CN107504907A - 超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置和测量方法,本发明通过采集不同起偏角和不同检偏角下的等离子体共振图像,分析得出等离子体共振诱导的椭偏参数曲线,拟合椭偏参数曲线,将最优解作为测量结果,得到超薄薄膜的厚度和光学常数。本发明具有在线实时非接触性测量、不会破坏待测样品表面和测量精度高的特点。

Description

超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及薄膜,特别是一种超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置和测量方法。
背景技术
光学薄膜的厚度和光学常数将直接影响薄膜的力学、光学、电磁学等性质。精确测定超薄薄膜的厚度和光学常数,对于研究超薄薄膜的光学、电学等性质尤为重要。因此,精确表征和控制薄膜的厚度和光学常数在薄膜的制备、分析和应用中起着关键的作用。
由于超薄薄膜的厚度很小,导致超薄薄膜的光学常数相对于体材料存在一定差异,而目前人们对超薄薄膜的认识还不够深入,导致超薄薄膜的光学常数很难标定,因此超薄薄膜的厚度和光学常数的表征变得非常困难。
现有的光学薄膜检测技术中,主要是利用薄膜的结构参数对探测光的光学信息入射前后产生的变化检测光学薄膜的厚度和光学常数。比如光谱法、椭偏法、表面等离子体共振法等。
光谱法是目前最常用的方法,是以光的干涉理论为基础。根据薄膜基底-薄膜界面上光束的透射或反射引起的多光束干涉效应,不同特性的薄膜具有不同的光谱反射率或透过率,且在全光谱范围内和薄膜厚度和光学常数有着对应关系,由此计算得到薄膜的厚度和光学常数。光谱法测量一定厚度以上的薄膜可以获得较高的精度,但对于超薄薄膜很难进行精确测定。
椭偏法是以测量光的偏振态为基础的测量方法,测量薄膜表面反射光偏振态的变化。椭偏参数Ψ,Δ(Ψ,Δ满足rp,rs是p光和s光的反射系数)与薄膜厚度、光学折射率、消光系数有着对应关系,利用椭偏参数Ψ,Δ与薄膜厚度、光学折射率、消光系数的对应关系通过反演方法可得到待测超薄薄膜的厚度和光学常数,所述的光学常数包括光学折射率、消光系数(请参见徐均琪,冯小利,多层薄膜光学常数的椭偏法研究,光电工程,2009,36(2):29-33)。
表面等离子体共振法,通过测量薄膜表面反射光的光强信息来得到薄膜的光学参数,但这种方法只能得到光的光强信息。
发明内容
本发明提供一种超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置和测量方法,本发明通过采集不同起偏角和不同检偏角下的等离子体共振图像,分析得出等离子体共振诱导的椭偏参数曲线,拟合椭偏参数曲线,将最优解作为测量结果,得到薄膜的厚度和光学常数。本发明具有在线实时非接触性测量、不会破坏待测样品表面和测量精度高的特点。
本发明的基本原理主要基于以下几点:
1.当光由光密介质入射到光疏介质,且入射角大于全反射临界角时,在界面处将会发生光的全反射。然而由于电磁波的电场强度和磁感应强度不可能在两种介质的分界面处中断,而应满足一定的边值条件,使得在发生光的全反射处会有一部分光波渗透到光疏介质中,即倏逝波。金属表面的等离子体在外场的作用下,将会产生表面等离子体波,当在表面等离子体波传播方向的入射光的波矢等于金属表面等离子体波的波矢时,表面等离子体振荡波吸收了入射光波的能量,与入射光形成表面等离子体共振,使反射波的能量发生剧烈衰减。
2.由激光器发出的偏振光,经1/4波片后变为圆偏振光,圆偏振光经起偏器后变为线偏振光,线偏振光经补偿器后变为椭圆偏振光,椭圆偏振光经薄膜表面反射,再经由检偏器检偏后入射CCD,得到表面等离子体共振图像,分别测量不同起偏角和不同检偏角下的等离子体共振图像,获得等离子体诱导的椭偏参数(Ψ,Δ)的曲线,由(Ψ,Δ)值反演得到超薄薄膜的厚度和光学常数。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置,包括激光器,其特点在于:沿该激光器的激光输出方向依次是扩束器、1/4波片、起偏器、补偿器和直角三棱镜的一个直角平面,该直角三棱镜的斜边通过折射率匹配液连接到平凸球面透镜的平面,该平凸球面透镜的凸面的顶点与位于玻璃基底上的待测薄膜样品点接触,沿所述的直角三棱镜的另一个直角平面的垂直方向依次是检偏器、成像透镜组和CCD,所述的CCD的输出端与计算机的输入端相连,所述的计算机的一个输出端与电机驱动器的控制端相连,所述的起偏器和检偏器在所述的电机驱动器驱动下分别旋转。
所述的直角三棱镜为直角等腰三棱镜。
利用上述超薄膜层厚度和光学常数的测量装置获得超薄膜层厚度和光学常数的测量方法,包括下列步骤:
1)所述的计算机控制所述的电机驱动器分别驱动所述的起偏器和检偏器转动,所述的起偏器的转动范围为0-90度,所述的起偏器每转动一设定角度,所述的检偏器完成0-360度之间的转动,在所述的计算机的控制下每间隔一设定角度转动一次,所述的检偏器每转动一次,所述的计算机从所述的CCD读取一幅等离子体共振图像;
2)所述的计算机采用MATLAB软件读取步骤1)获取的所有图像,获得共振环纵轴上的每个像素点在不同起偏角和检偏角处的灰度值;
3)计算平凸球面透镜的凸面与待测薄膜样品之间每一个空气隙厚度处的最小灰度值所对应的起偏角和检偏角,从而确定每个空气隙厚度对应的Ψ和Δ值;
4)设定薄膜厚度和光学常数初始值,根据此设定值计算椭偏参数,通过数值反演迭代法,不断逼近步骤3)获得空气间隙厚度与Ψ、Δ的关系曲线,直到得到一组差值最小值作为测量结果,进而利用椭偏参数Ψ,Δ与薄膜厚度、光学折射率、消光系数的对应关系(请参见徐均琪,冯小利,多层薄膜光学常数的椭偏法研究,光电工程,2009,36(2):29-33。),通过反演方法得到待测超薄薄膜的厚度和光学常数,所述的光学常数包括光学折射率、消光系数。
本发明利用偏振光经改进型Otto结构反射,激发改进型Otto结构中薄膜的表面等离子体共振,由CCD采集得到表面等离子体共振的图像,该装置中嵌入了可激发超薄薄膜表面等离子体共振的改进型Otto结构。该激发表面等离子体共振的结构:包括由BK7玻璃制成的直角三棱镜,该直角三棱镜下是通过折射率匹配液连接到直角棱镜斜边的平凸透镜,平凸透镜与其下的待测薄膜样品接触于一点。通过采集不同起偏角和不同检偏角下的等离子体共振图像,分析得出等离子体共振诱导的椭偏参数曲线,拟合椭偏参数曲线,将最优解作为测量结果,得到薄膜的厚度和光学常数。
本发明与在先技术相比较具有以下技术效果:
(1)不仅可以提取等离子体共振诱导的振幅信息,还可以获得等离子体共振诱导的相位信息,同时利用振幅和相位变化信息反演光学常数,降低解的多重性并提升测量精度。
(2)通过在消光式成像椭偏仪中嵌入等离子体共振结构,灵活利用两种方法的优点,椭偏技术可提取振幅和相位信息,等离子体共振结构通过共振技术放大振幅和相位信息。
(3)本发明具有在线实时非接触性测量、不会破坏待测样品表面和测量精度高的特点。
附图说明
图1是本发明超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置的框图。
图中:1-激光器,2-扩束器,3-1/4波片,4-起偏器,5-补偿器,6-直角三棱镜,7-平凸透镜,8-待测薄膜样品,9-玻璃基底,10-检偏器,11-成像透镜组,12-CCD,13-计算机,14-电机驱动器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1,图1是本发明超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置的框图,由图可见,本发明超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置,包括激光器1,沿该激光器1的激光输出方向依次是扩束器2、1/4波片3、起偏器4、补偿器5和直角三棱镜6的一个直角平面,该直角三棱镜6的斜边通过折射率匹配液连接到平凸球面透镜7的平面,该平凸球面透镜7的凸面的顶点与位于玻璃基底9上的待测薄膜样品8点接触,沿所述的直角三棱镜6的另一个直角平面的垂直方向依次是检偏器10、成像透镜组11和CCD12,所述的CCD12的输出端与计算机13的输入端相连,所述的计算机13的一个输出端与电机驱动器14的控制端相连,所述的起偏器4和检偏器10在所述的电机驱动器14驱动下分别旋转。
激发表面等离子体共振的改进型Otto结构由图1中的6、7、8部分构成。
该装置光路是:由激光器1发出的偏振光入射到扩束器2中,扩束器2对光束进行扩束。经过扩束后的线偏振光垂直入射在1/4波片3上,并且光的偏振和1/4波片3的光轴面成45o角,出射光为圆偏振光。圆偏振光经过起偏器4后变为线偏振光,线偏振光经过补偿器5产生一定的相位差变为椭圆偏振光。椭圆偏振光入射在直角三棱镜6上,直角三棱镜6与平凸透镜7连接,椭圆偏振光激发玻璃基底9上的待测薄膜样品8,产生表面等离子体共振。出射光经检偏器10检偏后,经过一个由凹透镜和凸透镜组成的成像透镜组11,入射在CCD12上,由CCD12对表面等离子体共振图像进行采集,并传输到计算机13中。计算机13通过控制电机驱动器14旋转起偏器和检偏器的角度,实现对不同起偏角和检偏角下表面等离子体共振图像的采集。
利用所述的超薄膜层厚度和光学常数的测量装置获得超薄膜层厚度和光学常数的测量方法,该方法包括下列步骤:
1)所述的计算机13控制电机驱动器14驱动所述的起偏器4和检偏器10转动,所述的起偏器4的转动范围为0-90度,所述的起偏器4每转动一设定角度,所述的检偏器10完成0-360度之间的转动,在所述的计算机13的控制下每间隔一设定角度转动一次,所述的检偏器10每转动一次,所述的计算机13从所述的CCD12读取一幅等离子体共振图像;
2)所述的计算机13采用MATLAB软件读取步骤1)获取的所有图像,获得共振环纵轴上(y轴,如图1所示)的每个像素点在不同起偏角和检偏角处的灰度值;
3)计算平凸球面透镜7的凸面与待测薄膜样品8之间每一个空气隙厚度处的最小灰度值所对应的起偏角和检偏角,从而确定每个空气隙厚度对应的Ψ和Δ值;
4)设定薄膜厚度和光学常数初始值,根据此设定值计算椭偏参数,通过数值反演迭代法,不断逼近步骤3)获得空气间隙厚度与Ψ、Δ的关系曲线,直到得到一组差值最小值作为测量结果,进而利用椭偏参数Ψ,Δ与薄膜厚度、光学折射率、消光系数的对应关系(请参见徐均琪,冯小利,多层薄膜光学常数的椭偏法研究,光电工程,2009,36(2):29-33。)通过反演方法得到待测超薄薄膜的厚度和光学常数,所述的光学常数包括光学折射率、消光系数。
实验表明,本发明具有在线实时非接触性测量、不会破坏待测样品表面和测量精度高的特点。

Claims (3)

1.一种超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置,包括激光器(1),其特征在于:沿该激光器(1)的激光输出方向依次是扩束器(2)、1/4波片(3)、起偏器(4)、补偿器(5)和直角三棱镜(6)的一个直角平面,该直角三棱镜(6)的斜边通过折射率匹配液连接到平凸球面透镜(7)的平面,该平凸球面透镜(7)的凸面的顶点与位于玻璃基底(9)上的待测薄膜样品(8)点接触,沿所述的直角三棱镜(6)的另一个直角平面的垂直方向依次是检偏器(10)、成像透镜组(11)和CCD(12),所述的CCD(12)的输出端与计算机(13)的输入端相连,所述的计算机(13)的一个输出端与电机驱动器(14)的控制端相连,所述的起偏器(4)和检偏器(10)在所述的电机驱动器(14)驱动下分别旋转。
2.根据权利要求1所述的超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置,其特征在于所述的直角三棱镜(6)为直角等腰三棱镜。
3.利用权利要求1所述的超薄膜层厚度和光学常数的测量装置获得超薄膜层厚度和光学常数的测量方法,其特征在于该方法包括下列步骤:
1)所述的计算机(13)控制电机驱动器(14)驱动所述的起偏器(4)和检偏器(10)转动,所述的起偏器(4)的转动范围为0-90度,所述的起偏器(4)每转动一设定角度,所述的检偏器(14)完成0-360度之间的转动,在所述的计算机(13)的控制下每间隔一设定角度转动一次,所述的检偏器(14)每转动一次,所述的计算机(13)从所述的CCD(12)读取一幅等离子体共振图像;
2)所述的计算机(13)采用MATLAB软件读取步骤1)获取的所有图像,获得共振环纵轴上的每个像素点在不同起偏角和检偏角处的灰度值;
3)计算平凸球面透镜(7)的凸面与待测薄膜样品(8)之间每一个空气隙厚度处的最小灰度值所对应的起偏角和检偏角,从而确定每个空气隙厚度对应的Ψ和Δ值;
4)设定薄膜厚度和光学常数初始值,根据此设定值计算椭偏参数,通过数值反演迭代法,不断逼近步骤3)获得空气间隙厚度与Ψ、Δ的关系曲线,直到得到一组差值最小值作为测量结果,进而利用椭偏参数Ψ,Δ与薄膜厚度、光学折射率、消光系数的对应关系通过反演方法得到待测超薄薄膜的厚度和光学常数,所述的光学常数包括光学折射率、消光系数。
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