一種基于全內(nèi)反射偏振位相差測量來監(jiān)控薄膜生長的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于全內(nèi)反射偏振位相差測量來監(jiān)控薄膜生長的方法，屬于薄膜生長光學(xué)監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明以入射光的偏振位相差變化為測量目標，反映了薄膜生長過程中光學(xué)特性的變化，建立光信號與膜層厚度的對應(yīng)關(guān)系，完成薄膜生長的監(jiān)控。根據(jù)膜系設(shè)計參數(shù)進行理論計算，并作出預(yù)期的全內(nèi)反射偏振位相差隨薄膜生長的變化曲線，通過實際光學(xué)監(jiān)控信號值來判斷薄膜生長厚度，完成膜層生長后，通過光譜掃描獲取偏振位相差在光譜范圍內(nèi)的分布，擬合獲得精確的實際膜層折射率和厚度,從而修正膜系設(shè)計參數(shù)，并進行不同膜層間的厚度補償。本發(fā)明具有膜層折射率及厚度監(jiān)控靈敏、測量速度快的優(yōu)點。
【專利說明】一種基于全內(nèi)反射偏振位相差測量來監(jiān)控薄膜生長的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及薄膜生長光學(xué)監(jiān)控技術(shù)，具體涉及一種基于全內(nèi)反射偏振位相差測量來監(jiān)控薄膜生長的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)薄膜生長的光學(xué)特性的好壞取決于對生長的膜層折射率及厚度參數(shù)的精確掌握和控制。光學(xué)監(jiān)控方法可以同時獲取膜層的折射率及厚度生長信息，被認為是光學(xué)薄膜生長監(jiān)控中最有效的方法之一。傳統(tǒng)光學(xué)監(jiān)控采用的監(jiān)控信號是生長薄膜的透射率或反射率，其監(jiān)控原理在于薄膜的透射率或反射率隨著膜層厚度變化而變化，當膜層厚度為規(guī)整厚度，則監(jiān)控信號出現(xiàn)一個極值。但隨著光學(xué)薄膜技術(shù)的發(fā)展，很多高端精密的光學(xué)薄膜元件的膜系通常為非規(guī)整膜系，甚至包含10~20nm的超薄膜層。在超薄膜層生長情況下，傳統(tǒng)光學(xué)監(jiān)控信號隨厚度變化的量不大，導(dǎo)致膜層厚度控制效率低。對膜層的折射率及厚度測量，特別是較薄膜層的情況，相較于透射率/反射率測量，橢偏測量的膜層折射率及厚度的測量精度更高，這主要由于薄膜偏振特性相較于透射率/反射率對膜層折射率及厚度更為敏感，其中以偏振位相差最為敏感。然而，傳統(tǒng)橢偏測量中，橢偏參數(shù)Ψ和△均為未知量，一次測量需要旋轉(zhuǎn)起偏器、檢偏器等偏振元件，測量時間較長，不利于實時監(jiān)控應(yīng)用。因此提高橢偏測量速度，有助于擴展橢偏測量在光學(xué)薄膜生長監(jiān)控的應(yīng)用，具有實用價值。本發(fā)明基于橢偏測量的基本原理，采用全內(nèi)反射測量方式，可以快速獲取偏振位相差信號，將其應(yīng)用到薄膜生長光學(xué)監(jiān)控中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提出了一種基于全內(nèi)反射偏振位相差測量來監(jiān)控薄膜生長的方法，這樣可以利用偏振位相差對薄膜厚度敏感的特性，提高薄膜生長的監(jiān)控效率。
[0004]本發(fā)明提出的方法包括了快速測量全內(nèi)反射偏振位相差的方法，通過偏振位相差反演薄膜生長厚度的方法以及在薄膜生長過程中監(jiān)控薄膜生長的實施步驟。
[0005]所述快速測量全內(nèi)反射偏振位相差的方法是基于瓊斯矩陣描述的偏振測量系統(tǒng)，其測量原理圖如圖1所不。坐標系為右手直角坐標系，Z軸方向為光線傳輸方向，X軸為P分量正方向，Y軸為s分量正方向。P、A分別為起偏器和檢偏器的偏振角。光源系統(tǒng)I發(fā)出的準直入射光束2經(jīng)由起偏器3起偏，成為線偏振光，垂直進入透明的等腰棱鏡基底4，以入射角Θ ^在基底薄膜生長面5上發(fā)生了全內(nèi)反射，反射的光經(jīng)由檢偏器6檢偏，進入探測器
7,從而獲得偏振方向A上的偏振光分量強度。
[0006]所述全內(nèi)反射偏振位相差快速測量流程為:首先，設(shè)定起偏角度P恒為45°，分別設(shè)定檢偏角度A為45°和-45°，進行測量，獲得兩個光強值，將兩個光強值相加，得到入射光的有效總光強Itl;其次，設(shè)定檢偏角度A為45°或-45°，實時采集光強值I，此時樣品的全內(nèi)反射偏振位相差Λ與光強Ici和I的關(guān)系為:
[0007]cos Δ = 2Ι/Ι0-1 (Α = 45。)或 cos Δ = 1-21/1。(A =-45。) (I)[0008]經(jīng)由公式⑴可以計算得到全內(nèi)反射偏振位相差。
[0009]對于基底未生長薄膜的情況，全內(nèi)反射偏振位相差直接反映了基底的折射率信息。其反演公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于全內(nèi)反射偏振位相差測量來監(jiān)控薄膜生長的方法，其特征在于包括以下步驟: 1).根據(jù)膜層設(shè)計參數(shù)進行薄膜特征矩陣的理論計算，獲取入射光以大于全內(nèi)反射角θc。的入射角度θo在透明基底內(nèi)部的薄膜生長面發(fā)生全內(nèi)反射后的偏振位相差Λ隨著膜層生長厚度的變化曲線； 2).采集監(jiān)控單色光的總光強，實施薄膜生長，即時采集監(jiān)控單色光在特定起偏器角度和檢偏器角度的光強信號，計算出對應(yīng)的偏振位相差△，繪制偏振位相差△或其等同信號隨薄膜生長的實際變化曲線； 3).如監(jiān)控過程中出現(xiàn)的偏振位相差Δ極值，則計算以獲取膜層的實際折射率，修正膜層折射率及厚度； 4).持續(xù)進行薄膜生長，直到偏振位相差信號到達預(yù)期值，完成當前膜層生長； 5).掃描光譜強度，獲取光譜范圍內(nèi)的偏振位相差分布，采用薄膜分析軟件擬合獲取當前膜層的實際折射率及厚度，修正下一膜層的厚度設(shè)計，并進行下一膜層的生長，重復(fù)步驟1)至步驟4)，直到完成所有膜層生長監(jiān)控。
【文檔編號】G01N21/41GK103674892SQ201310590551
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】蔡清元, 劉定權(quán), 羅海瀚, 鄭玉祥, 陳剛, 張冬旭, 胡二濤 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所