一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的spr相位测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，建立金属薄膜膜层厚度TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图；设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值；获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像；获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像；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；从初始角度开始依次改变入射角度，得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；根据相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和所得测量曲线，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。本发明的有益效果是：该测量系统结构简单、测量精度高，便于操作。
【专利说明】
一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法
技术领域
[0001] 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用于测量纳米 级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法。
【背景技术】
[0002] 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，比如薄膜的厚度和折射率参数以及反射、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。例如中国专利申 请号为201310137996.6,公开了一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，此 方法SPR传感器的镀膜结构以单层结构为主，但是应用单层结构的局限性在于由其构成的 SPR传感器的测量灵敏度不够高且某些金属材料的粘附性不好。
[0003] 目前，SPR传感技术的调制类型主要有角度型、光谱型和相位型，其中相位型SPR传 感技术拥有更高的灵敏度，具有明显优势。因此很多研究人员为了进一步提高SPR传感器的 灵敏度以及金属膜层和SPR传感器的黏附性，出现了采用多层结构（以双层结构为主)SPR传 感器的应用趋势。在利用双层结构棱镜型SPR传感器的应用过程中发现，SPR传感器所镀制 的单层或多层金属薄膜的厚度对反射光的反射率和相位变化有直接影响，因此，本发明利 用SPR传感器的这一特点结合相位调制方法来直接测量双层金属薄膜的厚度，为测量纳米 级双层金属薄膜厚度提供一种新思路。
【发明内容】
[0004] 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 的测量纳米级双层金属薄膜厚度的方法。
[0005] 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双层金 属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特征是:步骤如下：
[0006] 步骤一:根据金属薄膜膜层厚度建立对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差 值随入射角度变化的理论曲线图；步骤二:设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度 值，使入射光以任一初始角度入射到棱镜型SPR传感器的双层金属薄膜界面;步骤三:根据 步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像;步骤四：根据步骤二 所述的入射角获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像;步骤五:将步骤三和步骤 四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 六:根据步骤二，从初始角度开始依次改变入射角度，并重复步骤三至步骤五，得到相位变 化量差值随入射角度变化的测量曲线图；步骤七：比对步骤一所得相位变化量差值随入射 角度变化的理论曲线和步骤六所得测量曲线，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。
[0007] 所述步骤一的不同金属薄膜膜层厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量 差值随入射角度变化的理论曲线图参数为：
[0008] 1)入射角度θ，2)棱镜折射率np，3)入射光波长λ，4)双层金属薄膜的介电常数eml、 e m2，所述步骤二的入射角度选取42.0至45.0度，所述步骤三是将入射到棱镜型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 骤四是将入射到棱镜型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，所述步骤五是将步骤三和步骤四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。
[0009] 所述步骤二的入射角度值变化间隔至少为0.1度。
[0010] 所述步骤二的一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值最少选取10个测量角 度;所述步骤三入射到棱镜型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-双层金属薄膜界面的光线，入射角是步骤二中设定的SPR共振角度附近的入射角度;所 述步骤四入射到棱镜型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，入射角等于步骤三中的入射角;所述步骤六从初始角度开始依次改变入 射角度，变化顺序应按照步骤二所设定的一组入射角度;所述步骤七比对步骤一所得理论 曲线和步骤六所得测量曲线是通过计算理论数据和测量数据的残差平方和最小时，确定 SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。
[0011]所述金属薄膜为金、银、铜、错、钼、钛、镍、络薄膜。
[0012] 所述金属薄膜测量总厚度范围为0-100nm测量精度为0· lnm〇
[0013] 所述金属薄膜测量总厚度范围为20-80nm。
[0014] 本发明的有益效果是:本发明是基于双层金属膜结构棱镜型SPR传感器和相位调 制方法，采用激光干涉方法对TM偏振波和TE偏振波进行相位调制，并利用二者的相位变化 量差值随入射角度变化的关系，实现了对纳米级双层金属薄膜厚度的非接触、高精度测量， 且该测量系统结构简单、便于操作。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明镀制双层金属膜的棱镜型SPR传感器的基本结构示意图，
[0016] 图2a为本发明30nm银膜厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入 射角度变化的曲线图，
[0017] 图2b为本发明10nm金膜厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入 射角度变化的曲线图，
[0018] 图2c为本发明银膜/金膜总厚度40nm对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差 值随入射角度变化的曲线图，
[0019] 图3为本发明用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法的实施步骤 流程图，
[0020] 图4为本发明基于SPR相位检测方法测量双层金属薄膜厚度的实验装置示意图，
[0021] 图5为本发明棱镜型SPR传感器放置在XYZ三维平移导轨和转角平台上的示意图，
[0022] 图6为本发明干涉图像中干涉条纹强度的一维空间位置示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明：
[0024] 表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR)效应是一种特殊的物理光 学现象。利用光波在介质与金属交界面上发生全反射时所产生的倏逝波，可以引发金属表 面自由电子的集体振荡，从而形成表面等离子体波（Surface Plasmon Wave，SPW)，它的磁 场矢量方向平行于介质与金属的交界面，磁场强度在交界面处达到最大值且在两种介质中 呈现指数型衰减趋势，当入射光波矢等于表面等离子体波波矢时，即可激发SPR效应。目前， SPR传感技术的调制类型主要有角度型、光谱型和相位型，其中相位型SPR传感技术拥有更 高的灵敏度，具有明显优势。基于SPR技术建立的棱镜型和光纤型SPR传感器的应用领域主 要集中在化学和生命科学方面，目前SPR传感器的镀膜结构虽然以单层结构为主，但是应用 单层结构的局限性在于由其构成的SPR传感器的测量灵敏度不够高且某些金属材料的粘附 性不好，因此很多研究人员为了进一步提高SPR传感器的灵敏度以及金属膜层和SPR传感器 的黏附性，出现了采用多层结构（以双层结构为主)SPR传感器的应用趋势。在利用双层结构 棱镜型SPR传感器的应用过程中发现，SPR传感器所镀制的单层或多层金属薄膜的厚度对反 射光的反射率和相位变化有直接影响，因此，本发明利用SPR传感器的这一特点结合相位调 制方法来直接测量双层金属薄膜的厚度，为测量纳米级双层金属薄膜厚度提供一种新思 路。
[0025]如图1所示为棱镜型SPR传感器的基本结构示意图，入射光E以SPR效应共振角入射 到棱镜型SPR传感器5的棱镜501-双层金属薄膜502/503界面激发SPR效应后，反射光E'中TM 偏振波的相位会随双层金属薄膜厚度的不同而发生变化，而TE偏振波的相位变化程度则不 明显，二者差异很大，因此将TM偏振波作为测量光，TE偏振波作为参考光，计算二者相位变 化量的差值，而后通过在共振角度附近改变入射角度，利用这两种偏振波的相位变化量差 值随入射角度的变化规律，即可确定双层金属薄膜厚度的信息。
[0026]根据菲涅耳公式，如图1所示棱镜型双层金属薄膜SPR传感器的反射系数r和反射 相位δρ的表达式为
[0035] i、j分别代表p、mi、m2、a，p代表棱镜，mi代表金属薄膜502层，Π12代表金属薄膜503 层，a代表空气，办为棱镜折射率，λ为入射光波长，Θ为入射角度，dml和eml为金属薄膜502层的 厚度和介电常数，d m2和em2为金属薄膜503层的厚度和介电常数，rpml为棱镜和金属薄膜502 层交界面的反射系数，r mlm2为金属薄膜502层和503层交界面的反射系数，rm2a为金属薄膜 503层和空气交界面的反射系数，k ew为倏逝波的波矢。
[0036]对于双层金属薄膜结构的SPR传感器来说，由以上公式可以分别求得TM偏振波和 TE偏振波对应的相位变化量5r?和5rTE，两者相减即可求得TM偏振波和TE偏振波的相位变化 量差值△ Sr，从式中可以看出该值受到双层金属薄膜厚度和入射角度的共同影响。
[0038]本发明的实施例中采用输出波长为632.8nm的氦氖激光器，棱镜材质为ΒΚ7玻璃， 折射率为1.51，金属薄膜采用介电常数为-18.3+2.3i的银膜(对应图1中502层)和介电常数 为-10.7+0.8i的金膜(对应图1中503层），入射角度选取42.0至45.0度，变化间隔0.1度。如 图2所示为TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图，为了更 加直观的反映不同金属膜层厚度所对应曲线的差别，图2a至图2c中分别给出了银膜厚度为 30nm时金膜厚度从Onm变化到20nm的曲线图，金膜厚度为10nm时银膜厚度从10nm变化到 50nm的曲线图，以及总厚度为40nm金膜厚度从5nm变化到15nm银膜厚度从35nm变化到25nm 的曲线图，从图中可以看出，即使双层膜的膜层变化lnm，曲线图也具有良好的区分度，因此 通过比对理论曲线和测量曲线，可以确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。
[0039] 本发明的实施步骤如图3所示:步骤一:建立不同金属薄膜膜层厚度对应的TM偏振 波和TE偏振波的相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线图；步骤二:选取一组接近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镜型SPR传感器的双层金属薄膜 界面;步骤三:获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像;步骤四：获取棱镜型SPR传 感器非镀膜区域的干涉条纹图像;步骤五:将步骤三和步骤四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;步骤六:依次改变入射角度，并重复 步骤三至步骤五，得到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图；步骤七:比对步骤一 所得相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和步骤六所得测量曲线，即可确定SPR传 感器所镀双层金属薄膜的厚度。
[0040] 如图4、图5所示，本发明的实施例是由测量激光器1，准直透镜2，偏振片3，XYZ三维 平移导轨401和转角平台4,棱镜型SPR传感器5,平面反射镜6,干涉系统7,偏振片8, CCD9和 计算机系统10构成的。棱镜型SPR传感器5通过底部带XYZ三维平移导轨401的转角平台4能 够在X、Y、Z方向任意调整以及在XY平面内做360度旋转。
[0041]实施例的具体测量过程如下：由激光器1发出的激光经过准直透镜2和偏振片3后 调整为偏振方向和入射面呈45度夹角的偏振光，再入射到放置在ΧΥΖ三维平移导轨401和转 角平台4上的棱镜型SPR传感器5斜边面的镀膜区域，调整ΧΥΖ三维平移导轨401和转角平台4 使入射光以选取的初始入射角度θ〇 = 42.0度入射到棱镜501-双层金属薄膜502/503(银膜 502层/金膜503层)界面上，反射光经过平面反射镜6校正方向，入射到干涉系统7中，偏振分 光镜701先将反射光分为TM偏振波和TE偏振波，而后分别沿等光程路径传播，经平面反射镜 702、703反射后在偏振分光镜704处汇聚，然后经过偏振方向和TM偏振波振动方向呈45度夹 角的偏振片8使TM偏振波和TE偏振波产生干涉效应，由CCD9接收干涉图像，再由计算机系统 10记录获得的干涉图像。记录镀膜区域图像后，调整XYZ三维平移导轨401和转角平台4中的 Z方向导轨，使入射光入射到棱镜型SPR传感器5斜边面的非镀膜区域，观察干涉图像条纹的 偏移，并由计算机系统10记录新的干涉图像。
[0042]根据光的干涉原理，当入射光以入射角Θ照射到非镀膜区域时，经干涉系统和偏振 片产生干涉效应后，其干涉光强度I (0，0，Θ)可表示为
[0044]式中，^⑴…"^^⑴…^彡表示经非镀膜区域反射后两束干涉光的光强汰表示条 纹的空间变化频率，A &(〇,〇, Θ)表示经非镀膜区域反射后TM偏振波和TE偏振波的相位变 化量差值，同理，当入射光以入射角Θ照射到镀膜区域时，经干涉系统和偏振片产生干涉效 应后，其干涉光强度K dml，dm2，Θ )可表示为
[0046] 式中，11 ( dml，dm2，Θ )、12 ( dml，dm2，Θ )表不经镀膜区域反身才后两束干涉光的光强，k表 示条纹的空间变化频率，A Sr(cU，dm2，0)表示经镀膜区域反射后TM偏振波和TE偏振波的相 位变化量差值。
[0047] 根据上述公式可以绘制如图6所示的干涉光强度的一维空间位置示意图，图中X1 和X3分别表示入射光照射非镀膜区域时两个相邻的亮条纹中心所处的位置，X2表示入射光 照射镀膜区域时亮条纹中心所处的位置。根据上述两个公式和图6可推导得到如下关系式
[0048] /?, (0,0,0)=kx2-fΔ?>.{dm ,dm ,θ) = kx, +ASr(0,0,θ)-2π
[0049] 设Δ hi = X2_xi表示两幅干涉图像中干涉条纹的偏移量，δ h2 = X3-xi表示干涉图像 中相邻干涉条纹的间隔量，则上式可表示为
[0051 ] Δ hi和Δ h2的值可以由两幅干涉图像经过计算机系统处理得出，由实施例中已知 的激光器输出波长632.8nm、BK7棱镜折射率1.51、金膜的介电常数-10.7+0.8i、银膜的介电 常数为-18.3+2.3i，可计算出经非镀膜区域反射后TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值 Δ δΓ(〇,〇，θ)，这样就可以获得经镀膜区域反射后TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值 Δ 5r ( dml, dm2 , θ ) 〇
[0052] 然后通过调整ΧΥΖ三维平移导轨401和转角平台4，并按照从42.0到45.0度，变化间 隔0.1度的顺序依次改变入射角度，通过调整平面镜6的角度使光线按照先前路径传播，并 依次记录不同入射角度所对应的ΤΜ偏振波和ΤΕ偏振波的相位变化量差值△ 5r( dml，dm2, Θ)， 由此勾画出相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线，通过比对理论曲线和测量曲线， 当计算理论数据和测量数据的残差平方和最小时，即可确定双层金属薄膜(银膜502层/金 膜503层)的厚度。残差平方和的具体计算方法如下：
[0055] 式中，ln代表测量数据，yn代表理论数据，vn代表残余误差(简称残差），且η多10。
[0056] 本发明所述方法并不仅限于测量金膜和银膜的厚度，可以测量的金属类型包括 金、银、铜、铝、铂、钛、镍、铬，测量总厚度不超过l〇〇nm，优选为20-80nm，测量精度较高，可以 达到O.lnm。该方法属于非接触测量方法，测量过程中不会对金属薄膜造成损伤。本发明所 述方法也不仅限于SPR传感器金膜薄膜层为双层，可以是多层。
【主权项】
1. 一种用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特征是:步骤如下： 步骤一:根据金属薄膜膜层厚度建立对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值随 入射角度变化的理论曲线图； 步骤二:设定一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值，使入射光以任一初始角度 入射到棱镜型SPR传感器的双层金属薄膜界面； 步骤三:根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器镀膜区域的干涉条纹图像； 步骤四：根据步骤二所述的入射角获取棱镜型SPR传感器非镀膜区域的干涉条纹图像； 步骤五:将步骤三和步骤四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； 步骤六:根据步骤二，从初始角度开始依次改变入射角度，并重复步骤三至步骤五，得 到相位变化量差值随入射角度变化的测量曲线图； 步骤七:比对步骤一所得相位变化量差值随入射角度变化的理论曲线和步骤六所得测 量曲线，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。2. 根据权利要求1所述的用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特 征是： 所述步骤一的不同金属薄膜膜层厚度对应的TM偏振波和TE偏振波的相位变化量差值 随入射角度变化的理论曲线图参数为： 1) 入射角度9， 2) 棱镜折射率nP， 3) 入射光波长λ， 4) 双层金属薄膜的介电常数emi、em2， 所述步骤二的入射角度选取42.0至45.0度， 所述步骤三是将入射到棱镜型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， 所述步骤四是将入射到棱镜型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， 所述步骤五是将步骤三和步骤四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。3. 根据权利要求2所述的用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特 征是:所述步骤二的入射角度值变化间隔至少为0.1度。4. 根据权利要求2或3所述的用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法， 其特征是： 所述步骤二的一组以SPR共振角度为中心变化的入射角度值最少选取10个测量角度； 所述步骤三入射到棱镜型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-双层金属薄膜界面的光线，入射角是步骤二中设定的SPR共振角度附近的入射角度； 所述步骤四入射到棱镜型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，入射角等于步骤三中的入射角； 所述步骤六从初始角度开始依次改变入射角度，变化顺序应按照步骤二所设定的一组 入射角度； 所述步骤七比对步骤一所得理论曲线和步骤六所得测量曲线是通过计算理论数据和 测量数据的残差平方和最小时，确定SPR传感器所镀双层金属薄膜的厚度。5. 根据权利要求1所述的用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特 征是:所述金属薄膜为金、银、铜、错、钼、钛、镍、络薄膜。6. 根据权利要求4所述的用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特 征是:所述金属薄膜测量总厚度范围为〇-l〇〇nm测量精度为0 · lnm〇7. 根据权利要求5所述的用于测量纳米级双层金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，其特 征是:所述金属薄膜测量总厚度范围为20-80nm。
【文档编号】G01B11/06GK106091953SQ201610576077
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月19日 公开号201610576077.2, CN 106091953 A, CN 106091953A, CN 201610576077, CN-A-106091953, CN106091953 A, CN106091953A, CN201610576077, CN201610576077.2
【发明人】刘庆纲, 刘超, 秦自瑞, 解娴, 郎垚璞, 刘睿旭, 李洋
【申请人】天津大学