一種用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的spr相位測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，建立金屬薄膜膜層厚度TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨入射角度變化的理論曲線圖；設(shè)定一組以SPR共振角度為中心變化的入射角度值；獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像；獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像；計(jì)算得到鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；從初始角度開(kāi)始依次改變?nèi)肷浣嵌?，得到相位變化量差值隨入射角度變化的測(cè)量曲線圖；根據(jù)相位變化量差值隨入射角度變化的理論曲線和所得測(cè)量曲線，確定SPR傳感器所鍍雙層金屬薄膜的厚度。本發(fā)明的有益效果是：該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，便于操作。
【專利說(shuō)明】
一種用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬薄膜厚度的測(cè)量方法，特別涉及一種用于測(cè)量用于測(cè)量納米 級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著薄膜技術(shù)在微電子、光電子、航空航天、生物工程、武器裝備、食品科學(xué)、醫(yī)療 儀器和高分子材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，薄膜技術(shù)已成為當(dāng)前科技研究和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的 研究熱點(diǎn)，特別是納米級(jí)薄膜技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)直接影響到科技的發(fā)展方向和人們的 生活方式。而薄膜制造技術(shù)的不斷改進(jìn)和迅速發(fā)展也對(duì)薄膜的各種參數(shù)提出了更高的要 求，比如薄膜的厚度和折射率參數(shù)以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜設(shè)計(jì) 和工藝制造中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它對(duì)于薄膜的光學(xué)特性、力學(xué)特性和電磁特性等具有決定 性的作用，因此能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)薄膜厚度已經(jīng)成為一種至關(guān)重要的技術(shù)。例如中國(guó)專利申 請(qǐng)?zhí)枮?01310137996.6,公開(kāi)了一種用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，此 方法SPR傳感器的鍍膜結(jié)構(gòu)以單層結(jié)構(gòu)為主，但是應(yīng)用單層結(jié)構(gòu)的局限性在于由其構(gòu)成的 SPR傳感器的測(cè)量靈敏度不夠高且某些金屬材料的粘附性不好。
[0003] 目前，SPR傳感技術(shù)的調(diào)制類型主要有角度型、光譜型和相位型，其中相位型SPR傳 感技術(shù)擁有更高的靈敏度，具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此很多研究人員為了進(jìn)一步提高SPR傳感器的 靈敏度以及金屬膜層和SPR傳感器的黏附性，出現(xiàn)了采用多層結(jié)構(gòu)（以雙層結(jié)構(gòu)為主)SPR傳 感器的應(yīng)用趨勢(shì)。在利用雙層結(jié)構(gòu)棱鏡型SPR傳感器的應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，SPR傳感器所鍍制 的單層或多層金屬薄膜的厚度對(duì)反射光的反射率和相位變化有直接影響，因此，本發(fā)明利 用SPR傳感器的這一特點(diǎn)結(jié)合相位調(diào)制方法來(lái)直接測(cè)量雙層金屬薄膜的厚度，為測(cè)量納米 級(jí)雙層金屬薄膜厚度提供一種新思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有非接觸、高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作 的測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的方法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于測(cè)量納米級(jí)雙層金 屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特征是:步驟如下：
[0006] 步驟一:根據(jù)金屬薄膜膜層厚度建立對(duì)應(yīng)的TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差 值隨入射角度變化的理論曲線圖；步驟二:設(shè)定一組以SPR共振角度為中心變化的入射角度 值，使入射光以任一初始角度入射到棱鏡型SPR傳感器的雙層金屬薄膜界面;步驟三:根據(jù) 步驟二所述的入射角獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像;步驟四：根據(jù)步驟二 所述的入射角獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像;步驟五:將步驟三和步驟 四獲取的圖像進(jìn)行比對(duì)、計(jì)算，得到鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值;步驟 六:根據(jù)步驟二，從初始角度開(kāi)始依次改變?nèi)肷浣嵌?，并重?fù)步驟三至步驟五，得到相位變 化量差值隨入射角度變化的測(cè)量曲線圖；步驟七：比對(duì)步驟一所得相位變化量差值隨入射 角度變化的理論曲線和步驟六所得測(cè)量曲線，確定SPR傳感器所鍍雙層金屬薄膜的厚度。
[0007] 所述步驟一的不同金屬薄膜膜層厚度對(duì)應(yīng)的TM偏振波和TE偏振波的相位變化量 差值隨入射角度變化的理論曲線圖參數(shù)為：
[0008] 1)入射角度θ，2)棱鏡折射率np，3)入射光波長(zhǎng)λ，4)雙層金屬薄膜的介電常數(shù)eml、 e m2，所述步驟二的入射角度選取42.0至45.0度，所述步驟三是將入射到棱鏡型SPR傳感器鍍 膜區(qū)域的反射光分為T(mén)M偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波 作為參考光，而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振片后產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像，所述步 驟四是將入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光分為T(mén)M偏振波和TE偏振波，以反射 光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光，而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振片后 產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像，所述步驟五是將步驟三和步驟四獲取的兩幅圖像對(duì)比、計(jì) 算和處理，得到兩幅干涉圖像中干涉條紋的偏移量和干涉圖像中相鄰干涉條紋的間隔量， 由此計(jì)算出鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值。
[0009] 所述步驟二的入射角度值變化間隔至少為0.1度。
[0010] 所述步驟二的一組以SPR共振角度為中心變化的入射角度值最少選取10個(gè)測(cè)量角 度;所述步驟三入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱 鏡-雙層金屬薄膜界面的光線，入射角是步驟二中設(shè)定的SPR共振角度附近的入射角度;所 述步驟四入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱鏡-空氣界面的光線，入射角等于步驟三中的入射角;所述步驟六從初始角度開(kāi)始依次改變?nèi)?射角度，變化順序應(yīng)按照步驟二所設(shè)定的一組入射角度;所述步驟七比對(duì)步驟一所得理論 曲線和步驟六所得測(cè)量曲線是通過(guò)計(jì)算理論數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的殘差平方和最小時(shí)，確定 SPR傳感器所鍍雙層金屬薄膜的厚度。
[0011]所述金屬薄膜為金、銀、銅、錯(cuò)、鉬、鈦、鎳、絡(luò)薄膜。
[0012] 所述金屬薄膜測(cè)量總厚度范圍為0-100nm測(cè)量精度為0· lnm〇
[0013] 所述金屬薄膜測(cè)量總厚度范圍為20-80nm。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明是基于雙層金屬膜結(jié)構(gòu)棱鏡型SPR傳感器和相位調(diào) 制方法，采用激光干涉方法對(duì)TM偏振波和TE偏振波進(jìn)行相位調(diào)制，并利用二者的相位變化 量差值隨入射角度變化的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的非接觸、高精度測(cè)量， 且該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為本發(fā)明鍍制雙層金屬膜的棱鏡型SPR傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，
[0016] 圖2a為本發(fā)明30nm銀膜厚度對(duì)應(yīng)的TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨入 射角度變化的曲線圖，
[0017] 圖2b為本發(fā)明10nm金膜厚度對(duì)應(yīng)的TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨入 射角度變化的曲線圖，
[0018] 圖2c為本發(fā)明銀膜/金膜總厚度40nm對(duì)應(yīng)的TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差 值隨入射角度變化的曲線圖，
[0019] 圖3為本發(fā)明用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法的實(shí)施步驟 流程圖，
[0020] 圖4為本發(fā)明基于SPR相位檢測(cè)方法測(cè)量雙層金屬薄膜厚度的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，
[0021] 圖5為本發(fā)明棱鏡型SPR傳感器放置在XYZ三維平移導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的示意圖，
[0022] 圖6為本發(fā)明干涉圖像中干涉條紋強(qiáng)度的一維空間位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：
[0024] 表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR)效應(yīng)是一種特殊的物理光 學(xué)現(xiàn)象。利用光波在介質(zhì)與金屬交界面上發(fā)生全反射時(shí)所產(chǎn)生的倏逝波，可以引發(fā)金屬表 面自由電子的集體振蕩，從而形成表面等離子體波（Surface Plasmon Wave，SPW)，它的磁 場(chǎng)矢量方向平行于介質(zhì)與金屬的交界面，磁場(chǎng)強(qiáng)度在交界面處達(dá)到最大值且在兩種介質(zhì)中 呈現(xiàn)指數(shù)型衰減趨勢(shì)，當(dāng)入射光波矢等于表面等離子體波波矢時(shí)，即可激發(fā)SPR效應(yīng)。目前， SPR傳感技術(shù)的調(diào)制類型主要有角度型、光譜型和相位型，其中相位型SPR傳感技術(shù)擁有更 高的靈敏度，具有明顯優(yōu)勢(shì)。基于SPR技術(shù)建立的棱鏡型和光纖型SPR傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域主 要集中在化學(xué)和生命科學(xué)方面，目前SPR傳感器的鍍膜結(jié)構(gòu)雖然以單層結(jié)構(gòu)為主，但是應(yīng)用 單層結(jié)構(gòu)的局限性在于由其構(gòu)成的SPR傳感器的測(cè)量靈敏度不夠高且某些金屬材料的粘附 性不好，因此很多研究人員為了進(jìn)一步提高SPR傳感器的靈敏度以及金屬膜層和SPR傳感器 的黏附性，出現(xiàn)了采用多層結(jié)構(gòu)（以雙層結(jié)構(gòu)為主)SPR傳感器的應(yīng)用趨勢(shì)。在利用雙層結(jié)構(gòu) 棱鏡型SPR傳感器的應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，SPR傳感器所鍍制的單層或多層金屬薄膜的厚度對(duì)反 射光的反射率和相位變化有直接影響，因此，本發(fā)明利用SPR傳感器的這一特點(diǎn)結(jié)合相位調(diào) 制方法來(lái)直接測(cè)量雙層金屬薄膜的厚度，為測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度提供一種新思 路。
[0025]如圖1所示為棱鏡型SPR傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，入射光E以SPR效應(yīng)共振角入射 到棱鏡型SPR傳感器5的棱鏡501-雙層金屬薄膜502/503界面激發(fā)SPR效應(yīng)后，反射光E'中TM 偏振波的相位會(huì)隨雙層金屬薄膜厚度的不同而發(fā)生變化，而TE偏振波的相位變化程度則不 明顯，二者差異很大，因此將TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光，計(jì)算二者相位變 化量的差值，而后通過(guò)在共振角度附近改變?nèi)肷浣嵌龋眠@兩種偏振波的相位變化量差 值隨入射角度的變化規(guī)律，即可確定雙層金屬薄膜厚度的信息。
[0026]根據(jù)菲涅耳公式，如圖1所示棱鏡型雙層金屬薄膜SPR傳感器的反射系數(shù)r和反射 相位δρ的表達(dá)式為

[0035] i、j分別代表p、mi、m2、a，p代表棱鏡，mi代表金屬薄膜502層，Π12代表金屬薄膜503 層，a代表空氣，辦為棱鏡折射率，λ為入射光波長(zhǎng)，Θ為入射角度，dml和eml為金屬薄膜502層的 厚度和介電常數(shù)，d m2和em2為金屬薄膜503層的厚度和介電常數(shù)，rpml為棱鏡和金屬薄膜502 層交界面的反射系數(shù)，r mlm2為金屬薄膜502層和503層交界面的反射系數(shù)，rm2a為金屬薄膜 503層和空氣交界面的反射系數(shù)，k ew為倏逝波的波矢。
[0036]對(duì)于雙層金屬薄膜結(jié)構(gòu)的SPR傳感器來(lái)說(shuō)，由以上公式可以分別求得TM偏振波和 TE偏振波對(duì)應(yīng)的相位變化量5r?和5rTE，兩者相減即可求得TM偏振波和TE偏振波的相位變化 量差值△ Sr，從式中可以看出該值受到雙層金屬薄膜厚度和入射角度的共同影響。
[0038]本發(fā)明的實(shí)施例中采用輸出波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光器，棱鏡材質(zhì)為ΒΚ7玻璃， 折射率為1.51，金屬薄膜采用介電常數(shù)為-18.3+2.3i的銀膜(對(duì)應(yīng)圖1中502層)和介電常數(shù) 為-10.7+0.8i的金膜(對(duì)應(yīng)圖1中503層），入射角度選取42.0至45.0度，變化間隔0.1度。如 圖2所示為T(mén)M偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨入射角度變化的理論曲線圖，為了更 加直觀的反映不同金屬膜層厚度所對(duì)應(yīng)曲線的差別，圖2a至圖2c中分別給出了銀膜厚度為 30nm時(shí)金膜厚度從Onm變化到20nm的曲線圖，金膜厚度為10nm時(shí)銀膜厚度從10nm變化到 50nm的曲線圖，以及總厚度為40nm金膜厚度從5nm變化到15nm銀膜厚度從35nm變化到25nm 的曲線圖，從圖中可以看出，即使雙層膜的膜層變化lnm，曲線圖也具有良好的區(qū)分度，因此 通過(guò)比對(duì)理論曲線和測(cè)量曲線，可以確定SPR傳感器所鍍雙層金屬薄膜的厚度。
[0039] 本發(fā)明的實(shí)施步驟如圖3所示:步驟一:建立不同金屬薄膜膜層厚度對(duì)應(yīng)的TM偏振 波和TE偏振波的相位變化量差值隨入射角度變化的理論曲線圖；步驟二:選取一組接近SPR 共振角度的入射角度，使入射光以某一初始角度入射到棱鏡型SPR傳感器的雙層金屬薄膜 界面;步驟三:獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像;步驟四：獲取棱鏡型SPR傳 感器非鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像;步驟五:將步驟三和步驟四獲取的圖像進(jìn)行比對(duì)、計(jì)算， 得到鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值;步驟六:依次改變?nèi)肷浣嵌?，并重?fù) 步驟三至步驟五，得到相位變化量差值隨入射角度變化的測(cè)量曲線圖；步驟七:比對(duì)步驟一 所得相位變化量差值隨入射角度變化的理論曲線和步驟六所得測(cè)量曲線，即可確定SPR傳 感器所鍍雙層金屬薄膜的厚度。
[0040] 如圖4、圖5所示，本發(fā)明的實(shí)施例是由測(cè)量激光器1，準(zhǔn)直透鏡2，偏振片3，XYZ三維 平移導(dǎo)軌401和轉(zhuǎn)角平臺(tái)4,棱鏡型SPR傳感器5,平面反射鏡6,干涉系統(tǒng)7,偏振片8, CCD9和 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)10構(gòu)成的。棱鏡型SPR傳感器5通過(guò)底部帶XYZ三維平移導(dǎo)軌401的轉(zhuǎn)角平臺(tái)4能 夠在X、Y、Z方向任意調(diào)整以及在XY平面內(nèi)做360度旋轉(zhuǎn)。
[0041]實(shí)施例的具體測(cè)量過(guò)程如下：由激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡2和偏振片3后 調(diào)整為偏振方向和入射面呈45度夾角的偏振光，再入射到放置在ΧΥΖ三維平移導(dǎo)軌401和轉(zhuǎn) 角平臺(tái)4上的棱鏡型SPR傳感器5斜邊面的鍍膜區(qū)域，調(diào)整ΧΥΖ三維平移導(dǎo)軌401和轉(zhuǎn)角平臺(tái)4 使入射光以選取的初始入射角度θ〇 = 42.0度入射到棱鏡501-雙層金屬薄膜502/503(銀膜 502層/金膜503層)界面上，反射光經(jīng)過(guò)平面反射鏡6校正方向，入射到干涉系統(tǒng)7中，偏振分 光鏡701先將反射光分為T(mén)M偏振波和TE偏振波，而后分別沿等光程路徑傳播，經(jīng)平面反射鏡 702、703反射后在偏振分光鏡704處匯聚，然后經(jīng)過(guò)偏振方向和TM偏振波振動(dòng)方向呈45度夾 角的偏振片8使TM偏振波和TE偏振波產(chǎn)生干涉效應(yīng)，由CCD9接收干涉圖像，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 10記錄獲得的干涉圖像。記錄鍍膜區(qū)域圖像后，調(diào)整XYZ三維平移導(dǎo)軌401和轉(zhuǎn)角平臺(tái)4中的 Z方向?qū)к?，使入射光入射到棱鏡型SPR傳感器5斜邊面的非鍍膜區(qū)域，觀察干涉圖像條紋的 偏移，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)10記錄新的干涉圖像。
[0042]根據(jù)光的干涉原理，當(dāng)入射光以入射角Θ照射到非鍍膜區(qū)域時(shí)，經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振 片產(chǎn)生干涉效應(yīng)后，其干涉光強(qiáng)度I (0，0，Θ)可表示為
[0044]式中，^⑴…"^^⑴…^彡表示經(jīng)非鍍膜區(qū)域反射后兩束干涉光的光強(qiáng)汰表示條 紋的空間變化頻率，A &(〇,〇, Θ)表示經(jīng)非鍍膜區(qū)域反射后TM偏振波和TE偏振波的相位變 化量差值，同理，當(dāng)入射光以入射角Θ照射到鍍膜區(qū)域時(shí)，經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振片產(chǎn)生干涉效 應(yīng)后，其干涉光強(qiáng)度K dml，dm2，Θ )可表示為
[0046] 式中，11 ( dml，dm2，Θ )、12 ( dml，dm2，Θ )表不經(jīng)鍍膜區(qū)域反身才后兩束干涉光的光強(qiáng)，k表 示條紋的空間變化頻率，A Sr(cU，dm2，0)表示經(jīng)鍍膜區(qū)域反射后TM偏振波和TE偏振波的相 位變化量差值。
[0047] 根據(jù)上述公式可以繪制如圖6所示的干涉光強(qiáng)度的一維空間位置示意圖，圖中X1 和X3分別表示入射光照射非鍍膜區(qū)域時(shí)兩個(gè)相鄰的亮條紋中心所處的位置，X2表示入射光 照射鍍膜區(qū)域時(shí)亮條紋中心所處的位置。根據(jù)上述兩個(gè)公式和圖6可推導(dǎo)得到如下關(guān)系式
[0048] /?, (0,0,0)=kx2-fΔ?>.{dm ,dm ,θ) = kx, +ASr(0,0,θ)-2π
[0049] 設(shè)Δ hi = X2_xi表示兩幅干涉圖像中干涉條紋的偏移量，δ h2 = X3-xi表示干涉圖像 中相鄰干涉條紋的間隔量，則上式可表示為
[0051 ] Δ hi和Δ h2的值可以由兩幅干涉圖像經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理得出，由實(shí)施例中已知 的激光器輸出波長(zhǎng)632.8nm、BK7棱鏡折射率1.51、金膜的介電常數(shù)-10.7+0.8i、銀膜的介電 常數(shù)為-18.3+2.3i，可計(jì)算出經(jīng)非鍍膜區(qū)域反射后TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值 Δ δΓ(〇,〇，θ)，這樣就可以獲得經(jīng)鍍膜區(qū)域反射后TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值 Δ 5r ( dml, dm2 , θ ) 〇
[0052] 然后通過(guò)調(diào)整ΧΥΖ三維平移導(dǎo)軌401和轉(zhuǎn)角平臺(tái)4，并按照從42.0到45.0度，變化間 隔0.1度的順序依次改變?nèi)肷浣嵌?，通過(guò)調(diào)整平面鏡6的角度使光線按照先前路徑傳播，并 依次記錄不同入射角度所對(duì)應(yīng)的ΤΜ偏振波和ΤΕ偏振波的相位變化量差值△ 5r( dml，dm2, Θ)， 由此勾畫(huà)出相位變化量差值隨入射角度變化的測(cè)量曲線，通過(guò)比對(duì)理論曲線和測(cè)量曲線， 當(dāng)計(jì)算理論數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的殘差平方和最小時(shí)，即可確定雙層金屬薄膜(銀膜502層/金 膜503層)的厚度。殘差平方和的具體計(jì)算方法如下：
[0055] 式中，ln代表測(cè)量數(shù)據(jù)，yn代表理論數(shù)據(jù)，vn代表殘余誤差(簡(jiǎn)稱殘差），且η多10。
[0056] 本發(fā)明所述方法并不僅限于測(cè)量金膜和銀膜的厚度，可以測(cè)量的金屬類型包括 金、銀、銅、鋁、鉑、鈦、鎳、鉻，測(cè)量總厚度不超過(guò)l〇〇nm，優(yōu)選為20-80nm，測(cè)量精度較高，可以 達(dá)到O.lnm。該方法屬于非接觸測(cè)量方法，測(cè)量過(guò)程中不會(huì)對(duì)金屬薄膜造成損傷。本發(fā)明所 述方法也不僅限于SPR傳感器金膜薄膜層為雙層，可以是多層。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特征是:步驟如下： 步驟一:根據(jù)金屬薄膜膜層厚度建立對(duì)應(yīng)的TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨 入射角度變化的理論曲線圖； 步驟二:設(shè)定一組以SPR共振角度為中心變化的入射角度值，使入射光以任一初始角度 入射到棱鏡型SPR傳感器的雙層金屬薄膜界面； 步驟三:根據(jù)步驟二所述的入射角獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像； 步驟四：根據(jù)步驟二所述的入射角獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像； 步驟五:將步驟三和步驟四獲取的圖像進(jìn)行比對(duì)、計(jì)算，得到鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏 振波的相位變化量差值； 步驟六:根據(jù)步驟二，從初始角度開(kāi)始依次改變?nèi)肷浣嵌?，并重?fù)步驟三至步驟五，得 到相位變化量差值隨入射角度變化的測(cè)量曲線圖； 步驟七:比對(duì)步驟一所得相位變化量差值隨入射角度變化的理論曲線和步驟六所得測(cè) 量曲線，確定SPR傳感器所鍍雙層金屬薄膜的厚度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特 征是： 所述步驟一的不同金屬薄膜膜層厚度對(duì)應(yīng)的TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值 隨入射角度變化的理論曲線圖參數(shù)為： 1) 入射角度9， 2) 棱鏡折射率nP， 3) 入射光波長(zhǎng)λ， 4) 雙層金屬薄膜的介電常數(shù)emi、em2， 所述步驟二的入射角度選取42.0至45.0度， 所述步驟三是將入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的反射光分為T(mén)M偏振波和TE偏振 波，以反射光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光，而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和 偏振片后產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像， 所述步驟四是將入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光分為T(mén)M偏振波和TE偏振 波，以反射光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光，而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和 偏振片后產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像， 所述步驟五是將步驟三和步驟四獲取的兩幅圖像對(duì)比、計(jì)算和處理，得到兩幅干涉圖 像中干涉條紋的偏移量和干涉圖像中相鄰干涉條紋的間隔量，由此計(jì)算出鍍膜區(qū)域TM偏振 波和TE偏振波的相位變化量差值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特 征是:所述步驟二的入射角度值變化間隔至少為0.1度。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法， 其特征是： 所述步驟二的一組以SPR共振角度為中心變化的入射角度值最少選取10個(gè)測(cè)量角度； 所述步驟三入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱 鏡-雙層金屬薄膜界面的光線，入射角是步驟二中設(shè)定的SPR共振角度附近的入射角度； 所述步驟四入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器 棱鏡-空氣界面的光線，入射角等于步驟三中的入射角； 所述步驟六從初始角度開(kāi)始依次改變?nèi)肷浣嵌龋兓樞驊?yīng)按照步驟二所設(shè)定的一組 入射角度； 所述步驟七比對(duì)步驟一所得理論曲線和步驟六所得測(cè)量曲線是通過(guò)計(jì)算理論數(shù)據(jù)和 測(cè)量數(shù)據(jù)的殘差平方和最小時(shí)，確定SPR傳感器所鍍雙層金屬薄膜的厚度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特 征是:所述金屬薄膜為金、銀、銅、錯(cuò)、鉬、鈦、鎳、絡(luò)薄膜。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特 征是:所述金屬薄膜測(cè)量總厚度范圍為〇-l〇〇nm測(cè)量精度為0 · lnm〇7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測(cè)量納米級(jí)雙層金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特 征是:所述金屬薄膜測(cè)量總厚度范圍為20-80nm。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK106091953SQ201610576077
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月19日 公開(kāi)號(hào)201610576077.2, CN 106091953 A, CN 106091953A, CN 201610576077, CN-A-106091953, CN106091953 A, CN106091953A, CN201610576077, CN201610576077.2
【發(fā)明人】劉慶綱, 劉超, 秦自瑞, 解嫻, 郎垚璞, 劉睿旭, 李洋
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)