基于椭偏成像光路和表面等离子体共振效应的金属薄膜参数测量方法研究

提出了一种基于椭偏成像光路和表面等离子体共振效应的金属薄膜参数测量方法,在椭偏成像光路中采用p偏振光在金属薄膜与空气界面产生表面等离子体共振效应,利用不产生表面等离子体共振效应的s偏振光消除背景光的影响,得到表面等离子体共振吸收环垂直方向的归一化反射率曲线,数值拟合获得待测金属薄膜的薄膜参数,这种方法不需要求解椭偏方程,数据处理过程简单,求解速度快。实验中,基于该方法的测量结果与标准椭偏仪的测量结果基本一致,很好地验证了该方法的有效性。     

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.     

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.     

不同制备工艺下氧化硅和氧化铪薄膜的椭偏光谱

椭偏技术是一种分析表面的光学方法,通过测量被测对象(样品)反射出的光线的偏振状态的变化情况来研究被测物质的性质。结合XRD和原子力显微镜等方法,利用椭圆偏振光谱仪测试了单层SiO2薄膜(K9基片)和单层HfO2薄膜(K9基片)的椭偏参数,并用Sellmeier模型和Cauchy模型对两种薄膜进行拟合,获得了SiO2薄膜和HfO2薄膜在300～800 nm波段内的色散关系。用X射线衍射仪确定薄膜结构,用原子力显微镜观察薄膜的微观形貌,分析表明:SiO2薄膜晶相结构呈现无定型结构,HfO2薄膜的晶相结构呈现单斜相结构;薄膜光学常数的大小和薄膜的表面形貌有关;Sellmeier和Cauchy模型较好地描述了该波段内薄膜的光学性能,并得到薄膜的折射率和消光系数等光学常数随波长的变化规律。     

双层膜椭偏数据处理的新算法

为了准确测量双层透明膜,有效地结合了模拟退火法和单纯形法的优点,提出一种模拟退火-单纯形混合算法来处理双层透明膜的椭偏数据。在单波长测量时,仅测量1组椭偏参量,可以求解双层透明膜任意两个参量;测量两组以上椭偏参量,可以同时反演双层透明膜4个参量,求解薄膜折射率和厚度精度分别达到0.0002和0.07nm。结果表明,模拟退火-单纯形混合算法反演双层透明膜参量是可行和可靠的,且有较强的样品适应性。该算法适合于单波长椭偏仪对双层及多层膜的反演及实际测量。     

SiO2薄膜光学常数物理模型

SiO2薄膜是光学薄膜领域内常用的重要低折射率材料之一。在文中研究中,通过测量薄膜的椭偏参数,使用非线性最小二乘法反演计算获得薄膜的光学常数。采用离子束溅射和电子束蒸发两种方法制备了SiO2薄膜,在拟合过程中,基于L8（22）正交表设计了8组反演计算实验,以评价函数MSE为考核指标。实验结果表明:对IBS SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为界面层模型,对EB SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为Pore模型。同时确定了不同物理模型对拟合MSE函数的影响大小和反演计算过程模型选择的次序,按照确定的模型选择次序拟合,两种薄膜反演计算的MSE函数相对初始MSE可下降35%和38%,表明拟合过程模型选择合理物理意义明确。文中提供了一种判断薄膜物理模型中各因素对于薄膜光学常数分析作用大小的途径,对于薄膜光学常数分析具有指导意义。     

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。     

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.     

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。     

基于斯托克斯椭偏测量系统的多点定标法

斯托克斯椭偏仪可快速测量光束的偏振态,仪器矩阵的精确测量是斯托克斯椭偏仪一项非常重要的技术。为提高仪器矩阵的测量精度,基于四点定标法,提出了斯托克斯椭偏测量系统的多点定标法,并从理论上证明了该方法。在多点定标法的基础上采用六点定标法进行实验验证,结果表明采用多点定标法对系统定标是完全可行的,为斯托克斯椭偏仪的定标提供了新思路。同时六点定标法比四点定标法以及E-P定标法所获得的仪器矩阵更准确,在测量精度方面,该方法获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为3.15%。     

马赫-曾德尔外差干涉椭偏仪非线性误差分析

马赫-曾德尔外差干涉椭偏仪是一种重要的光偏振态实时测量技术。为了提高测量系统的精度、降低误差,采用外差干涉光路分析和数值模拟的方法,理论推导了透射式马赫-曾德尔外差干涉椭偏仪光路的误差公式。结果表明,光源偏振的椭圆化程度,偏振分光棱镜消偏比及倾斜都能引起测量误差;同误差参量下待测光束不同的椭偏比和s,p分量相位差得到的测量误差不同;马赫-曾德尔外差干涉仪的误差结果与迈克尔逊外差干涉仪相近。     

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。     

IPS液晶取向膜表面光学各向异性DΔ的研究

针对共面转换IPS(In-Plane-Switching)液晶显示模式取向膜,利用反射椭偏消光法测量了取向膜表面的光学各向异性DΔ值。研究了在不同摩擦条件和亚胺化温度条件下,取向膜表面光学各向异性值DΔ值的变化。研究结果表明,随着亚胺化温度升高,DΔ值呈现下降趋势。在摩擦强度各因子中,压入量和转速对于DΔ值影响较大。DΔ值可作为一种定量化评价取向膜取向状态的方法,并可作为生产过程中对于液晶稳定性取向的管控方法使用。     

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。     

双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置

为了在薄膜形成期间跟踪生长表面应力水平的演变,更加深入地探究薄膜应力的产生机理,基于光束偏转法,搭建了利用双光束照射在镀膜基底表面的实时测量光学薄膜应力的装置.装置软件系统从线阵CCD中提取双光斑位移的变化,经过多次测量验证了算法的精确度,使装置的精确度达到2.2%,可以满足光学薄膜应力测量的要求.使用此装置跟踪SiO2薄膜镀制过程,得到了应力变化曲线.结果表明,双光束实时测量薄膜应力装置具有抗干扰能力强、精度高等特点,可以为光学薄膜镀制过程中提供有效可行的原位应力测量手段.     

椭偏技术的原理及其在功能薄膜表征中的应用

随着计算机技术的不断发展，已有一百多年历史的椭偏技术的研究重点已从该技术本身转移到了它在材料分析中的新用途。通过介绍椭偏技术的测量原理，给出了椭偏仪在材料表征中的应用范围和局限。研究表明，结合其他分析工具并建立精细的椭偏模型，可变入射角光谱椭偏仪（ＶＡＳＥ）能定量测量各种功能金属氧化物薄膜的厚度、光学常数和气孔率。ＶＡＳＥ将在功能金属氧化物外延薄膜的生长控制和性能优化等方面发挥积极的作用。     

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.     

斯托克斯光偏振态测量系统的优化

为了满足光偏振态分振幅测量模块（DOAP）对分光棱镜复杂且严格的加工要求,采用在经典DOAP透射光路及反射光路各引入一块波片的方法,组成改进后的光偏振态测量模块。推导了新的仪器矩阵表达式,通过分析波片参量对仪器矩阵条件数的影响,得到了最佳波片的参量及其关系。结果表明,优化后的斯托克斯椭偏仪测量薄膜样品的厚度和折射率的标准差分别为0.1nm和0.001。通过选择波片的最佳方位角或相位延迟量可以实现斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的优化,从而提高系统的测量稳定性及可靠性。     

国外椭偏仪性能简介

各种薄膜工艺参数和质量(厚度、折射率的数值及其均匀性等)的精确、快速测定和控制,在半导体器件生产、研制中有着极其重要的作用.现综合评述美国Rudolph研究公司应用材料公司、Gaertner科学公司和Sagax国际公司开发的从手动到自动椭偏仪系列的几代椭偏仪产品,并和其它薄膜厚度测量技术进行比较.     

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。