CN103234468A - 用于测量纳米级金属薄膜厚度的spr相位测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，包括放置于同一光轴上的激光器、准直透镜和第一偏振片，棱镜型SPR传感器，平面反射镜，干涉***，放置于同一光轴上的第二偏振片和CCD镜头，计算机10；所述激光器发出的激光经过所述准直透镜和所述第一偏振片后入射到所述棱镜型SPR传感器，反射光经平面反射镜反射到干涉***后，经过所述第二偏振片由所述CCD镜头接收干涉图像，再由计算机记录获得的干涉图像。本发明有益效果是结构简单、便于操作，采用基于激光干涉的SPR相位调制方法，且在测量过程中采用同一光路对棱镜型SPR传感器的镀膜区域和非镀膜区域进行测量，抑制了由光路引入的误差，具备较高的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属薄膜厚度的测量装置，特别是涉及一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置。
背景技术
目前常用的检测薄膜厚度的方法主要有：干涉测量法、高精密显微镜测量法、椭圆偏振法、探针测量法、电容测微法、X射线衍射法等。测量纳米级金属薄膜厚度的主要方法则主要是高精密显微镜测量法和探针测量法等。其中，高精密显微镜测量法主要是利用扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）通过测量膜基台阶高度或者截断薄膜样品测量横断面的方法来确定金属薄膜的厚度；探针测量法则是利用台阶仪对金属薄膜样品表面进行接触式扫描，由此获得膜基台阶的高度信息从而确定金属薄膜的厚度。但高精密显微镜结构复杂、价格昂贵、不易操作，台阶仪的接触式测量会对薄膜样品造成损伤，破坏了样品的完整性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、便于操作且测量精度较高的非接触式测量纳米级金属薄膜厚度的装置。
本发明所采用的技术方案是：一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，包括放置于同一光轴上的激光器、准直透镜和第一偏振片，棱镜型SPR传感器，平面反射镜，干涉***，放置于同一光轴上的第二偏振片和CCD镜头，计算机10；所述激光器发出的激光经过所述准直透镜和所述第一偏振片后入射到所述棱镜型SPR传感器，反射光经所述平面反射镜反射到所述干涉***后，经过所述第二偏振片由所述CCD镜头接收干涉图像， 再由所述计算机记录获得的干涉图像。
另外，所述棱镜型SPR传感器选用直角三棱镜，在所述直角三棱镜斜边面设置有金属镀膜区和非镀膜区，形成膜基台阶。
另外，所述直角三棱镜的材质为BK7玻璃。
另外，所述棱镜型SPR传感器设置在底部带有XYZ三维平移导轨的转角平台上。
另外，所述激光器采用输出波长为632.8nm的氦氖激光器。
另外，金属薄膜为金、银、铝或铂。
本发明的有益效果是：装置结构简单、便于操作，采用基于激光干涉的SPR相位调制方法，且在测量过程中采用同一光路对棱镜型SPR传感器的镀膜区域和非镀膜区域进行测量，抑制了由光路引入的误差，因此具备较高的测量精度。
附图说明
图1是本发明的用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置示意图，
图2是本发明的棱镜型SPR传感器放置在转角平台上的示意图，
图3是本发明的转角平台固定在XYZ三维平移导轨上的示意图。
具体实施方式
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：
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，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，最主要的用途是测量溶液折射率，还可以进一步测量一些物质的结构、特性及其相互作用等。在利用棱镜型SPR传感器测量溶液折射率的应用中发现，SPR传感器所镀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，受此启发，本发明是基于SPR相位调制方法的检测***和装置，用以测量金属薄膜的厚度，以此为测量纳米级金属薄膜厚度提供一种新的途径。
如图1所示，本发明用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，包括激光器1，准直透镜2，第一偏振片3，XYZ三维平移导轨和转角平台4，转角平台4上设置有夹持器，棱镜型SPR传感器5夹持在转角平台4的夹持器上，平面反射镜6，干涉***7，第二偏振片8，CCD镜头9和计算机10。激光器1，准直透镜2，第一偏振片3依次放置于同一光轴上形成光源部；干涉***7是由两个偏振分光镜701、704和两个平面反射镜702、703组成，偏振分光镜701、704和平面反射镜702、703的四个反射面中心分别位于一个矩形的四个角上，四个反射面平行放置且和矩形边界呈45°夹角，光线入射到干涉***中，经偏振分光镜701分成TM偏振波和TE偏振波，其中TM偏振波经偏振分光镜701透射而出，TE偏振波经偏振分光镜701以90°反射，二者再分别经过平面反射镜702、703反射后在偏振分光镜704处汇聚，其中TM偏振波经偏振分光镜704透射而出，TE偏振波经偏振分光镜704以90°反射，两个正交的线性偏振波重新汇聚成一束光线；第二偏振片8和CCD镜头9放置于同一光轴上，由CCD镜头9接收干涉图像，再由计算机***10记录获得的干涉图像。
如图2所示，棱镜型SPR传感器5由直角三角形棱镜501和在棱镜斜边底面所镀金属薄膜502组成，这里金属薄膜502只镀在斜边面一半的区域， 另一半区域为非镀膜区503，由此形成膜基台阶。
如图3所示，棱镜型SPR传感器5用夹持器固定在组装好的XYZ三维平移导轨401的转角平台4上，能够实现四个自由度的移动。
本发明中采用的激光器为输出波长为632.8nm的氦氖激光器，棱镜材质为BK7玻璃，金属薄膜采用金膜。
本发明测量的金属类型包括金、银、铝、铂等，可以测量的厚度不超过100nm，优选为30-80nm，测量精度可以达到0.1nm。
测量过程如下：由激光器1发出的激光经过准直透镜2和第一偏振片3后入射到放置在XYZ三维平移导轨和转角平台4上的棱镜型SPR传感器5斜边面的镀膜区域，调整XYZ三维平移导轨和转角平台使入射光以SPR效应共振角入射到棱镜501与金属薄膜502界面上，反射光经过平面反射镜6校正方向，入射到干涉***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，然后经过第二偏振片8使TM偏振波和TE偏振波产生干涉效应，由CCD镜头9接收干涉图像，再由计算机***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***10记录新的干涉图像。通过对比两幅干涉图像中的信息，可以计算出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，由此信息可以最终求得金属薄膜厚度的信息。
值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本发明的基本技术构思，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，其特征是：包括放置于同一光轴上的激光器（1）、准直透镜（2）和第一偏振片（3），棱镜型SPR传感器（5），平面反射镜（6），干涉***（7），放置于同一光轴上的第二偏振片（8）和CCD镜头（9），计算机（10）；所述激光器（1）发出的激光经过所述准直透镜（2）和所述第一偏振片（3）后入射到所述棱镜型SPR传感器（5），反射光经所述平面反射镜（6）反射到所述干涉***（7）后，经过所述第二偏振片（8）由所述CCD镜头（9）接收干涉图像，再由所述计算机（10）记录获得的干涉图像。
2.根据权利要求1所述的用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，其特征是：所述棱镜型SPR传感器（5）选用直角三棱镜（501），在所述直角三棱镜斜边面设置有金属镀膜（502）和非镀膜区（503），形成膜基台阶。
3.根据权利要求2所述的用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，其特征是：所述直角三棱镜（501）的材质为BK7玻璃。
4.根据权利要求1或2所述的用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，其特征是：所述棱镜型SPR传感器（5）设置在底部带有XYZ三维平移导轨（401）的转角平台（4）上。
5.根据权利要求1所述的用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，其特征是：所述激光器（1）采用输出波长为632.8nm的氦氖激光器。
6.根据权利要求1所述的用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量装置，其特征是：金属薄膜为金、银、铝或铂。
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