[发明专利]一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法

说明书

本发明属于薄膜检测领域，公开了一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法。本发明利用零级涡旋半波片将被待测样品反射的光波转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场经检偏器作用后得到亮暗呈楔形分布的光强图像。在操作时，通过前后两次调整入射光的偏振状态，使光强图像亮区到达两种特定的方位并采集光强图像，将两次采集的光强图像分别进行分析处理得到一组高精度的椭偏角参数，进一步反解出待测薄膜的厚度与折射率。该发明操作简单便捷、测量精度高、测量结果对光源的功率和波长变化不敏感。

技术领域

本发明属于薄膜检测技术领域，进一步是涉及一种利用矢量偏振光场调制及数字图像处理技术实现介质薄膜厚度及折射率测量的椭偏测量术。

背景技术

随着薄膜制备技术的发展，光学薄膜的应用领域日益广泛，涉及计算机(集成电路)、能源(光伏太阳能电池)、生物医疗(生物薄膜)等多个方面。薄膜的众多物理特性(如反射率和透射率、消光系数、能带结构、薄膜介质的电特性等)都与薄膜的厚度和光学常数有关，因此快速准确地测量出薄膜厚度和光学常数在薄膜的制备、分析与应用中是十分重要的。相比于扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜等薄膜检测技术，椭偏测量术表现出来的速度快、精度高、可以同时测得薄膜厚度和折射率等多种参量、样品非破坏性等优点使其备受科研工作者的关注。

按照是否消光，采用椭圆偏振测量术的仪器(椭偏仪)可分为两大类：消光式椭偏仪和光度式椭偏仪。经典的消光式椭偏仪由光源、起偏器、补偿器(或波片)、检偏器、探测器五部分组成，其在操作过程中需要交替旋转起偏器与检偏器来寻找消光位置，通过消光位置处的起偏器与检偏器方位角来确定椭偏参数。早期的消光式椭偏仪需要手动旋转、人为读数，整个过程耗时较长，而且消光位置的搜寻对于光源功率的稳定要求较高，虽然现在已经可以实现消光式椭偏仪测量及读数的自动化，缩短了测量时间，但同时也增加了系统的复杂性且仍然无法克服对光源功率稳定性要求高的缺点。光度式椭偏仪如旋转起偏器型椭偏仪(RPE)、旋转检偏器型椭偏仪(RAE)、旋转补偿器型椭偏仪(RCE)等在测量时需要按照一定频率旋转相应的光学元件，并对探测器接收到的光强信号进行傅里叶分析，解算出傅里叶系数，进一步求解出椭偏参数。光度式椭偏仪不再像消光式椭偏仪那样需要确定起偏器或检偏器的方位角，故耗时较少，但其需要旋转驱动装置和模数转换与数字信号处理系统，测量装置较复杂，此外因其要对光强信号进行连续检测，所以对光电探测器的灵敏度、线性度、响应时间、偏振无关性(响应程度不受光波偏振状态的影响)等方面要求较高。

综上分析，有必要研究一种能够克服现有椭偏测量方法复杂、对光源功率稳定性和探测器要求高、解算过程繁杂等缺陷，实现薄膜参数高精度检测的椭偏测量方法。

发明内容

本发明的目的在于针对以上不足，提供一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法。本发明方法操作简单便捷、测量精度高、测量结果对光源功率和波长变化不敏感。

本发明提供的一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法，技术方案是：激光光源发出的光通过起偏器和可拆卸四分之一波片后得到特定偏振状态的入射光，入射光经待测薄膜反射后一般变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经扩束系统扩束后被零级涡旋半波片转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场再经检偏器检偏后形成亮暗呈楔形分布的光强图像，光强图像被相机采集并被送入计算机进行分析处理。

本发明的详细技术方案为：

一种介质薄膜厚度及折射率的测量方法，包括如下步骤：

第一步，实时监测光强图像亮区方位角；

第二步，将可拆卸四分之一波片快轴45°放置，调整起偏器的角度，使得光强图像亮区方位角为0°或90°或两者附近，记录当前起偏器的角度P₁并计算入射光P、S分量的相位差；