[發(fā)明專利]一種非旋轉(zhuǎn)式薄膜厚度及折射率測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010034057.9
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111207678B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雷兵;高超;劉建倉;雷雨
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01N21/21;G01N21/41
• 代理公司: 國防科技大學(xué)專利服務(wù)中心 43202
• 代理人: 王文惠

本發(fā)明屬于薄膜檢測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種非旋轉(zhuǎn)式薄膜厚度及折射率測量方法。本發(fā)明利用零級渦旋半波片將被樣品反射的光波轉(zhuǎn)化為矢量偏振光場，此矢量偏振光場被檢偏器檢偏后形成亮暗呈楔形分布的光強圖像，采集光強圖像并進行圖像處理得到亮區(qū)方位角以及亮暗對比度，進一步計算出橢偏參數(shù)，利用橢偏參數(shù)即可反解出薄膜樣品的厚度與折射率。該方法操作簡單便捷、測量光路中無光學(xué)部件的旋轉(zhuǎn)運動，光路穩(wěn)定性好、測量精度高、速度快，且測量結(jié)果對光源的功率和波長變化不敏感。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于薄膜檢測技術(shù)領(lǐng)域，進一步是涉及一種利用矢量偏振光場調(diào)制及數(shù)字圖像處理技術(shù)實現(xiàn)介質(zhì)薄膜厚度和折射率測量的橢偏測量術(shù)。

背景技術(shù)

隨著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，涉及計算機(集成電路)、能源(光伏太陽能電池)、生物醫(yī)療(生物薄膜)等多個方面。薄膜的很多物理特性(如反射率和透射率、消光系數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、薄膜介質(zhì)的電特性等)都與薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)有關(guān)，因此快速精確地測量出薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)在薄膜的制備、分析與應(yīng)用中是十分重要的。相比于掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡等薄膜檢測技術(shù)，橢偏測量術(shù)表現(xiàn)出來的速度快、精度高、可以同時測得薄膜厚度和折射率等多種參量、樣品非破壞性等優(yōu)點使其備受科研工作者的關(guān)注。

按照是否消光，基于橢圓偏振測量術(shù)的儀器(橢偏儀)可分為兩大類：消光式橢偏儀和光度式橢偏儀。經(jīng)典的消光式橢偏儀由光源、起偏器、補償器(或波片)、檢偏器和探測器五部分組成，其在操作過程中需要交替旋轉(zhuǎn)起偏器與檢偏器來尋找消光位置，通過消光位置處起偏器與檢偏器的方位角來確定橢偏參數(shù)。早期的消光式橢偏儀需要手動旋轉(zhuǎn)、人工讀數(shù)，整個過程耗時較長，而且消光位置的搜尋對于光源功率的穩(wěn)定要求較高，雖然現(xiàn)在已經(jīng)可以實現(xiàn)消光式橢偏儀測量及讀數(shù)過程的自動化，縮短了測量時間，但這同時也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性且仍然無法克服對光源功率穩(wěn)定性要求高的缺點。光度式橢偏儀如旋轉(zhuǎn)起偏器型橢偏儀(RPE)、旋轉(zhuǎn)檢偏器型橢偏儀(RAE)、旋轉(zhuǎn)補償器型橢偏儀(RCE)等在測量時需要按照一定頻率旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的光學(xué)元件，并對探測器接收到的光強信號進行傅里葉分析，解算出傅里葉系數(shù)，進一步求解出橢偏參數(shù)。光度式橢偏儀不再像消光式橢偏儀那樣需要確定起偏器或檢偏器的方位角，故耗時較少，但其需要旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字信號處理系統(tǒng)，測量裝置較為復(fù)雜，此外因其要對光強信號進行連續(xù)檢測，所以對光電探測器的靈敏度、線性度、響應(yīng)時間、偏振無關(guān)性(響應(yīng)程度不受光波偏振狀態(tài)的影響)等方面要求較高。

綜上分析，有必要研究一種能夠克服現(xiàn)有橢偏測量方法復(fù)雜、對光源功率穩(wěn)定性和探測器性能要求高、解算過程繁雜等問題，實現(xiàn)薄膜參數(shù)高精度檢測的橢偏測量方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對以上不足，提供一種非旋轉(zhuǎn)式薄膜厚度及折射率測量方法。本發(fā)明操作簡單便捷、測量精度高、測量結(jié)果對光源功率和波長變化不敏感。

本發(fā)明所提供的一種非旋轉(zhuǎn)式薄膜厚度及折射率測量方法，技術(shù)方案是：激光光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經(jīng)待測薄膜反射后一般變?yōu)闄E圓偏振光，橢圓偏振光經(jīng)擴束系統(tǒng)擴束后被零級渦旋半波片轉(zhuǎn)化為矢量偏振光場，此矢量偏振光場再經(jīng)檢偏器檢偏后形成了亮暗呈楔形分布的光強圖像，光強圖像被相機采集并被送入計算機進行圖像處理。

本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)方案為：

一種非旋轉(zhuǎn)式薄膜厚度及折射率測量方法，包括如下步驟：

第一步，將起偏器的方位角設(shè)置為45°，計算入射光P、S分量的振幅比與相位差；

入射光P分量與S分量的振幅分別為A_iP、A_iS，P分量與S分量振幅比為τ_i，τ_i的反正切值為Ψ_i，入射光P分量與S分量相位分別為δ_iP、δ_iS，P分量與S分量的相位差為δ_i，將起偏角設(shè)置為45°，計算出入射光的振幅比與相位差分別為：