[發(fā)明專利]一種薄膜生長(zhǎng)中原位弱吸收光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)方法

無(wú)效

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• 申請(qǐng)日: 2010-05-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101846499A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陸衛(wèi);王少偉;俞立明;崔寶雙;王曉芳;陳效雙;郭少令
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所;阿旺賽鍍膜技術(shù)(上海)有限公司;上海宇豪光電技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01B11/06
• 分類號(hào): G01B11/06
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)薄膜檢測(cè)技術(shù)，具體是指一種薄膜生長(zhǎng)中原位弱吸收光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)方法。

技術(shù)背景

薄膜在光電子元器件、集成光學(xué)、電子技術(shù)、紅外技術(shù)、激光技術(shù)及航天技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度是其基本性質(zhì)，對(duì)光學(xué)器件的設(shè)計(jì)、功能的實(shí)現(xiàn)及控制至關(guān)重要，因此，對(duì)薄膜的光學(xué)常數(shù)及厚度的標(biāo)定、測(cè)量和控制具有非常重要的意義，尤其是在光學(xué)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的原位檢測(cè)對(duì)于提升多層功能光學(xué)薄膜的成品率十分重要。

測(cè)量薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)的常用方法主要有【1】：光度法、橢圓偏振法、阿貝法、等厚干涉法、棱鏡耦合法、輪廓法等。其中有的方法只能用來(lái)測(cè)量薄膜的厚度，如等厚干涉法、輪廓法；有的方法只能用來(lái)測(cè)量薄膜的光學(xué)常數(shù)，如阿貝法。在眾多測(cè)量方法中，光度法、橢圓偏振測(cè)量法、棱鏡耦合法等均可同時(shí)測(cè)量薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)。

橢偏法的原理【2】是，利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射時(shí)出現(xiàn)的偏振轉(zhuǎn)換，其橢偏參數(shù)與薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度有關(guān)。用一束入射光照射待測(cè)薄膜表面，通過(guò)檢測(cè)和分析入射光和反射光的偏振狀態(tài)，從而求得薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)。它具有高靈敏度、高精度、重復(fù)性好等突出優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣、可測(cè)超薄薄膜、可測(cè)薄膜的偏振特性、色散特性和各向異性。但它不僅需要建立比較復(fù)雜的測(cè)試設(shè)備，而且數(shù)據(jù)處理也很復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

棱鏡耦合法原理【2】是，光波在薄膜中穩(wěn)定傳播的條件是滿足導(dǎo)波的色散方程。在薄膜樣品表面放置一塊耦合棱鏡，將入射光導(dǎo)入被測(cè)薄膜，檢測(cè)和分析不同入射角的反射光，確定波導(dǎo)膜耦合角，從而求得薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)。它可以準(zhǔn)確的測(cè)量薄膜的厚度和折射率。但該方法也需要建立比較復(fù)雜的測(cè)試設(shè)備，其精度受諸多因素的影響，并且要求薄膜具備相當(dāng)高的光學(xué)質(zhì)量。因此限制了該方法的應(yīng)用。同樣該方法難以在光學(xué)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行原位檢測(cè)。

光度法以光的干涉理論為基礎(chǔ)【3】。根據(jù)空氣-薄膜、薄膜-基底界面上光束的透、反射會(huì)引起多光束干涉效應(yīng)，具有不同特性的薄膜有著不同的光譜透、反射率，且在全光譜范圍內(nèi)和薄膜的厚度有著唯一對(duì)應(yīng)得關(guān)系。因此可以通過(guò)測(cè)量薄膜的光譜特性來(lái)計(jì)算薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)。它的測(cè)量范圍廣、精度高、測(cè)試簡(jiǎn)單、測(cè)量條件非苛刻性、非接觸性、可同時(shí)確定薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度、易于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和監(jiān)控。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是光學(xué)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的原位檢測(cè)上多采用光度法。但此方法要求薄膜的厚度大于3、4個(gè)波長(zhǎng)厚度，難以檢測(cè)厚度小于3-4個(gè)波長(zhǎng)的薄膜，而常規(guī)的可見(jiàn)光波段其波長(zhǎng)已經(jīng)是百納米量級(jí)，為此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)幾個(gè)納米厚度薄膜的準(zhǔn)確檢測(cè)。為此對(duì)于能夠適用于光學(xué)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行幾個(gè)納米厚度薄膜原位檢測(cè)的技術(shù)都是非常有意義的，也是鍍膜行業(yè)急需的技術(shù)。

上述背景技術(shù)中所引用的文獻(xiàn)為：

【1】唐晉發(fā)，顧培夫，劉旭，現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)，浙江大學(xué)出版社，2006。

【2】黃佐華，何振江，測(cè)量薄膜厚度及其折射率的光學(xué)方法，現(xiàn)代科學(xué)儀器，2003??4。

【3】陳燕平，余飛鴻，薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)的主要測(cè)試方法，光學(xué)儀器，1005-5630(2006)06-0084-05。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服光度法的原理限制和無(wú)法逾越的困難，本發(fā)明提出一種新的方法，使其能夠用于檢測(cè)納米薄膜的厚度。該方法既能保持傳統(tǒng)光度法的所有優(yōu)勢(shì)，還可以準(zhǔn)確測(cè)量納米薄膜的厚度。同樣地，只需測(cè)量薄膜的透射譜或反射譜，就可以快速擬合出薄膜的厚度，非常簡(jiǎn)便、快捷，特別適用于在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。尤其是對(duì)于弱吸收材料超薄膜的厚度，本發(fā)明方法可以克服傳統(tǒng)方法測(cè)量的困難。

本發(fā)明的基本原理是：制備一個(gè)參考樣品與鍍膜樣品一起鍍膜，參考樣品是在襯底1上鍍制一層足以引起干涉的打底膜2，再在其上鍍制待測(cè)薄膜3，通過(guò)鍍制待測(cè)薄膜3前后透(反)射譜的變化，即可快速擬合出待測(cè)薄膜3的厚度。該樣品放置在待鍍膜的襯底旁邊，在鍍膜時(shí)具有與待鍍膜襯底完全相同的鍍膜狀態(tài)，為此該參考樣品上鍍的膜厚與待鍍樣品上鍍的膜厚是完全相同的。為此將待鍍樣品上所鍍膜厚的測(cè)量轉(zhuǎn)變成了參考樣品上所鍍膜厚的測(cè)量問(wèn)題。為此本發(fā)明重點(diǎn)就是提供參考樣品上幾個(gè)納米厚度薄膜的測(cè)定途徑。

本發(fā)明的方法為：首先，在襯底1上鍍制一層足以引起干涉的打底膜2，將其作為襯底，如圖1(a)，測(cè)量其透射譜或反射譜；再在其上鍍制一層待測(cè)厚度的薄膜3，如圖1(b)。由于打底膜2的厚度已經(jīng)能使其透(反)射譜形成干涉，新鍍上去的待測(cè)薄膜3即使很薄，也會(huì)引起透(反)射譜干涉的變化，由鍍制待測(cè)薄膜3前后透(反)射譜干涉的變化就可以很容易地準(zhǔn)確求出待測(cè)薄膜3的厚度。