[發明專利]一種基于橢偏儀的薄膜溫度測量方法

有效

• 申請號: 201110354870.5
• 申請日: 2011-11-10
• 公開（公告）號: CN102507040A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 張榮君;鄭玉祥;陳良堯;張帆;林崴;耿陽;盧紅亮
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于溫度測量技術領域，具體涉及一種利用橢偏儀測量薄膜溫度的方法。

背景技術

精確測量薄膜的溫度是研究薄膜材料的重要技術。例如：在分子束外延、化學氣相沉積、離子刻蝕、快速熱處理和濺射等薄膜工藝過程中，襯底溫度的測量對薄膜品質的控制尤為重要。傳統的測溫方式主要有：熱電偶傳感器測量，熱電阻傳感器測量等。但二者最大的缺點是對薄膜的接觸和破壞，而且不利于薄膜快速、平穩生長中的局部溫度控制。^[[i]]目前，光熱技術、干涉溫度測量技術和熱反射率技術可以非接觸地測量薄膜襯底溫度和表征薄膜的光學和熱物理性質。這些光學技術具有非接觸和遠距離傳感的優勢，且具有較高的空間和時間分辨率。^[[ii]]典型的高溫測溫計和紅外體溫計已經廣泛的應用于生產生活中。這兩種測溫計是利用被測物體在不同溫度下所輻射出的能量不同而得到物體的固有溫度。但它們測量的是物體的實時溫度，對于物體的非實時溫度則顯得無能為力。

發明內容

本發明的目的在于提供一種既能測量實時溫度，又能測量非實時溫度的薄膜溫度測量方法。

本發明利用光學技術的快速、非接觸和非破壞性的特點，考慮到薄膜的折射率譜與其溫度有密不可分的關系（溫度會影響薄膜的致密程度等），提出一種基于橢偏儀的薄膜溫度的非直接測量方法。該方法主要利用橢偏儀測量被測薄膜的折射率譜線與標準折射率譜線，將兩者比較，采用最小二乘法得到最佳匹配曲線，從而根據標準譜線所對應的溫度值得到被測薄膜的溫度值，具體測量步驟如下：?

（1）首先，利用反射式橢偏儀測量幾組不同溫度下薄膜的折射率譜線，作為該薄膜的標準折射率譜N_T?(λ)；

（2）然后，利用反射式橢偏儀測量在相同實驗條件下溫度未知的某一被測薄膜的折射率譜線N_x(λ)；

（3）采用最小二乘法，計算被測薄膜的折射率譜線N_x?(λ)與每組標準折射率譜線N_T?(λ)的對應各波長點的折射率差值平方，并分別求和，得到一組方差????????????????????????????????????????????????:

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（4）比較這一組方差的大小，數值最小的方差所對應的標準折射率譜線就是被測薄膜的最佳匹配譜線，從而該標準譜線所對應的溫度就是被測薄膜的溫度。

本發明方法的基本原理如下：圖1為典型反射式橢偏儀工作原理示意圖：^[[iii],[iv]]一束已知偏振態的信號光入射到薄膜樣品表面，光束與樣品發生作用，使出射光的偏振態發生變化（一般由線偏振態變為橢圓偏振態）。因光的偏振態變化與樣品的厚度、折射率等參量有關，通過測量偏振態的變化，即可反演獲得樣品光學性質參量。橢偏儀的反射光波對影響薄膜光學常數的物理特性和物理過程十分敏感。利用橢偏儀，我們就可以測量不同實驗條件下薄膜的折射率譜。^[[v]]因為溫度可以影響薄膜中電子和聲子的能量，從而影響光子與電子或聲子的相互作用，宏觀上表現為折射率的變化。即薄膜在不同溫度條件下，其折射率譜會有區別。^[[vi]]因此，我們就得到一種薄膜溫度的非直接測量方法，即通過橢偏儀測量薄膜的折射率譜，然后將其與標準溫度-折射率譜比較，采用最小二乘法擬合實驗折射率n曲線，從而反演出被測薄膜的溫度。

本發明方法具有快速、非接觸和非破壞的特點，不僅可以測量薄膜的實時溫度，而且可以測量薄膜的生長溫度（及非實時溫度）。當標準折射率譜比較精確時，該方法具有較高的置信度；當測量標準折射率譜時所取的不同溫度的溫度差較小時（例如為20^?oC-50^?oC），該方法具有較高的測量精度。特別是在完全相同的實驗條件下生長同一材料薄膜，該方法體現了較大的優勢。?

附圖說明

圖1為典型反射式橢偏儀工作原理示意圖。

圖2為不同溫度下生長ZnO薄膜的折射率隨波長的變化曲線。

圖3為不同溫度條件下ZnO薄膜的折射率n隨波長λ的變化曲線。

圖4為不同溫度下樣品的折射率n值。

圖中標號：1為光源，2為起偏器，3為樣品，4為檢偏器，5為探測器。θ為信號光入射角。

具體實施方式