橢偏儀測量超薄膜層的精度提升方法和裝置與流程

本發明涉及橢偏儀測量，特別是一種提升橢偏儀測量超薄膜層精度的裝置和方法。
背景技術：
：光學薄膜的厚度和光學常數將直接影響薄膜的力學、光學、電磁學等性質。精確測定超薄薄膜的厚度和光學常數，對于研究其光學、電磁學等性質尤為重要。因此，精確表征和控制薄膜的厚度和光學常數在薄膜的制備、分析和應用中起著關鍵的作用。由于超薄薄膜的厚度很小，超薄薄膜的光學常數相對于體材料存在一定差異，而目前人們對超薄薄膜的認識還不夠深入，很難對其進行標定，這些原因使得超薄薄膜的表征變得非常困難。現有的光學薄膜檢測技術中，主要是利用薄膜的結構參數對探測光的光學信息入射前后產生的變化檢測光學薄膜的厚度和光學常數。比如光譜法、橢偏法、表面等離子體共振法等。橢偏法是目前常用的一種測量薄膜厚度和光學常數的方法。橢偏法是以測量光的偏振態為基礎的測量方法，測量薄膜表面反射光偏振態的變化。橢偏參數(Ψ，Δ滿足rp,rs是p和s光的反射系數)與薄膜厚度、光學折射率、消光系數有著對應關系，由此反演得到薄膜的厚度和光學常數。橢偏法具有在線實時測量，測量速度快、測試精度高、對測量環境及樣品要求低等優點，目前已經在薄膜厚度和光學常數測量中得到了廣泛應用。橢偏法是無損測量薄膜介電常數和表面性質的通用且強大的光學表征方法，但是單純采用橢偏法很難實現高精度要求，尤其是對于超薄薄膜的表征時，橢偏法得到的結果誤差較大。另外一種薄膜測量的方法是表面等離子體共振法，其通過測量薄膜表面反射光的光強信息來得到薄膜的光學參數，這種方法利用共振效應對于超薄薄膜測量異常靈敏，但這種方法只能得到光的強度信息，并且需要測量光強的絕對值。技術實現要素：本發明提供一種提升橢偏儀測量超薄膜層精度的裝置和方法，基于表面等離子體共振和橢偏技術相結合，超薄膜層的精確表征裝置和方法，適用于超薄金屬薄膜和金屬薄膜上鍍制的超薄介質薄膜的厚度和光學常數的精確表征。通過在橢偏儀中引入Otto結構激發表面等離子體共振，實現對橢偏參數信息的放大，利用微米尺度光束測試分析表面等離子體共振誘導的橢偏參數隨入射波長、入射角度、空氣隙厚度的變化曲線，擬合橢偏參數曲線，獲得超薄膜層的厚度和光學常數。其特點在于裝置操作簡便，在線實時非接觸性測量，不會破壞待測樣品表面，且測量精度高。為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下：一種提升橢偏儀測量超薄膜層精度的裝置，包括直角三棱鏡、平凸球面透鏡、超薄膜層和玻璃基底，所述的直角三棱鏡的斜邊通過折射率匹配液與平凸球面透鏡的平面連接，該平凸球面透鏡的凸面的頂點與位于玻璃基底上的超薄膜層4點接觸，所述橢偏儀入射臂的光束垂直射入所述直角三棱鏡的一直角邊，并經該直角三棱鏡的另一直角邊垂直射出到橢偏儀出射臂。所述的直角三棱鏡為直角等腰三棱鏡。所述的平凸球面透鏡的凸面曲率為3000mm；所述的橢偏儀入射臂的光束尺寸為63μm×70μm。該裝置光路是：由橢偏儀入射臂出射的偏振光入射在直角三棱鏡上，該直角三棱鏡的斜邊通過折射率匹配液連接到平凸球面透鏡的平面，該平凸球面透鏡的凸面的頂點與位于玻璃基底上的超薄膜層點接觸，實現空氣隙厚度漸變，激發其下的超薄膜層產生表面等離子體共振，經薄膜表面的反射光由橢偏儀出射臂采集其橢偏信息并傳輸到計算機中進行處理。本發明的基本原理主要基于以下幾點：1.橢偏儀的測量原理：偏振光以一定的角度入射到待測樣品的表面，反射光或透射光的橢圓偏振度在此過程中會發生改變，即橢圓軸方位角和長短軸比有所改變，而偏振態的變化與待測樣品的光學參數密切相關，通過這些變化可以得到被測樣品的信息。因此，在已知入射光偏振態的情況下，通過測量橢圓偏振度的變化，計算得出兩個基本的橢偏參數(反射或透射光的振幅比Ψ和位相差Δ)。通過擬合橢偏參數曲線，反演計算得到待測樣品的厚度和光學常數。2.表面等離子體共振的原理：當光由光密介質入射到光疏介質，且入射角大于全反射臨界角時，在界面處將會發生光的全反射，同時會有部分光波滲入到光疏介質中，形成倏逝波。金屬表面的等離子體在外場的作用下，將會產生表面等離子體波，當在表面等離子體波傳播方向的入射光的波矢等于金屬表面等離子體波的波矢時，表面等離子體振蕩波吸收了倏逝波的能量，與入射光形成表面等離子體共振，使反射光的能量發生劇烈衰減。3.在橢偏儀中嵌入可激發表面等離子體共振的Otto結構，充分利用兩者優點，克服缺點，利用橢偏儀提取探測光的振幅和相位信息，利用Otto結構通過共振技術放大其振幅和相位信息，提升橢偏儀對超薄膜層厚度和光學常數的敏感度，從而提升測試精度。利用所述的提升橢偏儀測量超薄膜層精度的裝置，獲得超薄膜層厚度和光學常數的測量方法，該方法包括下列步驟：1)轉動橢偏儀的入射臂和出射臂至測試角度為45度，調整Otto結構使入射到直角三棱鏡直角面后的反射光線與入射光線重合；2)沿X軸方向移動Otto結構，使平凸球面透鏡的凸面與超薄膜層的接觸點相對探測光斑偏離1.0mm，設置橢偏儀入射角度測試范圍為40度到42度，每隔0.1度測量一次，入射波長測試范圍為600nm-1300nm，測試獲得此空氣隙厚度對應不同波長、不同入射角度的Ψ和Δ值；3)沿X軸方向移動Otto結構，使平凸球面透鏡的凸面與超薄膜層接觸點相對探測光斑偏離1.2mm、1.4mm、1.6mm，與步驟2)相同分別獲得不同波長、不同入射角度的Ψ和Δ值；4)擬合步驟2)、3)中Ψ、Δ值與空氣隙厚度、入射波長、入射角度的對應關系曲線，獲得超薄膜層的厚度和光學常數。本發明與在先技術相比較具有以下技術效果：(1)通過在橢偏儀中嵌入可激發表面等離子體共振的Otto結構，靈活利用橢偏技術和等離子體共振技術的優點，橢偏儀可提取振幅和相位信息，并且不需要測量絕對光強，Otto結構通過等離子體共振技術放大振幅和相位信息，從而提升超薄膜層厚度和光學常數的測試精度。(2)橢偏儀的探測光束為微米尺度光束，由于光束尺度很小，在計算過程中，可以認為光束輻照位置處各點的空氣隙厚度固定，從而確定空氣隙厚度，簡化求解過程。(3)利用振幅和相位變化信息，同時擬合橢偏參數隨入射波長、入射角度、空氣隙厚度的對應關系曲線，反演得到超薄膜層的厚度和光學常數，降低解的多重性并提升測試精度。附圖說明圖1是本發明提升橢偏儀測量超薄膜層精度的裝置的框圖。圖中：1-橢偏儀入射臂，2-直角三棱鏡，3-平凸球面透鏡，4-超薄膜層，5-玻璃基底，6-橢偏儀出射臂圖2是厚度約為8nm的金膜樣品Ψ隨入射波長變化曲線的擬合結果圖3是厚度約為8nm的金膜樣品Δ隨入射波長變化曲線的擬合結果具體實施方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1是本發明提升橢偏儀測量超薄膜層精度的裝置的框圖，由圖可見，本發明提升橢偏儀測量超薄膜層精度的裝置，包含橢偏儀入射臂1，沿此入射臂1的輸出方向依次是直角三棱鏡2、平凸球面透鏡3、超薄膜層4，玻璃基底5和橢偏儀出射臂6。激發表面等離子體共振的Otto結構由圖1中的2、3、4部分構成。該裝置光路是：由橢偏儀入射臂1出射的偏振光入射在直角三棱鏡2上，該直角三棱鏡2的斜邊通過折射率匹配液連接到平凸球面透鏡3的平面，該平凸球面透鏡3的凸面的頂點與位于玻璃基底5上的超薄膜層4點接觸，實現空氣隙厚度漸變，橢圓偏振光激發玻璃基底5上的超薄膜層4，產生表面等離子體共振，出射光的信息通過橢偏儀出射臂6采集。本發明采用一種結合表面等離子體共振和橢偏法的技術，利用橢偏儀中嵌入可激發表面等離子體共振的Otto結構，通過橢偏儀測量得到包含等離子體共振信息的橢偏參數(Ψ，Δ)的曲線，擬合橢偏參數曲線，從而實現對超薄膜層的厚度和光學常數的精確測量。提升橢偏儀測量超薄膜層精度的測試步驟如下：1)轉動橢偏儀的入射臂和出射臂至測試角度為45度，調整Otto結構使入射到直角三棱鏡2直角面后的反射光線與入射光線重合；2)沿X軸方向移動Otto結構，使平凸球面透鏡3的凸面與超薄膜層(4)的接觸點相對探測光斑偏離1.0mm。設置橢偏儀角度測試范圍為40度到42度，每隔0.1度測量一次，波長測試范圍為600nm-1300nm。測試獲得此空氣隙厚度對應不同波長、不同入射角度的Ψ和Δ值；3)沿X軸方向移動Otto結構，使平凸球面透鏡(3)的凸面與超薄膜層(4)接觸點相對探測光斑偏離1.2mm、1.4mm、1.6mm。與步驟2)相同分別獲得不同波長、不同入射角度的Ψ和Δ值；4)擬合步驟2)、3)中提取的Ψ、Δ值與空氣隙厚度、入射波長、入射角度的對應關系曲線，獲得超薄膜層的厚度和光學常數。光斑偏離距離、入射波長和入射角度的變化范圍如表1所示。厚度約為8nm的金膜樣品，其Ψ和Δ隨入射波長變化曲線的擬合結果分別如圖2、圖3所示。實驗表明，本發明具有裝置操作簡便，在線實時非接觸性測量，不會破壞待測樣品表面和測量精度高的特點。表1參數最小值最大值間隔光斑偏離距離1.0mm1.6mm0.2mm入射波長600nm1300nm1nm入射角度40°42°0.1°當前第1頁1 2 3