椭偏仪测量超薄膜层的精度提升方法和装置

摘要

一种提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置，包括直角三棱镜、平凸球面透镜、超薄膜层和玻璃基底。通过在椭偏仪中引入Otto结构激发表面等离子体共振，利用微米尺度光束测试分析椭偏参数随入射波长、入射角度、空气隙厚度的变化曲线，拟合椭偏参数曲线获得超薄膜层的厚度和光学常数。表面等离子体共振对膜层光学常数非常敏感，椭偏技术可以同时获得Ψ和Δ，两者相结合因此可以提升椭偏测试精度。

说明书

技术领域

本发明涉及椭偏仪测量，特别是一种提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置和方法。

背景技术

光学薄膜的厚度和光学常数将直接影响薄膜的力学、光学、电磁学等性质。精确测定超薄薄膜的厚度和光学常数，对于研究其光学、电磁学等性质尤为重要。因此，精确表征和控制薄膜的厚度和光学常数在薄膜的制备、分析和应用中起着关键的作用。

由于超薄薄膜的厚度很小，超薄薄膜的光学常数相对于体材料存在一定差异，而目前人们对超薄薄膜的认识还不够深入，很难对其进行标定，这些原因使得超薄薄膜的表征变得非常困难。

现有的光学薄膜检测技术中，主要是利用薄膜的结构参数对探测光的光学信息入射前后产生的变化检测光学薄膜的厚度和光学常数。比如光谱法、椭偏法、表面等离子体共振法等。

椭偏法是目前常用的一种测量薄膜厚度和光学常数的方法。椭偏法是以测量光的偏振态为基础的测量方法，测量薄膜表面反射光偏振态的变化。椭偏参数(Ψ，Δ满足r_p,r_s是p和s光的反射系数)与薄膜厚度、光学折射率、消光系数有着对应关系，由此反演得到薄膜的厚度和光学常数。椭偏法具有在线实时测量，测量速度快、测试精度高、对测量环境及样品要求低等优点，目前已经在薄膜厚度和光学常数测量中得到了广泛应用。

椭偏法是无损测量薄膜介电常数和表面性质的通用且强大的光学表 征方法，但是单纯采用椭偏法很难实现高精度要求，尤其是对于超薄薄膜的表征时，椭偏法得到的结果误差较大。

另外一种薄膜测量的方法是表面等离子体共振法，其通过测量薄膜表面反射光的光强信息来得到薄膜的光学参数，这种方法利用共振效应对于超薄薄膜测量异常灵敏，但这种方法只能得到光的强度信息，并且需要测量光强的绝对值。

发明内容

本发明提供一种提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置和方法，基于表面等离子体共振和椭偏技术相结合，超薄膜层的精确表征装置和方法，适用于超薄金属薄膜和金属薄膜上镀制的超薄介质薄膜的厚度和光学常数的精确表征。通过在椭偏仪中引入Otto结构激发表面等离子体共振，实现对椭偏参数信息的放大，利用微米尺度光束测试分析表面等离子体共振诱导的椭偏参数随入射波长、入射角度、空气隙厚度的变化曲线，拟合椭偏参数曲线，获得超薄膜层的厚度和光学常数。其特点在于装置操作简便，在线实时非接触性测量，不会破坏待测样品表面，且测量精度高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置，包括直角三棱镜、平凸球面透镜、超薄膜层和玻璃基底，所述的直角三棱镜的斜边通过折射率匹配液与平凸球面透镜的平面连接，该平凸球面透镜的凸面的顶点与位于玻璃基底上的超薄膜层4点接触，所述椭偏仪入射臂的光束垂直射入所述直角三棱镜的一直角边，并经该直角三棱镜的另一直角边垂直射出到椭偏仪出射臂。

所述的直角三棱镜为直角等腰三棱镜。

所述的平凸球面透镜的凸面曲率为3000mm；所述的椭偏仪入射臂的光束尺寸为63μm×70μm。

该装置光路是：由椭偏仪入射臂出射的偏振光入射在直角三棱镜上， 该直角三棱镜的斜边通过折射率匹配液连接到平凸球面透镜的平面，该平凸球面透镜的凸面的顶点与位于玻璃基底上的超薄膜层点接触，实现空气隙厚度渐变，激发其下的超薄膜层产生表面等离子体共振，经薄膜表面的反射光由椭偏仪出射臂采集其椭偏信息并传输到计算机中进行处理。

本发明的基本原理主要基于以下几点：

1.椭偏仪的测量原理：偏振光以一定的角度入射到待测样品的表面，反射光或透射光的椭圆偏振度在此过程中会发生改变，即椭圆轴方位角和长短轴比有所改变，而偏振态的变化与待测样品的光学参数密切相关，通过这些变化可以得到被测样品的信息。因此，在已知入射光偏振态的情况下，通过测量椭圆偏振度的变化，计算得出两个基本的椭偏参数(反射或透射光的振幅比Ψ和位相差Δ)。通过拟合椭偏参数曲线，反演计算得到待测样品的厚度和光学常数。

2.表面等离子体共振的原理：当光由光密介质入射到光疏介质，且入射角大于全反射临界角时，在界面处将会发生光的全反射，同时会有部分光波渗入到光疏介质中，形成倏逝波。金属表面的等离子体在外场的作用下，将会产生表面等离子体波，当在表面等离子体波传播方向的入射光的波矢等于金属表面等离子体波的波矢时，表面等离子体振荡波吸收了倏逝波的能量，与入射光形成表面等离子体共振，使反射光的能量发生剧烈衰减。

3.在椭偏仪中嵌入可激发表面等离子体共振的Otto结构，充分利用两者优点，克服缺点，利用椭偏仪提取探测光的振幅和相位信息，利用Otto结构通过共振技术放大其振幅和相位信息，提升椭偏仪对超薄膜层厚度和光学常数的敏感度，从而提升测试精度。

利用所述的提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置，获得超薄膜层厚度和光学常数的测量方法，该方法包括下列步骤：

1)转动椭偏仪的入射臂和出射臂至测试角度为45度，调整Otto结构使入射到直角三棱镜直角面后的反射光线与入射光线重合；

2)沿X轴方向移动Otto结构，使平凸球面透镜的凸面与超薄膜层的接触点相对探测光斑偏离1.0mm，设置椭偏仪入射角度测试范围为40度到42度，每隔0.1度测量一次，入射波长测试范围为600nm-1300nm，测试获得此空气隙厚度对应不同波长、不同入射角度的Ψ和Δ值；

3)沿X轴方向移动Otto结构，使平凸球面透镜的凸面与超薄膜层接触点相对探测光斑偏离1.2mm、1.4mm、1.6mm，与步骤2)相同分别获得不同波长、不同入射角度的Ψ和Δ值；

4)拟合步骤2)、3)中Ψ、Δ值与空气隙厚度、入射波长、入射角度的对应关系曲线，获得超薄膜层的厚度和光学常数。

本发明与在先技术相比较具有以下技术效果：

(1)通过在椭偏仪中嵌入可激发表面等离子体共振的Otto结构，灵活利用椭偏技术和等离子体共振技术的优点，椭偏仪可提取振幅和相位信息，并且不需要测量绝对光强，Otto结构通过等离子体共振技术放大振幅和相位信息，从而提升超薄膜层厚度和光学常数的测试精度。

(2)椭偏仪的探测光束为微米尺度光束，由于光束尺度很小，在计算过程中，可以认为光束辐照位置处各点的空气隙厚度固定，从而确定空气隙厚度，简化求解过程。

(3)利用振幅和相位变化信息，同时拟合椭偏参数随入射波长、入射角度、空气隙厚度的对应关系曲线，反演得到超薄膜层的厚度和光学常数，降低解的多重性并提升测试精度。

附图说明

图1是本发明提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置的框图。

图中：1-椭偏仪入射臂，2-直角三棱镜，3-平凸球面透镜，4-超薄膜层，5-玻璃基底，6-椭偏仪出射臂

图2是厚度约为8nm的金膜样品Ψ随入射波长变化曲线的拟合结果

图3是厚度约为8nm的金膜样品Δ随入射波长变化曲线的拟合结果

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置的框图，由图可见，本发明提升椭偏仪测量超薄膜层精度的装置，包含椭偏仪入射臂1，沿此入射臂1的输出方向依次是直角三棱镜2、平凸球面透镜3、超薄膜层4，玻璃基底5和椭偏仪出射臂6。

激发表面等离子体共振的Otto结构由图1中的2、3、4部分构成。

该装置光路是：由椭偏仪入射臂1出射的偏振光入射在直角三棱镜2上，该直角三棱镜2的斜边通过折射率匹配液连接到平凸球面透镜3的平面，该平凸球面透镜3的凸面的顶点与位于玻璃基底5上的超薄膜层4点接触，实现空气隙厚度渐变，椭圆偏振光激发玻璃基底5上的超薄膜层4，产生表面等离子体共振，出射光的信息通过椭偏仪出射臂6采集。

本发明采用一种结合表面等离子体共振和椭偏法的技术，利用椭偏仪中嵌入可激发表面等离子体共振的Otto结构，通过椭偏仪测量得到包含等离子体共振信息的椭偏参数(Ψ，Δ)的曲线，拟合椭偏参数曲线，从而实现对超薄膜层的厚度和光学常数的精确测量。

提升椭偏仪测量超薄膜层精度的测试步骤如下：

1)转动椭偏仪的入射臂和出射臂至测试角度为45度，调整Otto结构使入射到直角三棱镜2直角面后的反射光线与入射光线重合；

2)沿X轴方向移动Otto结构，使平凸球面透镜3的凸面与超薄膜层(4)的接触点相对探测光斑偏离1.0mm。设置椭偏仪角度测试范围为40度到42度，每隔0.1度测量一次，波长测试范围为600nm-1300nm。测试获得此空气隙厚度对应不同波长、不同入射角度的Ψ和Δ值；

3)沿X轴方向移动Otto结构，使平凸球面透镜(3)的凸面与超薄膜层(4)接触点相对探测光斑偏离1.2mm、1.4mm、1.6mm。与步骤2)相同分别获得不同波长、不同入射角度的Ψ和Δ值；

4)拟合步骤2)、3)中提取的Ψ、Δ值与空气隙厚度、入射波长、入射角度的对应关系曲线，获得超薄膜层的厚度和光学常数。

光斑偏离距离、入射波长和入射角度的变化范围如表1所示。厚度约为8nm的金膜样品，其Ψ和Δ随入射波长变化曲线的拟合结果分别如图2、图3所示。

实验表明，本发明具有装置操作简便，在线实时非接触性测量，不会破坏待测样品表面和测量精度高的特点。

表1

参数 最小值 最大值 间隔 光斑偏离距离 1.0mm 1.6mm 0.2mm 入射波长 600nm 1300nm 1nm 入射角度 40° 42° 0.1°