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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