一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法技术

本发明专利技术属于光学领域，涉及一种纳米级薄膜厚度的测量方法，特别是指一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法。步骤如下：建立不同材料、各薄膜厚度下，PSHE分裂位移随入射偏振态变化的理论数据库；选取一组入射偏振，使入射光以某一初始入射偏振入射到被测薄膜表面，并获取此入射偏振下的自旋分裂位移；依次改变入射光的偏振角度，得到自旋分裂位移随入射偏振角变化的测量数据；将所得测量数据与各薄膜厚度下的理论数据进行计算和比对，确定被测薄膜的厚度。本发明专利技术利用不同入射偏振下的PSHE的自旋分裂位移与薄膜厚度的依赖关系，实现对金属和非金属材料薄膜厚度的非接触、无损的高精度测量，该测量系统结构简单、便于操作。

A Method for Measuring the Thickness of Nano-scale Thin Films by Photon Spin Hall Effect

【技术实现步骤摘要】
一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法
本专利技术属于光学领域，涉及一种纳米级薄膜厚度的测量方法，特别是指一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法。
技术介绍
随着薄膜技术在微电子、光电子、航空航天、生物工程、武器装备、食品科学、医疗仪器和高分子材料等领域的广泛应用，薄膜技术已成为当前科技研究和工业生产领域内的研究热点，特别是薄膜技术的迅速发展，已经直接影响到科技的发展方向和人们的生活方式。而薄膜制造技术的不断改进和迅速发展也对薄膜的各种参数提出了更高的要求，比如薄膜的厚度和折射率参数以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜设计和工艺制造中的关键参数之一，它对于薄膜的光学特性、力学特性和电磁特性等具有决定性的作用，因此能够精准地检测薄膜厚度已经成为一种至关重要的技术。例如中国专利申请号为201310137996.6，公开了一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，由于SPR效应的局限性，此方法仅可以测量金属薄膜，无法测量非金属薄膜，适用范围不够广泛。中国专利申请号为201710579817.2公开了一种用于测量薄膜厚度的SHEL分裂位移测量方法，该方法可以测量金属和非金属薄膜，在其厚度的测量过程中，需要测量一组不同入射角下的分裂位移。该方法是在入射光的偏振态固定的情况下，通过测量不同入射角下的反射光束的自旋分裂位移，来确定被测薄膜的厚度。该方法是测量反射光束在图像记录单元处的重心位置而获取分裂位移的数值，然后根据所测自旋分裂位移，经相应计算获得被测薄膜厚度。仔细阅读该专利技术书内容可知，在入射角度变动的过程中，反射光束是会随之转动的，即，即使在未发生自旋分裂位移的情况下，光束相对于大地坐标系也是要发生转动的。在此测量方法中，如果转台的精度低，或者系统的装配精度低，很难保证在未发生PSHE时，反射光束在图像处理单元处的光斑位置恒定。如果此时光斑位置发生移动，该移动量会直接叠加到所测量的自旋分裂位移中，造成测量误差，进而引起测量精度的下降。在此专利技术中，如果想要保证在入射角变化过程中(假设PSHE未发生的情况下)，反射光束在图像处理单元处的光斑位置恒定，则需要选用高精度的转台，严格保证装配的精度，以及保证测量环境的震动等等因素，这势必会引起测量系统成本的增加，因此该专利技术方法不易进行大规模推广应用。光子自旋霍尔效应(PhotonicSpinHallEffect,PSHE)，是指当一束偏振光在界面处发生反射/折射时，其反射/折射光束的左旋和右旋分量会在垂直于折射梯度的方向上发生分裂的现象。PSHE中自旋分裂位移的大小不仅与反射/折射界面的属性(比如厚度和折射率)相关，也与入射光束的偏振态有关。即改变入射光的偏振态，PSHE的自旋分裂位移也会发生改变，且不同薄膜厚度下的自旋分裂位移随入射光偏振态的变化也是不同。基于PSHE的此特点，本专利技术提出了一种新的非接触、无损测量纳米级薄膜厚度的新方法。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法，包括以下步骤：(1)根据PSHE模型，建立与各入射角和薄膜膜层厚度所对应的入射光偏振态的自旋分裂位移的理论数据库；例如；入射角为θi，材料种类为m，厚度为di时，选取一组入射偏振γ，假设一组有n个入射偏振态，因每个入射偏振γi都对应有一个分裂位移δi，则可以获得此条件下(即，入射角为θi，材料种类为m，厚度为di时)的一组理论数据[γi,δi]，i＝1,2,3,…,n；改变各参数(入射角θi、材料种类m、厚度di)条件，则可获得各参数条件下的理论数据组[γi,δi]，这些数据组便构成了薄膜厚度测量对应的理论数据库[γ,δ]。(2)将入射光以某一入射角和某一初始入射光偏振态入射至被测材料，因光的自旋角动量和轨道角动量的相互作用以及角动量守恒，反射/折射光束中的左旋和右旋分量会发生分裂；利用测量PSHE自旋分裂位移的方法，获得此入射光偏振状态下的的自旋分裂位移；(3)参照步骤(2)的方法依次改变入射光偏振态，获得不同入射光偏振态时的自旋分裂位移数据组；(4)将步骤(3)所获得的自旋分裂位移数据组与步骤(1)所得的理论数据库进行分析和计算，确定薄膜的厚度。所述步骤(1)中PSHE模型为：其中，θ表示入射光的入射角度；ap＝cos(γ)，as＝sin(γ)，γ为入射光的偏振角；Rp和Rs分别表示p光分量和s光分量的反射系数rp和rs的模值；φp和φs分别表示p光分量和s光分量的反射系数的相位；A∈{p,s}，Re表示取复数的实部，Im表示取复数的虚部；w0表示入射到被测样品表面的高斯光束的束腰；λ为入射光在传播介质1中的波长；ε1和ε3分别代表第一层和第三层介质(基底)的相对介电常数；d和ε2为薄膜层的厚度和相对介电常数；反射系数rp和rs由菲涅尔方程得到：r12为第一层介质和薄膜层交界面的反射系数，r23为薄膜层和第三层介质交界面的反射系数，r12和r23均通过菲涅尔方程计算得到。所述步骤(1)中各入射角为0-90°中的任一角度，入射光偏振态为线偏振或椭圆偏振态，入射光为任意波长的入射光。所述步骤(1)中自旋分裂位移为，反射/折射光束的左旋分量的自旋分裂位移或反射/折射光束的右旋分量的自旋分裂位移。所述步骤(2)中测量PSHE自旋分裂位移的方法所述步骤(4)中分析和计算的方法为计算理论数据和测量数据的残差平方和最小时所对应的厚度值或通过将被测材料的自旋分裂位与理论数据的曲线图比对确定。所述方法对薄膜厚度的测量分辨力和精度优于1nm。所述薄膜为任意材质膜，包括金属膜和非金属膜。所述薄膜为单层或多层结构。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用不同入射偏振下的PSHE的自旋分裂位移与薄膜厚度的存在依赖关系，实现了对金属和非金属所有材料薄膜厚度的非接触、无损的高精度测量，且该测量系统结构简单、便于操作。与现有技术相比本申请的测量方法对仪器要求条件低，更适合大规模应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术中PSHE在被测样品表面的示意图。图2为本专利技术Au膜厚度为0-35nm时对应的反射光左旋分量的自旋分裂位移随入射角度变化的曲线图。图3为本专利技术Cr2O3膜厚度为0-20nm时对应的反射光左旋分量的自旋分裂位移随入射角度变化的曲线图。图4为本专利技术Cr2O3膜厚度为21-73nm时对应的反射光左旋分量的自旋分裂位移随入射角度变化的曲线图。图5为本专利技术Cr2O3膜厚度为34-50nm时对应的反射光左旋分量的自旋分裂位移随入射角度变化的曲线图。图6为本专利技术Cr2O3膜厚度为51-800nm时对应的反射光左旋分量的自旋分裂位移随入射角度变化的曲线图。图7为本专利技术Cr2O3膜厚度为81-100nm时对应的反射光左旋分量的自旋分裂位移随入射角度变化的曲线图。图8为本专利技术Cr2O3膜厚度为101-120nm时对应的反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据PSHE模型，建立与各入射角和薄膜膜层厚度所对应的入射光偏振态的自旋分裂位移的理论数据库；(2)将入射光以某一入射角和某一初始入射光偏振态入射至被测材料，利用测量PSHE自旋分裂位移的方法，获得此入射光偏振状态下的的自旋分裂位移；(3)参照步骤(2)的方法依次改变入射光偏振态，获得不同入射光偏振态时的自旋分裂位移数据组；(4)将步骤(3)所获得的自旋分裂位移数据组与步骤(1)所得的理论数据库进行分析和计算，确定薄膜的厚度。

【技术特征摘要】
1.一种利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据PSHE模型，建立与各入射角和薄膜膜层厚度所对应的入射光偏振态的自旋分裂位移的理论数据库；(2)将入射光以某一入射角和某一初始入射光偏振态入射至被测材料，利用测量PSHE自旋分裂位移的方法，获得此入射光偏振状态下的的自旋分裂位移；(3)参照步骤(2)的方法依次改变入射光偏振态，获得不同入射光偏振态时的自旋分裂位移数据组；(4)将步骤(3)所获得的自旋分裂位移数据组与步骤(1)所得的理论数据库进行分析和计算，确定薄膜的厚度。2.根据权利要求1所述的利用光子自旋霍尔效应测量纳米级薄膜厚度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中PSHE模型为：其中，θ表示入射光的入射角度；ap＝cos(γ)，as＝sin(γ)，γ为入射光的偏振角；Rp和Rs分别表示p光分量和s光分量的反射系数rp和rs的模值；φp和φs分别表示p光分量和s光分量的反射系数的相位；A∈{p,s}，Re表示取复数的实部，Im表示取复数的虚部；w0表示入射到被测样品表面的高斯光束的束腰；λ为入射光在传播介质1中的波长；ε1和ε3分别代表第一层和第三层介质(基底)的相对介电常数；d和ε2为薄膜层的厚度和相对介电常数；反射系数rp和rs由菲涅尔方程得...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦自瑞，姜利英，任林娇，张培，姜素霞，张吉涛，王延峰，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41