[發明專利]用于測量薄膜厚度的SHEL分裂位移測量方法

有效

• 申請號: 201710579817.2
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107246844B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 劉慶綱;秦自瑞;岳翀;郎垚璞;李洋
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 王顕

本發明公開了一種用于測量薄膜厚度的SHEL分裂位移測量方法，步驟一建立薄膜厚度對應的SHEL分裂位移隨入射角變化的理論曲線圖；步驟二選取一組入射角度，使入射光以某一初始角度入射到薄膜表面獲取經薄膜反射后的光束圖像并將圖像進行處理得到相應的SHEL分裂位移；步驟三依次改變入射角度得到SHEL分裂位移隨入射角度變化的測量曲線；步驟四比對步驟一所得SHEL分裂位移隨入射角度變化的理論曲線和步驟三所得測量曲線確定薄膜的厚度。本發明的有益效果是：本發明是利用SHEL的分裂位移與薄膜厚度的關系，實現了對金屬和非金屬所有材料薄膜厚度的非接觸、無損的高精度測量，且該測量系統結構簡單、便于操作。

技術領域

本發明涉及一種納米薄膜厚度的測量方法，特別涉及一種用于測量薄膜厚度的SHEL分裂位移測量方法。

背景技術

隨著薄膜技術在微電子、光電子、航空航天、生物工程、武器裝備、食品科學、醫療儀器和高分子材料等領域的廣泛應用，薄膜技術已成為當前科技研究和工業生產領域內的研究熱點，特別是薄膜技術的迅速發展，已經直接影響到科技的發展方向和人們的生活方式。而薄膜制造技術的不斷改進和迅速發展也對薄膜的各種參數提出了更高的要求，比如薄膜的厚度和折射率參數以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜設計和工藝制造中的關鍵參數之一，它對于薄膜的光學特性、力學特性和電磁特性等具有決定性的作用，因此能夠精準地檢測薄膜厚度已經成為一種至關重要的技術。例如中國專利申請號為201310137996.6，公開了一種用于測量納米級金屬薄膜厚度的SPR相位測量方法，由于SPR效應的局限性，此方法僅可以測量金屬薄膜，無法測量的非金屬薄膜，適用范圍不夠廣泛。

線偏振光是由兩束左、右旋圓偏振光組成。當一束線偏振光入射到空氣與棱鏡分界面時，由于介質的折射率不均勻分布，在反射或者折射時被分裂為兩束沿相反方向的圓偏振光，這種現象叫做光自旋霍爾效應(SpinHall Effect of Light，SHEL)。在關于SHEL的研究中發現，薄膜厚度會影響SHEL的分裂位移的大小，且SHEL在金屬薄膜表面和非金屬薄膜表面都存在，因此，本發明利用SHEL分裂位移這一特點，直接測量金屬或者非金屬薄膜的厚度，為測量薄膜厚度提供一種新思路。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠與被測物非接觸、無損傷的測量金屬和非金屬所有材料的薄膜厚度方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種用于測量薄膜厚度的SHEL分裂位移測量方法，步驟一：建立各材料薄膜膜層厚度對應的SHEL分裂位移隨入射角變化的理論曲線圖；步驟二：選取被測材料SHEL分裂效應的敏感入射角度，使線偏振入射光以任意一初始角度入射到鍍有待測薄膜的被測薄膜表面，光自旋霍爾效應，即SHEL導致反射光束中的左右旋分量產生分裂，用感光成像器件獲取反射光的反射圖像并進行處理得到相應的SHEL分裂位移，分裂位移為薄膜厚度和偏振光入射角的函數；步驟三：從初始角度依次改變入射角得到SHEL分裂位移隨入射角度變化的被測薄膜的測量曲線；步驟四：將步驟三所得被測薄膜的測量曲線比對步驟一所得SHEL分裂位移隨入射角度變化的理論曲線進行比對分析，確定納米薄膜的厚度。

反射光的左右旋分量的分裂位移與薄膜厚度d的關系為：

其中，

下標σ代表﹢、﹣，分別表示光束的左旋和右旋分量；γ為入射光的偏振角，即偏振方向與x_i軸之間的夾角；Re表示取實部；w₀表示入射到被測樣品表面的高斯光束的束腰；λ為入射光在傳播介質1中的波長，

式中