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多功能椭偏测厚仪

2014/11/13 22:46:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘要:研究成功一台变入射角反射式消光法多功能智能椭偏测厚仪。实验表明:仪器的测厚准确度为±0·1 nm;椭偏参数Ψ和Δ的测量重复性精度分别为±0·1°和±0·3°,适用于纳米级薄膜厚度和折射率的测量。

  1 前 言

  随着纳米级薄膜技术及应用的发展,准确测量薄膜厚度受到人们的高度重视。目前,测量薄膜厚度主要有干涉法、称重法、X射线法、电容法和椭偏法,而椭偏法是测量精度和灵敏度最高的一种[1]。在国内,主要采用手动的TP-77型和WJZ型椭偏测厚仪,仅配有一种入射角和衬底材料的薄膜(n,d) ~ (ψ,Δ)函数表(如70°,SiO2)。已不能适应高校、科研院所在教学和科研中的需要。而国外的同类仪器早已智能化和商品化[2,3],但价格昂贵。为此,我们研制成功一台变入射角反射式消光法多功能智能椭偏测厚仪。该机采用半导体激光器为光源,具有性能稳定,测量准确度高、体积小和造价低等特点。已通过省级技术鉴定,现已小批量生产,可满足高校、研究所和工厂的部分需要。本文主要介绍仪器的设计、结构、软硬件组成、性能和实测结果。

  2 椭偏测厚仪的设计和制造

  2·1 椭圆偏振测量原理

  根据椭偏术的基本方程

  式中RP和RS分别为光矢量平行和垂直于入射面分量的反射系数;ψ和Δ称椭偏参量,是与样品光学参数有关的量。本仪器采用消光法原理来测量ψ和Δ。设P和A分别为检器消光时新对应的起偏器和检偏器的方位角,则(ψ,Δ)与(P,A)关系为

  因此,只要测量出样品的消光角(P,A),根据式(2)可计算ψ和Δ,从而查表求出样品的光学参数,如薄膜的厚度和折射率等。

  2·2 仪器的结构组成

  椭偏测厚仪的组成如图1所示。整个光路在水平面内,样品平面与水平面垂直。光源采用单模635·0nm的半导体激光器,选择集成光电二极管为光探测器。偏振片由人造二向色性材料制造,消光比小于10-3,1/4波片选用优质云母,起、检偏器的角度测量是通过角度编码器完成;光耦合器用来探测起、检偏器每一轮转动的起始位置。

  2·3 光源的选择

  小功率单模半导体激光器的输出光功率随时间的变化如图2所示,若接入稳功率驱动电源后,光功率波动小于1%,再对其输出光束进行准直、滤波和补偿处理,可得到符合使用要求的单色平行光。

  2·4 消光角的读取技术和减少误差的措施

  由于透过检偏器的光强可表示为[1]

  式中Pn、An为消光角; P和A分别为起、检偏器的方位角。当在消光角附近时,即A≈An(或P≈Pn),式(4)可近似为

  式(5)是抛物线方程。因此,找读消光角时,利用到达光探测器的光强在极小值附近与起偏角或检偏角成“U”形关系,不直接读取光强极小值新对应的角度,而是在极小值附近取两个对称等光强点新对应角度的平均值。实验表明,这样处理可以大大减少由于系统随机干扰带来的误差,提高测量重复性精度。

  另外,还运用二区平均法,读取两组消光角(P1,A1)和(P2,A2),减少系统误差,提高测量准确度。寻找和读取消光角的过程采用逐步迫近法,轮流依次转动起偏器和检偏器,具体测量过程如下: (1)使起偏器位于0°方位角,检偏器位于90°方位角处;(2)检偏器不动,使起偏器转动90°,读取在90°内光强极小时的起偏器方位角P1;(3)使起偏器回到方位角P1处; (4)起偏器不动,旋转检偏器,读取检偏器在所转180°内光强极小时的方位角A1;(5)使检偏器回到方位角A1处; (6)重复(2)~(5)步聚三次,得到第一组消光角(P1,A1);(7)置检偏器于方位角π~A1处,起偏器于方位角90°处; (8)重复类似步骤(2)~(6),只是这时P1变成P2,A1变成A2,可得到第二组消光角(P2,A2)。

  2·5 仪器的硬件电路和软件

  仪器的硬件电路框图如图3所示,主要包括光电转换及信号处理电路、AD转换电路、脉冲信号细分电路、脉冲计数电路、起点控测电路和微机接口电路。

  在脉冲细分电路中,由于分辨率为1 800 P/R的角度编码器输出两相相差π/2的脉冲信号,经74 LS86组成的细分电路后,每个脉冲代表0·05°。

  仪器的软件设计以硬件电路和测量过程的要求为基础,采用模块化结构,全部用C语言编写[4]。测量软件的菜单如图4所示。主要包括文件管理、调试、生成表及查表、监视、测量和帮助。

  3 仪器的主要性能指标

  经鉴定委员会确认,本仪器具有如下功能和指标:(1)仪器测厚准确度:±0·1 nm(薄膜厚度在10 nm以下时),±0·5 nm(薄膜厚度在10~100 nm时); (2)起偏角P和检偏A的测量分辨率: 0·05°; (3)ψ和Δ的重复性精度分别为±0·1°和±0·3°; (4)入射角连续调节范围: 30°~90°; (5)可测薄膜厚度和折射率范围分别为:1~300 nm和1·05~2·50; (6)可测不同材料表面的薄膜样品; (7)样品真空无损吸附,可一维扫描。

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