如图2中右图所示。通过测量干涉条纹的位移，可以计算出薄膜的厚度。设薄膜的厚度为t，干涉条纹间距a，条纹位移量为b，则薄膜厚度t为

衬底 台阶 薄膜 图1 仪器光学系统图

S－灯源；O6、O7、O8－照明聚光镜；F－干涉滤色片；S1、S2－反光镜；Q2－孔径光栏；Q1－视场光栏；T－分光板；B－遮光板；O1、O2－显微物镜；P1－标准镜面；T1－补偿板；P2－工件测量面；S3－可调反光镜；O4－照相物镜；P3－照相底片；O3－目镜。

t? ???2a2 N2?N1?b?N4?N3图2 衬底上薄膜示意图及对应的干涉条纹

式中：λ为单色光波长，在绿色光谱范围可取λ=0.53微米。

本仪器就是用测量视场中干涉条纹的弯曲量，反过来推算出零件表面的不平深度。 仪器上的干涉滤色片，使白光过滤后，只有半宽度很小的这部分单色光通过仪器，这种单色光有较好的相干性，因此在使用仪器时为寻找干涉条纹提供了方便，同时，这种单色光有确

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定的波长值，因而能提高测量精度。

五、 原材料（样品）准备

采用真空蒸发镀膜方法制备待测样品。首先将载波片清洗干净，于其上先蒸镀一层Ag膜，然后通过掩模方法在其上再蒸镀一层厚度适当的Au膜，Au膜台阶的宽度要适当，本实验中要观察两种台阶(平缓和陡峭)。

六、实验步骤 1. 调整仪器

将灯源插头插在变压器插座上，变压器插头插在电源插座上，电源应是220 V如果系110 V，那么应按变压器上说明图改变接线，打开变压器上开关，照明灯就亮了。

将手轮(10)转到目视位置，即把反光镜S3，从光路中转出，同时转动手轮(6)将遮光板(B)从光路中转出，此时在目镜中应看到明亮的视场。否则可转动灯源中心调节螺丝(4a)，使得到照明均匀的视场。转动手轮(8)使目镜视场中下方弓形直边清晰，这说明标准镜P1已位于物镜O1的物面上。

在工作台上安置好被测工件，被测面朝向物镜，转动手轮(6)将标准镜P1一路光束遮去，转动滚花轮(2c)使工作台上下升降，直到在目镜视场中观察到清晰的工件表面象为止，此时再转动手轮(6)，将遮光板(B)从光路中转出。松开螺丝(1b)将测微目镜从目镜转座中取出，直接从目镜管看进去，可以看到两个灯丝象，此时转动手轮(11)使孔径光栏开至最大，转动手轮(7)、(9)，使两个灯丝象完全重合，同时调节螺丝(4a)使灯丝象位于孔径光栏中央，再插上测微目镜，旋紧螺丝(1b)。

将手柄(12)向左推到底，干涉滤色片F插入光路，此时在目镜中应能看到干涉条纹，如果没有条纹，那么可以慢慢地来回转动手轮(14)，直到视场中出现最清晰的干涉条纹。此时把手柄(12)向右推到底，即把手轮(7)、(9)和配合转动手轮(8)、(14)可得到最好的对比和所需的宽度和方向的干涉条纹。转动工作台使加工纹路方向和干涉条纹方向垂直。

松开螺丝(1b)转动测微目镜，使视场中十字线之一与干涉条纹平行。现在就可以进行具体测量工作了。 2. 薄膜厚度测量

薄膜厚度可以用两种方法测量：用目视估计测量和用测微目镜测量。 a. 用目视估计测量

正确调整好仪器后，视场里同时可以看到被测量表面和薄膜台阶引起弯曲的干涉条

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纹。而且条纹的方向是垂直于台阶方向的。为了确定台阶的厚度，应该用眼睛来确定被测量表面台阶处弯曲量为多少倍干涉条纹间隔，或者几分之一干涉条纹间隔。白光测量时，λ为540 nm；用绿光测量时，λ为530 nm。 b. 用测微目镜测量

把测微目镜十字线中一条和干涉条纹的方向平行，另一条与被测量表面台阶方向平行，此时用固紧螺丝将测微目镜固紧。台阶厚度测量分为三个步骤：

(1) 测量相邻条纹之间的间隔。

在白光工作时，用两条黑色条纹进行测量，条纹之间隔值用测微目镜上鼓轮分划数来表示。为了提高测量精度，将十字线对准条纹的中间，而不是条纹的边缘。图4为仪器视场示意图，示出了十字线对准干涉条纹的正确位置。移动测微目镜视场中十字线，使其与干涉条纹方向平行的一条刻线对准一黑色干涉条纹下凸缘的中间，此时得到第一个读书N1。然后将同一条刻线对准另一条黑色干涉条纹下凸缘的中间，得到第二个读数N2，或者在单色光时，对准其它任一条干涉条纹的中间，得到第二读数N2，但此时必须记住测量的两个干涉条纹间所包含的间隔数n，为了提高测量精度n最好取3个以上。 (2) 测量条纹的弯曲量。

干涉条纹的弯曲量，同样用测微鼓轮上分划数表示。用一条刻线对准干涉

条纹下凸缘的中间，此时读数为N3。然后用同一条刻线对准同一条干涉条纹最大弯曲处的干涉条纹上凸缘中间，得到第二读数N4。薄膜厚度可用前面给出的公式得出。

七、实验注意事项

1. 干涉显微镜是精密计量仪器。因此使用、操作要求非常小心，防止碰撞和冲击。 2. 不允许私自拆卸物镜，拧下零件等等。

3. 为防止目镜管内棱镜沾上灰尘，应在目镜管上放测微目镜，如果物镜头脏了，请不要扭下它，而只能用洁净的绸布、鹿皮或擦镜纸轻轻擦拭。油多的斑点可以用脱脂棉花蘸少些酒精和乙醚混合剂(1:1)进行清洁处理。

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图4 目镜中十字线与干涉条纹的关系图

4. 干涉显微镜测量所镀薄膜厚度，需重复测量3次。 5. 在测量过程中要单方向旋转鼓轮。

八、实验结果及数据处理

要求学生2人一组记录相关实验数据，通过膜厚公式计算得出薄膜厚度。

九、实验报告要求

要求学生上缴的实验报告按照教务处下发的“深圳大学实验报告”格式书写。

十、思考题及讨论

1. 在测量a过程中，若十字分划线 (图中虚线所示)按图中黑色箭头 方向运动，问膜厚的测量值比薄 膜实际厚度值是增大还是减小， 说明原因？

2. 问薄膜台阶处的宽窄及薄膜厚度 对干涉条纹产生怎样的影响(画 图并详细说明)？

十一、参考资料

1. 6JA型干涉显微镜说明书；

2. 《普通物理学》 —— 程守洙、江之永著。高等教育出版社 3. 《物理学》 —— 周静娴主编。中国农业出版社

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4. 干涉显微镜测量所镀薄膜厚度，需重复测量3次。 5. 在测量过程中要单方向旋转鼓轮。

八、实验结果及数据处理

要求学生2人一组记录相关实验数据，通过膜厚公式计算得出薄膜厚度。

九、实验报告要求

要求学生上缴的实验报告按照教务处下发的“深圳大学实验报告”格式书写。

十、思考题及讨论

1. 在测量a过程中，若十字分划线 (图中虚线所示)按图中黑色箭头 方向运动，问膜厚的测量值比薄 膜实际厚度值是增大还是减小， 说明原因？

2. 问薄膜台阶处的宽窄及薄膜厚度 对干涉条纹产生怎样的影响(画 图并详细说明)？

十一、参考资料

1. 6JA型干涉显微镜说明书；

2. 《普通物理学》 —— 程守洙、江之永著。高等教育出版社 3. 《物理学》 —— 周静娴主编。中国农业出版社

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