薄膜厚度测量装置及方法制造方法及图纸

本申请提供一种薄膜厚度测量装置，包括样品台，薄膜厚度测量装置还包括：发射端，发射端用于向样品台上的样品发射入射光，入射光由四个波长不同的激光汇合形成，并且，发射端可以将入射光调节为线偏振光；接收端，接收端用于接收样品反射形成的出射光，接收端包括检偏组件和探测组件，通过调节检偏组件，实现对不同方位角下出射光强的探测，在每一方位角下，获得一组四个激光的波长对应的光强值；处理组件，根据方位角和光强值，分别采用椭偏测量和光谱测量的计算方法，获得样品的薄膜厚度和光学参数，并将两者方法计算得的薄膜厚度进行对比，以确定样品的薄膜厚度取值

【技术实现步骤摘要】
薄膜厚度测量装置及方法


[0001]本申请涉及光学测量
，尤其涉及一种薄膜厚度测量装置及方法
。

技术介绍

[0002]光学薄膜的检测主要由两个方面构成，薄膜厚度和光学常数；在实际的生产制备中，还需要对薄膜的厚度分布的均匀性进行检测
。
在薄膜厚度和光学常数的测量中，椭偏测量和光谱测量是目前使用最为广泛的技术，但是两者在薄膜厚度的测量范围和精度不同，目前针对不同的薄膜厚度需要采用不同的方法进行测量，测量步骤较为复杂
。
[0003]在相关技术中，光谱测量多采用分光光度计，通过分光光度计测量得出薄膜的反射
(
或透射
)
光谱，进而计算薄膜的反射率和透过率，并计算薄膜的厚度和光学常数
。
椭偏测量则可以采用激光
、LED
灯
、
卤素灯等作为光源，通过调制入射到薄膜的和经由薄膜反射的偏振光，对薄膜的厚度和光学常数进行测量
。
其中光谱测量的测量范围较大，但是测量几百纳米薄膜的测量精度较差，无法满足测量需求；而对于椭偏测量来说，由于薄膜厚度的周期性问题，无法对多个周期厚度的薄膜进行测量，会存在多解的问题，虽然目前也有采用穆勒矩阵的宽光谱薄膜厚度测量装置，但是需要对每一个器件进行定标，同时安装等误差会对测量结果产生较大的影响
。
[0004]因此，有必要提出一种技术方案，解决相关技术中薄膜厚度测量方法测量薄膜厚度时测量范围受限的问题
。

技术实现思路
<br/>[0005]本申请的目的在于提出一种技术方案，解决相关技术中薄膜厚度测量方法测量薄膜厚度时测量范围受限的问题
。
[0006]基于以上问题，本申请提供一种薄膜厚度测量装置，包括样品台，样品台用于承载样品，薄膜厚度测量装置用于检测样品的薄膜厚度和光学常数，薄膜厚度测量装置包括：
[0007]发射端，发射端用于向样品台上的样品发射入射光，入射光由四个波长不同的激光汇合形成，并且，发射端可以将入射光调节为线偏振光；
[0008]接收端，接收端用于接收样品反射形成的出射光，接收端包括检偏组件和探测组件，通过调节检偏组件，实现对不同方位角下出射光强的探测，在每一方位角下，获得一组四个激光的波长对应的光强值；
[0009]处理组件，根据方位角和光强值，分别采用椭偏测量和光谱测量的计算方法，获得样品的薄膜厚度和光学参数，并将两者方法计算得的薄膜厚度进行对比，以确定样品的薄膜厚度取值
。
[0010]进一步的，发射端包括：
[0011]光源组件，包括四个激光发射器，各个激光发射器所发射的激光波长各不相同；
[0012]分束器组，包括级联的分束器，将各个激光发射器所发射的激光组合成公共光束；
[0013]起偏组件，包括第一偏振器，第一偏振器可旋转方位角，用于将公共光束转换为线
偏振光，并将转换为线偏振光的公共光束作为入射光
。
[0014]进一步的，接收端包括：
[0015]检偏组件，包括第二偏振器和第三偏振器，入射光经过样品表面反射后形成出射光，出射光依次经过第二偏振器和第三偏振器，第二偏振器和第三偏振器的方位角可调；
[0016]二向色镜组，二向色镜组包括三个二向色镜，各个二向色镜同光轴排列，出射光经过二向色镜时部分反射
、
部分透射，以将不同波长的光分离；
[0017]探测组件，包括四个探测器，其中三个探测器分别接收各个二向色镜反射的光束，剩余一个探测器接收从最后一个二向色镜透射的光束，探测器用于探测所接收光束的光强
。
[0018]进一步的，第二偏振器采用磁光调制器件
。
[0019]进一步的，处理组件通过如下公式计算椭偏参数
ψ
和
Δ
：
[0020]2ψ
＝
arccos(
‑
s1/s0)
[0021]Δ
＝
arccos(s2/s0·
sin2
ψ
)
[0022]式中，
s0、s1、s2表示斯托克斯参量，通过如下公式计算：
[0023]s0‑
i
＝4×
(a0‑
i
‑
a4‑
i
)
[0024][0025][0026]式中，
a0‑
i
、a2‑
i
、b2‑
i
、a4‑
i
、b4‑
i
为傅里叶系数，通过如下公式计算获得：
[0027][0028][0029]式中，
i
表示探测器序号，
N
表示检测的方位角总数，
I
j
表示探测器
i
在第
j
次检测中获得的光强值，
W
j
表示第二偏振器在第
j
次检测中的方位角；
[0030]处理组件根据椭偏参数
ψ
和
Δ
，通过数值反演计算获得样品薄膜厚度的椭偏测量值和对应的光学常数
。
[0031]进一步的，处理组件还根据
S
偏振光和
P
偏振光的光强，计算
P
光分量和
S
光分量的总反射系数，
P
光分量和
S
光分量的总反射系数通过如下公式表示：
[0032][0033][0034]其中，
r
1p
，
r
1s
分别为空气
/
薄膜界面进行一次反射的
P
分量的反射系数和
S
分量的
反射系数，
r
2p
，
r
2s
分别为薄膜
/
基片界面上进行一次反射的
P
分量的反射系数和
S
分量的反射系数，2δ
是相邻反射光光束之间的相位差，通过如下公式表示：
[0035][0036]式中，而
λ
为光的波长，
n
为薄膜的复折射率，为薄膜中的折射角；
[0037]处理组件还根据计算得到的薄膜对四个波长的反射率，计算得出薄膜厚度的光谱测量值和对应的光学常数
。
[0038]进一步的，处理组件根据椭偏测量原理对光强数据进行处理，获得椭偏参数，并根据椭偏参数获得椭偏测量结果，椭偏测量结果包括样品的薄膜厚度的椭偏测量值和对应的光学常数；
[0039]处理组件还根据光谱测量原理对光强数据进行处理，计算样品薄膜对不同波长光束的反射率，并根据反射率获得光谱测量结果，光谱测量结果包括样品的薄膜厚度的光谱测量值和对应的光学常数；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种薄膜厚度测量装置，包括样品台，所述样品台用于承载样品，所述薄膜厚度测量装置用于检测所述样品的薄膜厚度和光学常数，其特征在于，所述薄膜厚度测量装置包括：发射端，所述发射端用于向所述样品台上的样品发射入射光，所述入射光由四个波长不同的激光汇合形成，并且，所述发射端可以将所述入射光调节为线偏振光；接收端，所述接收端用于接收所述样品反射形成的出射光，所述接收端包括检偏组件和探测组件，通过调节所述检偏组件，实现对不同方位角下出射光强的探测，在每一方位角下，获得一组四个所述激光的波长对应的光强值；处理组件，根据所述方位角和所述光强值，分别采用椭偏测量和光谱测量的计算方法，获得所述样品的薄膜厚度和光学参数，并将两者方法计算得的薄膜厚度进行对比，以确定样品的薄膜厚度取值
。2.
根据权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述发射端包括：光源组件，包括四个激光发射器，各个所述激光发射器所发射的激光波长各不相同；分束器组，包括级联的分束器，将各个所述激光发射器所发射的激光组合成公共光束；起偏组件，包括第一偏振器，所述第一偏振器可旋转方位角，用于将所述公共光束转换为线偏振光，并将转换为所述线偏振光的所述公共光束作为入射光
。3.
根据权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述接收端包括：检偏组件，包括第二偏振器和第三偏振器，所述入射光经过所述样品表面反射后形成出射光，所述出射光依次经过所述第二偏振器和所述第三偏振器，所述第二偏振器和所述第三偏振器的方位角可调；二向色镜组，所述二向色镜组包括三个二向色镜，各个所述二向色镜同光轴排列，所述出射光经过所述二向色镜时部分反射
、
部分透射，以将不同波长的光分离；探测组件，包括四个探测器，其中三个所述探测器分别接收各个所述二向色镜反射的光束，剩余一个所述探测器接收从最后一个所述二向色镜透射的光束，所述探测器用于探测所接收光束的光强
。4.
根据权利要求3所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述第二偏振器采用磁光调制器件
。5.
根据权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述处理组件通过如下公式计算椭偏参数
ψ
和
Δ
：2ψ
＝
arccos(
‑
s1/s0)
Δ
＝
arccos(s2/s0·
sin 2
ψ
)
式中，
s0、s1、s2表示斯托克斯参量，通过如下公式计算：
s0‑
i
＝4×
(a0‑
i
‑
a4‑
i
))
式中，
a0‑
i
、a2‑
i
、b2‑
i
、a4‑
i
、b4‑
i
为傅里叶系数，通过如下公式计算获得：为傅里叶系数，通过如下公式计算获得：式中，
i
表示探测器序号，
N
表示检测的方位角总数，
I
j
表示探测器
i
在第
j
次检测中获得的光强值，
W
j
表示第二偏振器在第
j
次检测中的方位角；所述处理组件根据所述椭偏参数
ψ
和
Δ
，通过数值反演计算获得样品薄膜厚度的椭偏测量值和对应的光学常数
。6.
根据权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述处理组件还根据
S
偏振光和
P
偏振光的光强，计算
P
光分量和
S
光分量的总反射系数，所述
P
光分量和所述
S
光分量的总反射系数通过如下公式表示：光分量的总反射系数通过如下公式表示：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，金尚忠，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：