CN111207678A - 一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄膜检测技术领域，公开了一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法。本发明利用零级涡旋半波片将被样品反射的光波转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场被检偏器检偏后形成亮暗呈楔形分布的光强图像，采集光强图像并进行图像处理得到亮区方位角以及亮暗对比度，进一步计算出椭偏参数，利用椭偏参数即可反解出薄膜样品的厚度与折射率。该方法操作简单便捷、测量光路中无光学部件的旋转运动，光路稳定性好、测量精度高、速度快，且测量结果对光源的功率和波长变化不敏感。

Description

一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法

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和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。薄膜的很多物理特性(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，因此快速精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，基于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)、检偏器和探测器五部分组成，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，通过消光位置处起偏器与检偏器的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、人工读数，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过程的自动化，缩短了测量时间，但这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、模数转换与数字信号处理系统，测量装置较为复杂，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性能要求高、解算过程繁杂等问题，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，提供一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法。本发明操作简单便捷、测量精度高、测量结果对光源功率和波长变化不敏感。

本发明所提供的一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法，技术方案是：激光光源发出的光经起偏器后变为线偏振光，线偏振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了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图像处理。

本发明的详细技术方案为：

一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法，包括如下步骤：

第一步，将起偏器的方位角设置为45°，计算入射光P、S分量的振幅比与相位差；

入射光P分量与S分量的振幅分别为A_iP、A_iS，P分量与S分量振幅比为τ_i，τ_i的反正切值为Ψ_i，入射光P分量与S分量相位分别为δ_iP、δ_iS，P分量与S分量的相位差为δ_i，将起偏角设置为45°，计算出入射光的振幅比与相位差分别为：

δ_i＝δ_iP-δ_iS＝0 (式2)

第二步，采集光强图像I，计算反射光的振幅比与相位差；

采集光强图像I并对其进行图像处理，得到图像亮区中心线的方位角

和图像亮暗区域对比度C，对比度C的定义为：

反射光P分量与S分量的振幅分别为A_rP、A_rS，其P分量与S分量振幅比为τ_r，τ_r的反正切值为Ψ_r，反射光P分量与S分量相位分别为δ_rP、δ_rS，其P分量与S分量的相位差为δ_r，反射光的振幅比与相位差由图像处理所得的参量

表示为：

第三步，计算椭偏角参数(Ψ,Δ)；

椭偏角参数(Ψ,Δ)的计算方式由(式6)、(式7)给出：

Δ＝δ_r-δ_i＝δ_r (式7)

第四步，反解薄膜厚度与折射率；

利用第三步所得的椭偏角参数(Ψ,Δ)反解得到薄膜的厚度d与薄膜折射率n。

与现有技术相比，本发明具有以下效益：

(1)本发明单次测量即可获得椭偏参数，检测速度快，适用于对实时性要求较高的检测场合。

(2)本发明操作简单便捷，测量过程中没有光学元件的旋转，避免了因机械旋转带来的误差，提高了检测系统的稳定性。

(3)本发明的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漂移带来的测量误差。

附图说明

图1为本发明提供的一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法的光路示意图；

图2为本发明提供的一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法的实施流程图；

图3为待测薄膜的光学模型图；

图4为仿真实例1中所采集的亮暗楔形光强图像；

图5为对图4中图像处理得到光强图像的亮区中心线方位角；

图6为仿真实例2中所采集的亮暗楔形光强图像；

图7为对图6中图像处理得到光强图像的亮区中心线方位角。

图中：100—起偏臂，101—激光光源，102—起偏器，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为本发明所提供的一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法的光路示意图，测量光路由起偏臂100、待测样品200和检偏臂300组成。起偏臂100包括激光光源101、起偏器102。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发出的光经起偏器102后变线偏振光，线偏振光经待测薄膜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检偏后形成了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进行图像处理。

图2为本发明提供的一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法的具体实施流程图。

第一步，将起偏器的方位角设置为45°，计算入射光P、S分量的振幅比与相位差；

入射光P分量与S分量的振幅分别为A_iP、A_iS，P分量与S分量振幅比为τ_i，τ_i的反正切值为Ψ_i，入射光P分量与S分量相位分别为δ_iP、δ_iS，P分量与S分量的相位差为δ_i，将起偏角设置为45°，计算出入射光的振幅比与相位差分别为：

δ_i＝δ_iP-δ_iS＝0 (式2)

第二步，采集光强图像I，计算反射光的振幅比与相位差；

采集光强图像I并对其进行图像处理，得到图像亮区中心线的方位角

和图像亮暗区域对比度C，对比度C的定义为：

反射光P分量与S分量的振幅分别为A_rP、A_rS，其P分量与S分量振幅比为τ_r，τ_r的反正切值为Ψ_r，反射光P分量与S分量相位分别为δ_rP、δ_rS，其P分量与S分量的相位差为δ_r，反射光的振幅比与相位差由图像处理所得的参量

表示为：

第三步，计算椭偏角参数(Ψ,Δ)；

椭偏角参数(Ψ,Δ)的计算方式由(式6)、(式7)给出：

Δ＝δ_r-δ_i＝δ_r (式7)

第四步，反解薄膜厚度与折射率；

利用第三步所得的椭偏角参数(Ψ,Δ)反解得到薄膜的厚度d与薄膜折射率n；

采用本发明的检测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。

对仿真验证实例1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)所述待测样品的结构为Air-SiO₂-Si，图3为其光学模型图；

(4)SiO₂薄膜的厚度为50nm，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：

波长为632.8nm的He-Ne激光器发射的光波经起偏角为45°的起偏器后变为线偏振光，此线偏振光P分量与S分量的振幅比τ_i与相位差δ_i分别为：

线偏振光经待测样品反射后变为椭圆偏振光波，此椭圆偏振光波经过检偏臂后所形成的亮暗呈楔形分布的光强图由相机采集。图4为仿真验证实例1中所采集的光强图像，此光强图像经分析处理得到图像的亮区方位角

与图像亮暗区域对比度C为：

图5为对图4中图像处理得到光强图像的亮区中心线方位角。

由图像处理所得的光强图像的亮区方位角

与图像亮暗区域对比度C可计算出反射光P分量与S分量的振幅比与相位差分别为：

进一步可以计算出椭偏参数(Ψ,Δ)

利用计算得到的椭偏参数(Ψ,Δ)反解得到薄膜的厚度与折射率分别为：

对比椭偏参数(Ψ,Δ)测量值与理论值可知：两个椭偏角参数与理论值的误差分别在0.05°和0.03°以内；对比薄膜厚度、折射率的测量值与理论值可知：薄膜厚度的测量误差在0.3nm以内，薄膜折射率误差在0.003以内，验证了本发明所提供的非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法的可行性与精确性。

仿真验证实例2具体实施中所采用的薄膜厚度为210nm，其它测量条件与样品参数与仿真验证实例1保持一致。

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：

波长为632.8nm的He-Ne激光器发射的光波经起偏角为45°的起偏器后变为线偏振光，此线偏振光P分量与S分量的振幅比τ_i与相位差δ_i分别为：

线偏振光经待测样品反射后变为椭圆偏振光波，此椭圆偏振光波经过检偏臂后所形成的亮呈暗楔形分布的光强图由相机采集。图6为仿真实例2中所采集的光强图像，此光强图像经图像处理得到光强图像的亮区方位角

与图像亮暗区域对比度C为：

图7为对图6中图像处理得到光强图像的亮区中心线方位角。

由图像处理所得的光强图像的亮区方位角

与图像亮暗区域对比度C可计算出反射光P分量与S分量的振幅比与相位差分别为：

进一步可计算出椭偏参数(Ψ,Δ)

利用计算得到的椭偏参数(Ψ,Δ)反解得到薄膜的厚度与折射率分别为：

对比椭偏参数测量值与理论值可知：两个椭偏角参数与理论值的误差分别在0.03°和0.02°以内；对比薄膜厚度、折射率的测量值与理论值可知：薄膜厚度的测量误差在0.2nm以内，薄膜折射率误差在0.001以内，再次验证了本发明所提供的非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法的可行性与精确性。

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)

1.一种非旋转式薄膜厚度及折射率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将起偏器的方位角设置为45°，计算入射光P、S分量的振幅比与相位差；

入射光P分量与S分量的振幅分别为A_iP、A_iS，P分量与S分量振幅比为τ_i，τ_i的反正切值为Ψ_i，入射光P分量与S分量相位分别为δ_iP、δ_iS，P分量与S分量的相位差为δ_i，将起偏角设置为45°，计算出入射光的振幅比与相位差分别为：

δ_i＝δ_iP-δ_iS＝0 (式2)

第二步，采集光强图像I，计算反射光的振幅比与相位差；

采集光强图像I并对其进行图像处理，得到图像亮区中心线的方位角

和图像亮暗区域对比度C，对比度C的定义为：

反射光P分量与S分量的振幅分别为A_rP、A_rS，其P分量与S分量振幅比为τ_r，τ_r的反正切值为Ψ_r，反射光P分量与S分量相位分别为δ_rP、δ_rS，其P分量与S分量的相位差为δ_r，反射光的振幅比与相位差由图像处理所得的参量

表示为：

第三步，计算椭偏角参数(Ψ,Δ)；

椭偏角参数(Ψ,Δ)的计算方式由(式6)、(式7)给出：

Δ＝δ_r-δ_i＝δ_r (式7)

第四步，反解薄膜厚度与折射率；

利用第三步所得的椭偏角参数(Ψ,Δ)反解得到薄膜的厚度d与薄膜折射率n。

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