一種基於全內反射偏振位相差測量來監控薄膜生長的方法
2023-05-20 13:33:46 2
一種基於全內反射偏振位相差測量來監控薄膜生長的方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於全內反射偏振位相差測量來監控薄膜生長的方法，屬於薄膜生長光學監控【技術領域】。本發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特性的變化，建立光信號與膜層厚度的對應關係，完成薄膜生長的監控。根據膜系設計參數進行理論計算，並作出預期的全內反射偏振位相差隨薄膜生長的變化曲線，通過實際光學監控信號值來判斷薄膜生長厚度，完成膜層生長後，通過光譜掃描獲取偏振位相差在光譜範圍內的分布，擬合獲得精確的實際膜層折射率和厚度,從而修正膜系設計參數，並進行不同膜層間的厚度補償。本發明具有膜層折射率及厚度監控靈敏、測量速度快的優點。
【專利說明】一種基於全內反射偏振位相差測量來監控薄膜生長的方法
【技術領域】[0001]本發明涉及薄膜生長光學監控技術，具體涉及一種基於全內反射偏振位相差測量來監控薄膜生長的方法。
【背景技術】
[0002]光學薄膜生長的光學特性的好壞取決於對生長的膜層折射率及厚度參數的精確掌握和控制。光學監控方法可以同時獲取膜層的折射率及厚度生長信息，被認為是光學薄膜生長監控中最有效的方法之一。傳統光學監控採用的監控信號是生長薄膜的透射率或反射率，其監控原理在於薄膜的透射率或反射率隨著膜層厚度變化而變化，當膜層厚度為規整厚度，則監控信號出現一個極值。但隨著光學薄膜技術的發展，很多高端精密的光學薄膜元件的膜系通常為非規整膜系，甚至包含10~20nm的超薄膜層。在超薄膜層生長情況下，傳統光學監控信號隨厚度變化的量不大，導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，相較於透射率/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，這主要由於薄膜偏振特性相較於透射率/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，傳統橢偏測量中，橢偏參數Ψ和△均為未知量，一次測量需要旋轉起偏器、檢偏器等偏振元件，測量時間較長，不利於實時監控應用。因此提高橢偏測量速度，有助於擴展橢偏測量在光學薄膜生長監控的應用，具有實用價值。本發明基於橢偏測量的基本原理，採用全內反射測量方式，可以快速獲取偏振位相差信號，將其應用到薄膜生長光學監控中。
【發明內容】
[0003]本發明提出了一種基於全內反射偏振位相差測量來監控薄膜生長的方法，這樣可以利用偏振位相差對薄膜厚度敏感的特性，提高薄膜生長的監控效率。
[0004]本發明提出的方法包括了快速測量全內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控薄膜生長的實施步驟。
[0005]所述快速測量全內反射偏振位相差的方法是基於瓊斯矩陣描述的偏振測量系統，其測量原理圖如圖1所不。坐標係為右手直角坐標系，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I發出的準直入射光束2經由起偏器3起偏，成為線偏振光，垂直進入透明的等腰稜鏡基底4，以入射角Θ ^在基底薄膜生長面5上發生了全內反射，反射的光經由檢偏器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]所述全內反射偏振位相差快速測量流程為:首先，設定起偏角度P恆為45°，分別設定檢偏角度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，設定檢偏角度A為45°或-45°，實時採集光強值I，此時樣品的全內反射偏振位相差Λ與光強Ici和I的關係為:
[0007]cos Δ = 2Ι/Ι0-1 (Α = 45。)或 cos Δ = 1-21/1。(A =-45。) (I)[0008]經由公式⑴可以計算得到全內反射偏振位相差。
[0009]對於基底未生長薄膜的情況，全內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:
【權利要求】
1.一種基於全內反射偏振位相差測量來監控薄膜生長的方法，其特徵在於包括以下步驟: 1).根據膜層設計參數進行薄膜特徵矩陣的理論計算，獲取入射光以大於全內反射角θc。的入射角度θo在透明基底內部的薄膜生長面發生全內反射後的偏振位相差Λ隨著膜層生長厚度的變化曲線； 2).採集監控單色光的總光強，實施薄膜生長，即時採集監控單色光在特定起偏器角度和檢偏器角度的光強信號，計算出對應的偏振位相差△，繪製偏振位相差△或其等同信號隨薄膜生長的實際變化曲線； 3).如監控過程中出現的偏振位相差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).持續進行薄膜生長，直到偏振位相差信號到達預期值，完成當前膜層生長； 5).掃描光譜強度，獲取光譜範圍內的偏振位相差分布，採用薄膜分析軟體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計，並進行下一膜層的生長，重複步驟1)至步驟4)，直到完成所有膜層生長監控。
【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 優先權日:2013年11月21日
【發明者】蔡清元, 劉定權, 羅海瀚, 鄭玉祥, 陳剛, 張冬旭, 胡二濤 申請人:中國科學院上海技術物理研究所