CN114739298B - 一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪及测厚方法 - Google Patents

一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪及测厚方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪及测厚方法，属于椭偏测厚技术领域。运用太赫兹高斯光束以及椭偏测厚方法设计了直线型的系统，并且运用可见光对系统校准，可以方便调节反射镜和样品台的位置，克服了太赫兹波不可见而难以调节的缺点。

Description

一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪及测厚方法
技术领域
本发明属于椭偏测厚技术领域，更具体地，涉及一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪及测厚方法。
背景技术
薄膜技术在各个科学领域，尤其是当代真空技术和材料科学研究领域。薄膜厚度是薄膜物理性能的重要参数，对于薄膜的力学性能，光学性能，以及电磁学性能起着一定的作用。因此，这就使对于薄膜厚度在制模工艺中的准确测量具有越来越高的要求。目前对于薄膜厚度的测量方法有椭圆偏振测量法、外差干涉测量法、等厚干涉法、反射光谱法，透射光谱法等测量方法。
椭圆偏振法是一种优越的测量薄膜厚度的光学方法。它具有测量灵敏度高，精度高，非接触性，非破坏性，快速测量等优点。椭圆偏振法分为反射椭圆偏振测量法，透射椭圆偏振测量法和散射椭圆偏振测量法。反射式椭偏测量法分为消光式测量法和光度式测量法。光度式椭偏测量法是通过一定波长的椭圆偏振光斜入射到薄膜上，测量反射的偏振光，基于数值计算原理，计算膜厚。
太赫兹波(THz)是指频率介于100Ghz到10THz(波长为30um-3mm)之间的电磁波辐射。THz波在安全检查、无损检测、医疗诊断等方面具有重要的应用前景，太赫兹波对很多介电材料具有良好的穿透性，因此可以用于行李安全检查，探测隐藏的违禁物品。并且，太赫兹波的光子能量更低，安全性远远高于其他波段的电磁波。因此，将太赫兹波运用于测量薄膜厚度，不会损伤薄膜，而且它可以精密测量毫米级和百微米级厚度的薄膜，这是可见光所不能做到的。
过去椭偏仪测厚基本是运用在可见光以及测量nm级别的厚度，并且运用的都是偏转型的椭偏测厚系统。而THz波是一种不可见光。因此传统的椭偏仪已不适用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪及测厚方法，旨在解决针对在不可见的太赫兹波段实现测厚的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪，首次使用太赫兹波测量样品厚度，搭建直线型太赫兹测量的椭偏系统，并同步运用可见光精密校准系统。包括太赫兹波发射模块、可见光发射模块、准直透镜、硅片、波片、第一反射镜、第二反射镜、样品台、聚焦透镜和探测器，所述太赫兹波发射模块产生的太赫兹波入射至所述波片后产生第一椭圆偏振波束，所述第一椭圆偏振波束依次经过第一反射镜入射至样片台，经过样品台反射后入射至第二反射镜，通过聚焦透镜被探测器接收；所述可见光发射模块产生的可见光以与太赫兹波相互垂直的方向入射至硅片，经所述硅片反射后与太赫兹波传输光路重合，依次经过波片、第一反射镜入射至样片台，经过样品台反射后入射至第二反射镜，通过聚焦透镜被探测器接收；所述探测器用于根据样品反射的0.3THz波束的偏振态以及样品入射0.3THz波束的偏振态计算膜厚。
所述可见光与太赫兹波经所述硅片反射后传输光路重合，通过可见光发射模块调整第一反射镜、第二反射镜与样品位置实现对太赫兹波的校准。
进一步地，所述硅片与太赫兹波传输光路呈45°的角度。
进一步地，所述太赫兹波发射模块包括第一波源和第一准直透镜，所述第一准直透镜用于将所述第一波源发出的太赫兹波进行准直。
进一步地，所述第一波源为0.3THz的高斯光源。
进一步地，所述可见光发射模块包括第二光源、第二准直透镜，所述第二准直透镜用于将所述第二光源发出的可见光进行准直。
进一步地，所述样品台在未放置待测样品时为全反射镜。
进一步地，根据测得入射样品的波束的偏振态，以及样品反射波束的偏振态，将它们p光和s光的值，运用椭偏厚度反演计算方法，理论计算公式如下，运用matlab软件计算，即可得到膜厚d。
Figure BDA0003540902380000031
Figure BDA0003540902380000032
Figure BDA0003540902380000033
B＝2r1pr2p
Figure BDA0003540902380000034
D＝2r1sr2s
Figure BDA0003540902380000035
Figure BDA0003540902380000036
Figure BDA0003540902380000037
Figure BDA0003540902380000038
Figure BDA0003540902380000039
其中，Eip、Eis分别是入射波束的p光和s光的电场，即探测器测量的入射波束的偏振态，Erp、Ers分别是入射波束的p光和s光的电场，即探测器测量的反射波束的偏振态，经计算可得到tanψ的值；n1，n2，n3分别是空气，样品，衬底的折射率，
Figure BDA0003540902380000041
是入射角，
Figure BDA0003540902380000042
是样品中的折射角，
Figure BDA0003540902380000043
是衬底中的折射角，根据这些参数可以求得r1p、r1s、r2p、r2s的值，即可求得位相差δ的值；最终计算得到样品厚度。
本发明根据太赫兹波的特点，设计了一种直线型的太赫兹椭偏测厚系统，并且运用可见光对系统进行校准。虽然太赫兹波不可见，但是通过可见光，可以精准调节样品以及探测器所在位置，进而实现精密测量厚度，调整角度。
本发明另一方面提供了一种基于利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪的测厚方法，具体包括以下步骤：
S1.太赫兹波经过准直后入射至波片，产生第一椭圆偏振波束，所述第一椭圆偏振光波依次经过第一反射镜反射至样片台，被样品台反射后的光束再经过第二反射镜反射，经聚焦后接收到样品入射波束；
S2.关闭太赫兹波，可见光以与太赫兹波垂直的方向经过准直后入射，经反射后与太赫兹波传输光路重合，可见光依次经过波片、第一反射镜反射至样片台，被样品台反射后的光束再经过第二反射镜反射，最后经过聚焦透镜入射至探测器中心；
S3.根据探测器探测到的可见光，调整第一反射镜、第二反射镜与样品台的位置实现对太赫兹波的校准；
S4.关闭可见光，待样品台上放置待测样品之后，重复步骤S1接收到样品反射光束波束，根据样品反射波束的偏振态以及样品入射波束的偏振态计算膜厚。
进一步地，所述可见光与太赫兹波经反射后传输光路重合。
上述通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明提供的利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪及测厚方法搭建了在太赫兹波段可行的测厚系统，利用可见光校准，可以方便调节反射镜和样品台的位置，克服了太赫兹波不可见而难以调节的缺点。太赫兹波可以穿透一些特定非极性材料，太赫兹波的光子能量低，安全性高，因而可以对样品进行无损检测。
附图说明
图1是本发明提供的利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪的示意图；
图2是本发明实施例中入射光的偏振状态；
图3是本发明实施例中反射光的偏振状态。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪，首次使用太赫兹波测量样品厚度，搭建直线型太赫兹测量的椭偏系统，并同步运用可见光精密校准系统。包括太赫兹波发射模块、可见光发射模块、准直透镜、硅片、波片、第一反射镜、第二反射镜、样品台、聚焦透镜和探测器，所述太赫兹波发射模块产生的太赫兹波入射至所述波片后产生第一椭圆偏振光束，所述第一椭圆偏振光束依次经过第一反射镜入射至样片台，经过样品台反射后入射至第二反射镜，通过聚焦透镜被探测器接收；所述可见光发射模块产生的可见光以与太赫兹波相互垂直的方向入射至硅片，经所述硅片反射后与太赫兹波传输光路重合，依次经过波片、第一反射镜入射至样片台，经过样品台反射后入射至第二反射镜，通过聚焦透镜被探测器接收；所述探测器用于根据样品反射的0.3THz波束的偏振态以及样品入射的0.3THz波束的偏振态计算膜厚。
所述可见光与太赫兹波经所述硅片反射后传输光路重合，通过可见光发射模块调整第一反射镜、第二反射镜与样品位置实现对太赫兹波的校准。
具体地，所述硅片与太赫兹波传输光路呈45°的角度。
具体地，所述太赫兹波发射模块包括第一波源和第一准直透镜，所述第一准直透镜用于将所述第一波源发出的太赫兹波进行准直。
具体地，所述第一波源为0.3THz的高斯光源。
具体地，所述可见光发射模块包括第二光源、第二准直透镜，所述第二准直透镜用于将所述第二光源发出的可见光进行准直。
具体地，所述样品台在未放置待测样品时为全反射镜。
具体地，根据测得入射样品的波束的偏振态，以及样品反射波束的偏振态，将它们p光和s光的电场值，运用椭偏厚度理论计算方法，理论计算公式如下，运用matlab软件计算，即可得到膜厚d。
利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪的测厚方法，实施的具体步骤如下。
1、如图1所示，先搭建0.3THz光源与探测器，探测器搭建在可前后移动的步进电机上，发射的光束是高斯波束并且是线偏振的，将传播的波束调直。在光源前加上焦距为100mm的准直透镜，对光源发出的光束进行准直。将1/4λ波片放在准直透镜后，使线偏振的波束变成椭圆偏振波束，并记录此时偏振态数据。波片后留部分空间，以便之后搭建反射器和样品，这时距离准直透镜已经有一段距离，光束在这个位置有些发散，因而需要搭建聚焦透镜，对光束聚焦，缩小光斑尺寸。此时探测器位置固定于光束传播的中心。
2、反射镜与样品位置的放置至关重要，波片后的THz高斯波束应该经过第一反射镜，入射到样品上，然后经样品反射到第二反射镜，再经第二反射镜，与原波束直线传播路径重合，经聚焦透镜，再入射到探测器上。由于太赫兹波束是不可见的，因而用可见光来校准THz光路。在垂直于太赫兹波束直线传播的方向上，搭建可见光光源。先搭建好632nmHe-Ne激光器(发射红色可见光)，然后使用凹透镜和凸透镜对可见光进行准直。将硅片放置在准直透镜与波片中间，并与THz波束的传播光路夹角为45°，可见光入射到硅片的位置，也是太赫兹波束中心的位置。然后可见光被硅片反射与太赫兹直线光路重合。硅片固定在可移动支架上，不需要时可向上调节，不影响THz光路。将第一反射镜与第二反射镜都安装在旋转台上，开始时放置在与THz光路垂直位置。将第一反射镜逆时真转动60°，第二反射镜顺时针转动120°。样品放置在可前后移动的步进电机上并在两个反射镜中间，使可见光经第一反射镜后，入射到样品中心，经样品反射后入射到第二反射镜，保证样品的入射角与反射角相等。再经第二反射镜，可见光被反射，与THz直线传播光路再次重合，并入射到探测器中心位置。此时反射镜与样品位置即放置准确，若想调整光的入射角，改变反射镜的旋转角度和通过步进电机移动样品前后距离即可。
3、制备一个厚度为5mm，折射率为1.61的样品，图2与图3分别是入射光与反射光所测得的偏振态。根据探测器测量的入射THz波束和反射THz波束的p光与s光的电场，代入到椭偏函数计算公式中进行计算，计算得到的厚度为4.945651145209846mm，这也证明了本系统的可靠性，可以运用到实际测试系统。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪，其特征在于，包括太赫兹波发射模块、可见光发射模块、准直透镜、硅片、波片、第一反射镜、第二反射镜、样品台、聚焦透镜和探测器，所述硅片与太赫兹波传输光路呈45°的角度，所述太赫兹波发射模块产生的太赫兹波入射至所述波片后产生第一椭圆偏振波束，所述第一椭圆偏振波束依次经过第一反射镜入射至样片台，经过样品台反射后入射至第二反射镜，通过聚焦透镜被探测器接收；所述可见光发射模块产生的可见光以与太赫兹波相互垂直的方向入射至硅片，经所述硅片反射后与太赫兹波传输光路重合，入射至所述波片后产生第二椭圆偏振光束，所述第二椭圆偏振光束依次经过第一反射镜入射至样片台，经过样品台反射后入射至第二反射镜，通过聚焦透镜被探测器接收；所述探测器用于根据样品反射波束的偏振态以及样品入射波束的偏振态计算膜厚；
所述可见光与太赫兹波经所述硅片反射后传输光路重合，通过可见光发射模块调整第一反射镜、第二反射镜与样品位置实现对太赫兹波的校准。
2.根据权利要求1所述的利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪，其特征在于，所述太赫兹波发射模块包括第一波源和第一准直透镜，所述第一准直透镜用于将所述第一波源发出的太赫兹波进行准直。
3.根据权利要求2所述的利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪，其特征在于，所述第一波源为0.3THz的高斯波源。
4.根据权利要求1所述的利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪，其特征在于，所述可见光发射模块包括第二光源、第二准直透镜，所述第二准直透镜用于将所述第二光源发出的可见光进行准直。
5.根据权利要求1所述的利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪，其特征在于，所述样品台在未放置待测样品时为全反射镜。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的利用可见光校准的直线型太赫兹椭偏仪的测厚方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.太赫兹波经过准直后入射至波片，产生第一椭圆偏振波束，所述第一椭圆偏振波束依次经过第一反射镜反射至样片台，被样品台反射后的光束再经过第二反射镜反射，经聚焦后接收到样品入射波束；
S2.关闭太赫兹波，可见光以与太赫兹波垂直的方向经过准直后入射，经反射后与太赫兹波传输光路重合，入射至波片产生第二椭圆偏振光束，所述第二椭圆偏振光束依次经过第一反射镜反射至样片台，被样品台反射后的光束再经过第二反射镜反射，经聚焦后入射至探测器；
S3.根据探测器探测到的可见光，调整第一反射镜、第二反射镜与样品台的位置实现对太赫兹波的校准；
S4.关闭可见光，待样品台上放置待测样品之后，重复步骤S1接收到样品反射光束波束，根据样品反射波束的偏振态以及样品入射波束的偏振态计算膜厚。
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