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超薄透明介質(zhì)膜厚度測(cè)量方法

文檔序號(hào):6088876閱讀:402來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:超薄透明介質(zhì)膜厚度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種超薄透明介質(zhì)膜厚度測(cè)量方法,屬長(zhǎng)度計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。
在已有技術(shù)中,利用光全反射法測(cè)量接觸面積。由于其測(cè)量結(jié)果直觀可靠、精度,已成為測(cè)量接觸面積的常用手段,光全反射法的原理可以用Archard的實(shí)驗(yàn)裝置加以說(shuō)明。如圖1所示,被測(cè)表面1在載荷的作用下壓在平截棱鏡2的上平面,入射光3的光源為水銀燈,入射光進(jìn)入棱鏡后的棱鏡底部平面上發(fā)生全反射光4。在棱鏡上表面,如果與被測(cè)表面發(fā)生接觸,則部分光線進(jìn)入被測(cè)表面;如果與被測(cè)表面沒(méi)有接觸,則光被全部反射。根據(jù)幾何光學(xué)原理,當(dāng)光從光密介質(zhì)(棱鏡)傳播到光疏介質(zhì)(空氣或油)時(shí),如果入射角超過(guò)某一臨界角,則入射光全部反射回第一介質(zhì),這種現(xiàn)象稱為全反射。當(dāng)有物體(圖1中的被測(cè)表面)與棱鏡表面發(fā)生接觸時(shí),光全反射條件遭到破壞,反射光強(qiáng)度的分布反映了接觸區(qū)域,即在觀察反射光時(shí),暗區(qū)代表了接觸區(qū),亮區(qū)代表非接觸區(qū)。通測(cè)量暗區(qū)的面積,就能知道接觸面積。這就是光全反射法測(cè)量接觸面積的原理。IKe用圖2的裝置測(cè)量滑動(dòng)與不滑動(dòng)及加載與不加載時(shí)的真實(shí)接觸面積。圖中5是顯微鏡,6是照相機(jī),7是光源。還有一種裝置是棱鏡的接觸平面傾斜放置以使得用于觀察的顯微鏡能夠按正常位置放置,圖3所示的是這種裝置的示意圖。已有技術(shù)的缺點(diǎn)是無(wú)法測(cè)量表面之間的距離或透明介質(zhì)膜的厚度。
本發(fā)明的目的是利用光全反射的原理,設(shè)計(jì)一種測(cè)量超薄透明介質(zhì)膜厚度的方法。從波動(dòng)光學(xué)的角度上看,在全反射條件下光波不是絕對(duì)地在界面上被全部反射回第一介質(zhì)(光密介質(zhì)),而是透入第二介質(zhì)(光疏介質(zhì))很小的深度后返回第一介質(zhì),所以當(dāng)圖1中物體表面與棱鏡之間即使沒(méi)有發(fā)生接觸但距離非常小時(shí),物體表面將吸收一部分光波的能量,使反射光變?nèi)酢@眠@一特性,就可以測(cè)定超薄透明介質(zhì)膜的厚度。
本發(fā)明的內(nèi)容是超薄透明介質(zhì)膜厚度測(cè)量方法,采用的光路由光源、反射棱鏡、顯微鏡和光探測(cè)器組成,反射棱鏡置于被測(cè)透明介質(zhì)薄膜上。光源發(fā)出的入射光進(jìn)入反射棱鏡和透明介質(zhì)膜后,返回反射棱鏡,經(jīng)反射棱鏡反射后的光線進(jìn)入顯微鏡,隨后進(jìn)入光探測(cè)器。由于各點(diǎn)反射光強(qiáng)度與該點(diǎn)的介質(zhì)膜厚有一定函數(shù)關(guān)系,因此只要將從光探測(cè)器中得到的各點(diǎn)反射光強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,即可得到各點(diǎn)透明介質(zhì)膜的厚度。


圖1~圖3是已有技術(shù)測(cè)量原理示意圖。
圖4是測(cè)量計(jì)算公式符號(hào)圖示。
圖5是本發(fā)明原理示意圖。
下面結(jié)合附圖,詳細(xì)介紹本發(fā)明的計(jì)算公式和測(cè)量過(guò)程。圖4中,8是第一介質(zhì),9是第二介質(zhì),10是第三介質(zhì)。透明介質(zhì)膜厚度與反射光強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系如下式所示R=1-sin2θi-(ε3/ε1)cosθi|T12T23e-αh1-R21R23e-2αh|2]]>(5)其中R反射率,即反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)度之比h透明介質(zhì)膜厚度ε1,ε3第一,三介質(zhì)的介電常數(shù)θ1光波入射角T12光波從第一介質(zhì)到第二介質(zhì)的透射系數(shù)T23光波從第二介質(zhì)到第三介質(zhì)的透射系數(shù)R21光波從第二介質(zhì)到第一介質(zhì)的反射系數(shù)R23光波從第二介質(zhì)到第三介質(zhì)的反射系數(shù)
α2介λ0n21sin2θi-n22]]>λ0光波在真空中的波長(zhǎng)n1,n2第一、二介質(zhì)的折射率對(duì)于一個(gè)具體的測(cè)量裝置,除R和h之外,上述參數(shù)均可通過(guò)查表或?qū)崪y(cè)得到,因此,根據(jù)公式(1),只要測(cè)出某一位置的反射率,即能推算出相應(yīng)點(diǎn)的膜厚。
為了說(shuō)明本測(cè)量方法的內(nèi)容,下面結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施例子加以介紹。如圖5所示,圖中11是金屬固體,12是油膜,13是顯微鏡,14是光探測(cè)器,15是光源,透明固體為棱鏡(第一介質(zhì)),透明介質(zhì)膜12為油(第二介質(zhì)),第三介質(zhì)為金屬固體。光線由光源16發(fā)出后進(jìn)入棱鏡15,在油與棱鏡之間的界面發(fā)生全反射。光波在有全反射條件下仍能透入油層中一個(gè)很小的深度,當(dāng)金屬表面與棱鏡表面的距離很小,即油膜厚度很小時(shí),金屬表面將吸收一部分透入油層的光波能量,使反射光減弱,油膜厚度越小,則反射光越弱,它們之間的定量關(guān)系由公式(1)確定。應(yīng)用光探測(cè)器14采集測(cè)量場(chǎng)中各點(diǎn)的反射光強(qiáng),并輸入計(jì)算機(jī),根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算處理即得到油膜厚度的分布。
權(quán)利要求
1.一種超薄透明介質(zhì)膜厚度測(cè)量方法,其特征在于測(cè)量方法采用的光路由光源、反射棱鏡、顯微鏡和光探測(cè)器組成,所述的反射棱鏡置于被測(cè)透明介質(zhì)薄膜上;所述的光源發(fā)出的入射光進(jìn)入反射棱鏡和透明介質(zhì)膜后,返回反射棱鏡,經(jīng)反射棱鏡反射后的光線進(jìn)入顯微鏡,隨后進(jìn)入所述的光探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超薄透明介質(zhì)膜厚度測(cè)量方法,屬長(zhǎng)度計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。本測(cè)量方法采用的光路由光源、反射棱鏡、顯微鏡和光探測(cè)器組成,反射棱鏡置于被測(cè)透明介質(zhì)薄膜上。光源發(fā)出的入射光進(jìn)入反射鏡和透明介質(zhì)膜后,返回反射棱鏡,經(jīng)反射棱鏡反射后的光線進(jìn)入顯微鏡,隨后進(jìn)入光探測(cè)器。光探測(cè)器獲得的各點(diǎn)反射光強(qiáng)度與該點(diǎn)的介質(zhì)膜厚有一定函數(shù)關(guān)系,因而可根據(jù)各點(diǎn)反射光強(qiáng)度計(jì)算出該點(diǎn)透明介質(zhì)膜的厚度。
文檔編號(hào)G01B11/06GK1071004SQ9211113
公開(kāi)日1993年4月14日 申請(qǐng)日期1992年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月29日
發(fā)明者冼亮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)
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