基于柱面透镜Otto结构SPR效应的金属薄膜厚度测量方法

基于柱面透镜修正Otto结构产生的表面等离子体共振(SPR)效应,提出一种测量金属薄膜厚度的方法。该方法无需用s偏振光提取背景光强,可直接利用在p偏振光入射条件下得到的单幅SPR吸收图像拟合背景光强,进而得到竖直方向上的归一化反射率曲线。从而建立光学薄膜模型并拟合了反射率曲线,反演出待测金属薄膜的厚度参数。实验对一个纳米级厚度的Au膜样品进行测量,测量结果表明,Au膜的平均厚度与商用光谱椭偏仪的测量结果之差为0.1 nm,验证了该方法的有效性。     

偏振光斯托克斯参量的测量和应用

斯托克斯参量可全面描述光束的偏振态,分析了偏振光的斯托克斯参量的意义及其测量方法.通过测量纳米级薄膜样品的入射和反射偏振光的斯托克斯参量,求得椭偏参量Ψ和△,然后求得薄膜样品的厚度和折射率.实验表明,该方法适用于任何偏振态的入射和反射偏振光,测量系统构建较容易,测量结果与目前常用的椭偏消光法接近.     

紧凑型光谱薄膜测厚仪的研制

为了开发一种用于测量各向同性均匀薄膜介质厚度的紧凑型薄膜测厚仪,采用了共光路垂直入射设计,利用薄膜干涉原理,通过非线性优化算法对反射光谱进行了拟合,反演计算出了薄膜样品的厚度。采用该仪器测量部分SiO2/Si薄膜样件,测量结果与商业椭偏仪测量结果之间的相对偏差小于0.5%,而单次测量时间仅为70ms。结果表明,该薄膜测厚仪具有对测量距离不敏感、光路简洁、结构紧凑及重复性精度良好等优点,对实现在线实时测量功能具有积极意义。     

唯一性检测在椭圆偏振光谱薄膜拟合中的应用

利用椭圆偏振光谱进行薄膜样品的测量数据分析拟合时,薄膜厚度与介电常数具有很强的关联性。不同色散模型的选取也会对拟合结果产生明显的影响,引起较大误差。介绍了唯一性检测在椭偏拟合中的实现方法。并以二氧化钛样品为例,利用唯一性检测对比了不同色散模型、不同厚度、不同测量波段、不同入射角度时的唯一性检测结果。结果表明,唯一性检测能够有效标定出椭偏测量和拟合过程中所产生的误差,同时能够对不同色散模型进行量化对比,提升拟合精度。     

唯一性检测在椭圆偏振光谱薄膜拟合中的应用（英文）

利用椭圆偏振光谱进行薄膜样品的测量数据分析拟合时,薄膜厚度与介电常数通常具有一定的关联性.不同色散模型的选取也会对拟合结果产生明显的影响,引起较大误差.介绍了唯一性检测在椭偏拟合中的实现方法.并以二氧化钛样品为例,利用唯一性检测对比了不同色散模型、不同厚度、不同测量波段、不同入射角度时的唯一性检测结果.结果表明,唯一性检测能够有效标定出椭偏测量和拟合过程中所产生的误差,同时能够对不同色散模型进行量化对比,提升拟合精度.     

金属反射镜对外差干涉椭偏测量精度的影响

采用声光调制器设计了一种透射式外差干涉椭偏测量系统.实验测量了单层透明氧化铟锡(ITO)膜,膜厚和折射率测量误差分别达8nm和7%.采用琼斯矢量法分析了金属反射镜引起的光束椭偏化对测量结果的影响.从光学系统中移出被测样品得到的标定数据,可以消除金属反射镜本身退偏效应的影响,但无法消除退偏效应和方位角误差共同作用所引入的椭偏参数测量误差.计算结果表明,退偏效应和方位角误差共同作用引入的膜厚测量误差可达4 nm左右,该误差与薄膜参数无关,与方位角误差近似成线性关系.     

基于Labview技术的光度式椭偏测厚仪的研究与设计

本文介绍了一种基于Labview的光度式椭偏仪光学测量系统,用于进行透明薄膜厚度的精确测量.研究并推导出该系统的数学模型及椭偏参数的计算公式.基于C9051F020单片机设计出椭偏仪的控制器并使用Labview编写了测量软件.在测量软件中嵌入Matlab Script节点,完成复杂运算.通过对SiO2薄膜的测试,验证了仪器具有良好的可靠性和重复性,薄膜厚度误差小于100 A,折射率误差小于0.01.     

椭偏法在光学薄膜测量中的应用价值

椭圆偏振法是一种测量表面和薄膜特性的精密方法。它具有两个优点:第一,它的测量灵敏度很高,特别是偏振参数Δ对表面或薄膜参数的微小变化有灵敏的反应;第二,它可以测量多种参数。测量中直接得到的是偏振参数Δ、ψ,然后根据不同的测量对象可以进一步求得各种不同的参数。到目前为止,在半导体表面和电化学过程的研究中已经广泛应用椭偏法,但是它在光学薄膜领域内始终只有有限的应用。在本文中,我们将结合工作体会讨论椭偏法在光学薄膜的各项测量中的应用价值。首先简单介绍目前使用的两种椭偏仪:消     

原子层沉积超薄氮化铝薄膜的椭圆偏振光谱法表征

采用原子层沉积(ALD)工艺在硅衬底上生长了35 nm以下不同厚度的超薄氮化铝(AlN)晶态薄膜。利用椭圆偏振光谱法在波长275~900 nm内测量并拟合薄膜的厚度及折射率和消光系数等光学参数。利用原子力显微镜(AFM)表征AlN晶粒尺寸随生长循环次数的变化,计算得到薄膜表面粗糙度并用于辅助椭偏模型拟合。针对ALD工艺特点建立合适的椭偏模型,可获得AlN超薄膜的生长速率为0.0535 nm/cycle,AlN超薄膜的折射率随着生长循环次数的增加而增大,并逐渐趋于稳定,薄膜厚度为6.88 nm时,其折射率为1.6535,薄膜厚度为33.01 nm时,其折射率为1.8731。该模型为超薄介质薄膜提供了稳定、可靠的椭圆偏振光谱法表征。     

基于偏振光反射多点法测量薄膜参数

依据偏振光反射原理和多角度测量的多点拟合算法,实现了对薄膜材料折射率和厚度的精确测量。将高准直半导体激光入射到薄膜样品与空气分界面上,逐步旋转样品或改变样品表面的入射角,得到待测样品的反射率随入射角变化曲线。在曲线上取不同入射角处所对应的反射率,根据计算公式求解出多组薄膜厚度和折射率。利用已测量的多组反射率与求解出的薄膜参数相应反射率拟合后可确定出薄膜参数最优解。在求出的薄膜参数附近拓展一定范围再次拟合,可求出更精确的薄膜参数。基于此方法测量了SiO2薄膜的折射率和厚度,测量折射率误差不超过0.3%,厚度误差不超过0.07%。     

毫米波椭偏测量法的数值模拟研究

介绍了一种新型的毫米波椭偏法,可以用来测量介质材料的介电常数和厚度.通过分析入射波波长和入射角的不同取值对实验结果的影响,给出了入射波波长和入射角的取值范围,同时对介电常数、厚度与椭偏参数之间的关系进行了数值模拟研究.研究结果表明,由椭偏参数经数值计算反演出的介电常数、厚度通常会出现多值的情况.但对大多数的介质薄膜而言,却可以通过该方法求出唯一确定的介电常数与厚度,表明了毫米波椭偏法在介质参数测量上的可行性.     

SiO2和ZrO2薄膜光学性能的椭偏光谱测量

用溶胶-凝胶工艺在碱性催化条件下,采用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了性能稳定的单层SiO2薄膜与单层ZrO2薄膜。用反射式椭圆偏振光谱仪测试了薄膜的椭偏参数,并用Cauchy模型对椭偏参数进行数据拟合,获得了溶胶-凝胶SiO2与ZrO2薄膜在300~800 nm波段的色散关系。用紫外-可见分光光度计测量了薄膜的透射率,并与用椭偏仪换算出来的结果相比较;用原子力显微镜观察了薄膜的表面微结构,并讨论表面微结构与薄膜光学常数之间的关系。分析结果表明,Cauchy模型能较好的描述溶胶-凝胶薄膜的光学性能,较详细的得到了薄膜的折射率,消光系数等光学常数随波长λ的变化规律;薄膜光学常数的大小与薄膜的微结构有关。     

正确使用多次测量法提高椭偏测量精度

通过分析椭偏测量的复杂性可知椭偏角高精度测量的重要性 ,针对曾认为可提高测量精度的多角度测量法在不恰当地增加入射角时极易破坏求解收敛性得到伪解的情况 ,提出了在测量误差一定和合适数目的多入射角时分别进行单角度多次数测量椭偏角来提高薄膜参数精度的方法 ,并对不同搜索范围和不同测量误差时的诸多情况进行了大量模拟计算。此方法能有效避开伪解、得到高精度的稳定真值 ,是提高椭偏测量精度的有效方法之一。     

半导体衬底上薄膜折射率的测量

本文用已知折射率的折射液体与半导体衬底上薄膜折射率相匹配的方法测得锗上等离子体阳极氧化膜的折射率为1.66,硅上氧等离子体氧化膜及热氧化SiO_2膜的折射率均为1.458。与激光椭偏仪的测量结果符合得很好。本文还用TP—83型椭偏仪的通用程序B算出砷化镓上等离子体氧化膜的折射率为1.80～1.90。     

基于最优化方法的光弹调制器光学模型验证

基于光弹调制器(PEM)的高速椭偏测量法具有测量速度快,灵敏度高的优势,目前已被广泛应用于半导体、显示器和军工等领域。现有PEM光学模型验证方法大多采用谐波分量提取法,但其受系统偏差影响较大。该文提出一种基于最优化方法——PEM光学模型验证法,该方法将椭偏测量过程转化成最优化问题进行求解,将系统参数作为自变量进行处理,可抑制系统偏差造成的影响,提高测量系统的鲁棒性。该文介绍了该方法的基本原理,并通过数值仿真和椭偏测量光学实验进行了验证。结果表明,该方法可有效地抑制系统参数偏差对测量精度的影响。     

一种基于自适应差分进化算法的薄膜参数表征方法研究（特邀）

依据穆勒椭偏测量方法中偏振光的传输方式,文中提出了一种基于自适应差分进化算法（SADE）的各向同性纳米薄膜厚度与光学常数的表征方法。通过建立出射光强关于待测标准样片穆勒矩阵的最小二乘模型,用SADE算法对穆勒矩阵元素进行求解,并将拟合得到的穆勒光谱曲线与用双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪(DRC-MME)测量得到的穆勒光谱图进行了比较,利用传输矩阵求解薄膜厚度。对标定值分别为(104.2±0.4) nm和(398.4±0.4) nm的SiO₂/Si标准样片进行仿真计算,实验表明:当分别迭代到80次和87次时,目标函数光强的残差平方和收敛到最小值0.97和1.01,得到的膜厚计算值分别是(103.8±0.6) nm和(397.8±0.6) nm,相对误差均小于1%。同时用计量型椭偏仪根据得到的折射率进行计算,得到膜厚的计算值分别为(104.1±0.6) nm和(398.2±0.6) nm,验证了SADE在相近收敛速度下对各向同性纳米薄膜参数求解过程中具有计算简单和可以准确的找到全局最优解的特点。     

玻璃基底和表面粗糙度在氮化硅薄膜椭偏测量中的影响

在光谱椭偏测量中,玻璃基底的背反射会给测量结果造成较大影响。针对平板显示器件玻璃基底表面氮化硅镀膜进行了椭偏测量和模型计算。采用相干背反射模型“空气基底空气”计算并拟合得到与厂商数据符合较好的玻璃基底折射率。对氮化硅薄膜采用Tauc Lorentz色散模型进行了分析拟合,讨论了薄膜与基底界面层、表面粗糙度对光学常数及模型拟合的影响,表明在薄膜与基底间晶格失配的情况下,界面层的引入对改善拟合度是必要的。给出了薄膜体系的光学常数、薄膜结构的分析结果。     

外差椭偏测量技术及其混频误差分析

结合激光外差干涉术和反射式椭偏测量技术,设计了一种抗干扰能力强,快速、高精度 测量纳米厚度薄膜光学参数的方法。着重分析并计算了非线性混频误差对测量精度的影响,其中塞曼激光和波片产生的光束椭偏化是关键因素。定义了评价因子以比较非线性混频误差的相对大小,这对外差椭偏纳米薄膜测量系统的设计有指导意义。     

反射式椭偏测试系统的全局优化算法

首先针对可变入射角的反射法消光椭偏测试系统,讨论其计算公式和求解思路,建立 了全局目标优化函数,提出一种网格优化算法,即计算中可半智能跟踪最优解的方法。利用新算法解决了求解中的多峰问题,从而可以高精度计算薄膜的折射率与厚度。开发了相关软件,处理进口椭偏仪测量的消光参数,获得了大入射角条件下SiO2 薄膜的折射率和厚度,并与其它方法的计算结果进行对比分析,发现此方法计算结果可以达到更高的精度,有利于指导微米到纳米级复杂结构和成分的薄膜光波导的性能分析。最后通过对较小入射角实测数据的分析,指出了传统理论模型在光斑干涉效应及衍射效应方面的不足。     

斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的条件数评价研究

斯托克斯椭偏仪一般使用定标的方法来测量其仪器矩阵,其仪器矩阵的优劣直接影响了被测光线斯托克斯参量的精确度与稳定度,从而影响了被测薄膜的厚度、折射率及消光系数等光学参数的精确度与稳定度。文章以椭偏参数总偏差为评价函数,分析了条件数大小与斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的优劣关系,并从实验上证明了条件数较大时,仪器矩阵较差,测量结果偏差大;条件数较小时,仪器矩阵较优,测量结果较佳。