CN111207677B - 一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄膜检测领域，公开了一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法。本发明利用零级涡旋半波片将被待测样品反射的光波转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场经检偏器作用后得到亮暗呈楔形分布的光强图像。在操作时，通过前后两次调整入射光的偏振状态，使光强图像亮区到达两种特定的方位并采集光强图像，将两次采集的光强图像分别进行分析处理得到一组高精度的椭偏角参数，进一步反解出待测薄膜的厚度与折射率。该发明操作简单便捷、测量精度高、测量结果对光源的功率和波长变化不敏感。

Description

一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法

技术领域

本发明属于薄膜检测技术领域，进一步是涉及一种利用矢量偏振光场调制及数字图像处理技术实现介质薄膜厚度及折射率测量的椭偏测量术。

背景技术

随着薄膜制备技术的发展，光学薄膜的应用领域日益广泛，涉及计算机(集成电路)、能源(光伏太阳能电池)、生物医疗(生物薄膜)等多个方面。薄膜的众多物理特性(如反射率和透射率、消光系数、能带结构、薄膜介质的电特性等)都与薄膜的厚度和光学常数有关，因此快速准确地测量出薄膜厚度和光学常数在薄膜的制备、分析与应用中是十分重要的。相比于扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜等薄膜检测技术，椭偏测量术表现出来的速度快、精度高、可以同时测得薄膜厚度和折射率等多种参量、样品非破坏性等优点使其备受科研工作者的关注。

按照是否消光，采用椭圆偏振测量术的仪器(椭偏仪)可分为两大类：消光式椭偏仪和光度式椭偏仪。经典的消光式椭偏仪由光源、起偏器、补偿器(或波片)、检偏器、探测器五部分组成，其在操作过程中需要交替旋转起偏器与检偏器来寻找消光位置，通过消光位置处的起偏器与检偏器方位角来确定椭偏参数。早期的消光式椭偏仪需要手动旋转、人为读数，整个过程耗时较长，而且消光位置的搜寻对于光源功率的稳定要求较高，虽然现在已经可以实现消光式椭偏仪测量及读数的自动化，缩短了测量时间，但同时也增加了系统的复杂性且仍然无法克服对光源功率稳定性要求高的缺点。光度式椭偏仪如旋转起偏器型椭偏仪(RPE)、旋转检偏器型椭偏仪(RAE)、旋转补偿器型椭偏仪(RCE)等在测量时需要按照一定频率旋转相应的光学元件，并对探测器接收到的光强信号进行傅里叶分析，解算出傅里叶系数，进一步求解出椭偏参数。光度式椭偏仪不再像消光式椭偏仪那样需要确定起偏器或检偏器的方位角，故耗时较少，但其需要旋转驱动装置和模数转换与数字信号处理系统，测量装置较复杂，此外因其要对光强信号进行连续检测，所以对光电探测器的灵敏度、线性度、响应时间、偏振无关性(响应程度不受光波偏振状态的影响)等方面要求较高。

综上分析，有必要研究一种能够克服现有椭偏测量方法复杂、对光源功率稳定性和探测器要求高、解算过程繁杂等缺陷，实现薄膜参数高精度检测的椭偏测量方法。

发明内容

本发明的目的在于针对以上不足，提供一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法。本发明方法操作简单便捷、测量精度高、测量结果对光源功率和波长变化不敏感。

本发明提供的一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法，技术方案是：激光光源发出的光通过起偏器和可拆卸四分之一波片后得到特定偏振状态的入射光，入射光经待测薄膜反射后一般变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经扩束系统扩束后被零级涡旋半波片转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场再经检偏器检偏后形成亮暗呈楔形分布的光强图像，光强图像被相机采集并被送入计算机进行分析处理。

本发明的详细技术方案为：

一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法，包括如下步骤：

第一步，实时监测光强图像亮区方位角；

第二步，将可拆卸四分之一波片快轴45°放置，调整起偏器的角度，使得光强图像亮区方位角为0°或90°或两者附近，记录当前起偏器的角度P₁并计算入射光P、S分量的相位差；

入射光P、S分量的相位差根据可拆卸四分之一波片快轴方位角与起偏器的方位角求出，可拆卸四分之一波片快轴方向为45°，起偏器的起偏角为P₁，入射光P分量的相位为δ_iP，入射光S分量的相位为δ_iS，确定入射光P分量与S分量的相位差δ_i为：

δ_i＝δ_iP-δ_iS＝90°-2P₁ (式1)

第三步，计算反射光的相位差δ_r与椭偏角参数△；

3.1采集光强图像I并对其进行图像处理，得到光强图像I的亮区方位角

与亮暗区域对比度C，其中对比度C的定义为：

3.2计算反射光P分量和S分量的相位差δ_r与椭偏角参数△

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C，计算反射光P分量和S分量的相位差δ_r与椭偏角参数△：

△＝δ_r-δ_i＝δ_r-(90°-2P₁) (式4)

第四步，去掉可拆卸四分之一波片，调整起偏器的角度，使得图像亮区方位角为45°或135°或两者附近，记录当前起偏器的角度P₂并计算入射光的振幅比；

入射光P、S分量的振幅比通过起偏器的角度计算出，入射光P、S分量的振幅比为τ_i'，其反正切值为Ψ_i'，τ_i'的根据(式5)计算：

τ_i'＝tanΨ_i'＝tan(P₂) (式5)

第五步，计算反射光的振幅比τ_r'与椭偏角参数Ψ；

5.1采集光强图像I'并对其进行图像处理，得到光强图像I'的亮区方位角

与亮暗区域对比度C'；

5.2利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C'，计算反射光P分量和S分量的振幅比τ_r'与椭偏角参数Ψ：

第六步，反解薄膜厚度与折射率；

利用第三、第五步所得的椭偏角参数(Ψ,△)反解得到薄膜的厚度d与薄膜折射率n。

本发明的有益效果是：

(1)采用光场调制与图像处理的方法求解椭偏参数，保证了测量结果对光源功率和波长变化不敏感，避免了光源功率波动和波长变化带来的测量误差；

(2)通过两次对特征位置的测量获得椭偏参数(Ψ,△)，有效降低了图像对比度检测误差对测量结果的影响，提高了测量精度；

(3)本发明方法简单、光路紧凑、操作便捷。

附图说明

图1为本发明提供的一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法的光路示意图；

图2为本发明提供的一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法的具体实施流程图；

图3为待测薄膜的光学模型图；

图4为调节起偏器使亮区中心线在90°附近时的光强图像；

图5为对图4中图像处理得到亮区中心线的方位角；

图6为调节起偏器使亮区中心线在135°附近时的光强图像；

图7为对图6中图像处理得到亮区中心线的方位角。

图中：100—起偏臂，101—激光光源，102—起偏器，103—可拆卸四分之一波片，200—待测样品，300—检偏臂，301—扩束系统，302—零级涡旋半波片，303—检偏器，304—相机，305—计算机。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明提供的一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法的光路示意图，检测光路由起偏臂100、检偏臂300和待测样品200组成。起偏臂100包括激光光源101、起偏器102和可拆卸的四分之一波片103。检偏臂300包括扩束系统301、零级涡旋半波片302、检偏器303、相机304和计算机305。待测样品200设置在起偏臂100与检偏臂300之间。激光光源101发出的光通过调节起偏器102和快轴45°放置的可拆卸四分之一波片103后得到特定偏振状态的入射光，入射光经待测薄膜200反射后一般变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经扩束系统301扩束后被零度快轴设置在0°方向的零级涡旋半波片302转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场再经水平方向透光的检偏器303检偏后形成亮暗呈楔形分布的光强图像，光强图像被相机304采集并被送入计算机305进行分析处理。

图2为本发明提供的一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法的具体实施流程图。本发明提供的测量方法具体步骤包括：

第一步，实时监测光强图像亮区方位角；

第二步，将可拆卸四分之一波片快轴45°放置，调整起偏器的角度，使得光强图像亮区方位角为0°或90°或两者附近，记录当前起偏器的角度P₁并计算入射光P、S分量的相位差；

入射光P、S分量的相位差根据可拆卸四分之一波片快轴方位角与起偏器的方位角求出，可拆卸四分之一波片快轴方向为45°，起偏器的起偏角为P₁，入射光P分量的相位为δ_iP，入射光S分量的相位为δ_iS，确定入射光P分量与S分量的相位差δ_i为：

δ_i＝δ_iP-δ_iS＝90°-2P₁ (式1)

第三步，计算反射光的相位差δ_r与椭偏角参数△；

3.1采集光强图像I并对其进行图像处理，得到光强图像I的亮区方位角

与亮暗区域对比度C，其中对比度C的定义为：

3.2计算反射光P分量和S分量的相位差δ_r与椭偏角参数△

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C，计算反射光P分量和S分量的相位差δ_r与椭偏角参数△：

△＝δ_r-δ_i＝δ_r-(90°-2P₁) (式4)

第四步，去掉可拆卸四分之一波片，调整起偏器的角度，使得图像亮区方位角为45°或135°或两者附近，记录当前起偏器的角度P₂并计算入射光的振幅比；

入射光P、S分量的振幅比通过起偏器的角度计算出，入射光P、S分量的振幅比为τ_i'，其反正切值为Ψ_i'，τ_i'的根据(式5)计算：

τ_i'＝tanΨ_i'＝tan(P₂) (式5)

第五步，计算反射光的振幅比τ_r'与椭偏角参数Ψ；

5.1采集光强图像I'并对其进行图像处理，得到光强图像I'的亮区方位角

与亮暗区域对比度C'；

5.2利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C'，计算反射光P分量和S分量的振幅比τ_r'与椭偏角参数Ψ：

第六步，反解薄膜厚度与折射率；

利用第三、第五步所得的椭偏角参数(Ψ,△)反解得到薄膜的厚度d与薄膜折射率n。

采用本发明测量方法进行了仿真验证实验，结果表明本发明提供的方法可有效测量介质薄膜厚度及折射率。

仿真验证实例具体实施中所采用的测量条件及样品参数说明如下：

(1)所述激光光源采用波长为632.8nm的He-Ne激光器；

(2)入射角选取为70°；

(3)在光强图像中加入高斯噪声以模拟实际采集图像中的噪声，噪声参数设置为0.01；

(4)所述待测样品的结构为Air-SiO₂-Si，图3为其光学模型图；

(5)SiO₂薄膜的厚度为140nm，折射率为1.46，Si基底的复折射率为4.051-0.027i。

经解析，在此测量条件下光波被薄膜反射后，两个椭偏角的理论值分别为：

首先将可拆卸四分之一波片的快轴45°放置，调整起偏器的角度使得相机上采集的图像如图4所示(亮区中心线在90°附近)，记录当前起偏器的角度P₁为73.70°，通过四分之一波片的快轴方位角与起偏器的方位角计算出入射光P分量与S分量的相位差δ_i为：

δ_i＝90°-2P₁＝-57.4° (式9)

对图4中的光强图像进行图像处理，得到亮区方位角

如图5所示，同时得到光强图像的亮暗区域对比度C：

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C，计算反射光P分量和S分量的相位差δ_r与椭偏角参数△：

△＝δ_r-δ_i＝δ_r-(90°-2P₁)＝147.4028° (式12)

去掉四分之一波片，调整起偏器的角度，使得相机上采集的图像如图6所示(亮区中心线在135°附近)，记录当前起偏器的角度P₂＝4.76°，通过起偏臂的角度计算出入射光P、S分量的振幅比为：

τ_i'＝tan(P₂)＝0.0833 (式13)

对图6中的光强图像进行分析处理得到的亮区方位角

如图7所示，同时得到亮暗区域对比度C'：

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C'，计算反射光P分量和S分量的振幅比τ_r'(其反正切值为Ψ_r')与椭偏角参数Ψ：

利用所得的椭偏角参数(Ψ,△)反解得到薄膜的厚度d与薄膜折射率n为：

从图4与图6可以看出，所采集的图像虽然包含了大量的噪声，但是利用本发明所提供的介质薄膜厚度及折射率的测量方法测量所得的椭偏角参数(Ψ,△)的误差分别控制在0.001°与0.003°以内，对薄膜厚度与薄膜折射率检测的误差控制在0.0004nm以及0.000004以内，表现出了极高的检测精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，实时监测光强图像亮区方位角；

第二步，将可拆卸四分之一波片快轴45°放置，调整起偏器的角度，使得光强图像亮区方位角为0°或90°，记录当前起偏器的角度P₁并计算入射光P、S分量的相位差；

入射光P、S分量的相位差根据可拆卸四分之一波片快轴方位角与起偏器的方位角求出，可拆卸四分之一波片快轴方向为45°，起偏器的起偏角为P₁，入射光P分量的相位为δ_iP，入射光S分量的相位为δ_iS，确定入射光P分量与S分量的相位差δ_i为：

δ_i＝δ_iP-δ_iS＝90°-2P₁ (式1)

第三步，计算反射光的相位差δ_r与椭偏角参数△；

3.1采集光强图像I并对其进行图像处理，得到光强图像I的亮区方位角

与亮暗区域对比度C，其中对比度C的定义为：

3.2计算反射光P分量和S分量的相位差δ_r与椭偏角参数△

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C，计算反射光P分量和S分量的相位差δ_r与椭偏角参数△：

△＝δ_r-δ_i＝δ_r-(90°-2P₁) (式4)

第四步，去掉可拆卸四分之一波片，调整起偏器的角度，使得光强图像亮区方位角为45°或135°，记录当前起偏器的角度P₂并计算入射光的振幅比；

入射光P、S分量的振幅比通过起偏器的角度计算出，入射光P、S分量的振幅比为τ_i'，其反正切值为Ψ_i'，τ_i'的根据(式5)计算：

τ_i'＝tanΨ_i'＝tan(P₂) (式5)

第五步，计算反射光的振幅比τ_r'与椭偏角参数Ψ；

5.1采集光强图像I'并对其进行图像处理，得到光强图像I'的亮区方位角

与亮暗区域对比度C'；

5.2利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C'，计算反射光P分量和S分量的振幅比τ_r'与椭偏角参数Ψ：

第六步，反解薄膜厚度与折射率；

利用第三、第五步所得的椭偏角参数(Ψ,△)反解得到薄膜的厚度d与薄膜折射率n。

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