CN107246844B - 用于测量薄膜厚度的shel***位移测量方法 - Google Patents

用于测量薄膜厚度的shel***位移测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，步骤一建立薄膜厚度对应的SHEL***位移随入射角变化的理论曲线图；步骤二选取一组入射角度，使入射光以某一初始角度入射到薄膜表面获取经薄膜反射后的光束图像并将图像进行处理得到相应的SHEL***位移；步骤三依次改变入射角度得到SHEL***位移随入射角度变化的测量曲线；步骤四比对步骤一所得SHEL***位移随入射角度变化的理论曲线和步骤三所得测量曲线确定薄膜的厚度。本发明的有益效果是：本发明是利用SHEL的***位移与薄膜厚度的关系，实现了对金属和非金属所有材料薄膜厚度的非接触、无损的高精度测量，且该测量***结构简单、便于操作。

Description

用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法
技术领域
本发明涉及一种纳米薄膜厚度的测量方法，特别涉及一种用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法。
背景技术
随着薄膜技术在微电子、光电子、航空航天、生物工程、武器装备、食品科学、医疗仪器和高分子材料等领域的广泛应用，薄膜技术已成为当前科技研究和工业生产领域内的研究热点，特别是薄膜技术的迅速发展，已经直接影响到科技的发展方向和人们的生活方式。而薄膜制造技术的不断改进和迅速发展也对薄膜的各种参数提出了更高的要求，比如薄膜的厚度和折射率参数以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜设计和工艺制造中的关键参数之一，它对于薄膜的光学特性、力学特性和电磁特性等具有决定性的作用，因此能够精准地检测薄膜厚度已经成为一种至关重要的技术。例如中国专利申请号为201310137996.6，公开了一种用于测量纳米级金属薄膜厚度的SPR相位测量方法，由于SPR效应的局限性，此方法仅可以测量金属薄膜，无法测量的非金属薄膜，适用范围不够广泛。
线偏振光是由两束左、右旋圆偏振光组成。当一束线偏振光入射到空气与棱镜分界面时，由于介质的折射率不均匀分布，在反射或者折射时被***为两束沿相反方向的圆偏振光，这种现象叫做光自旋霍尔效应(SpinHall Effect of Light，SHEL)。在关于SHEL的研究中发现，薄膜厚度会影响SHEL的***位移的大小，且SHEL在金属薄膜表面和非金属薄膜表面都存在，因此，本发明利用SHEL***位移这一特点，直接测量金属或者非金属薄膜的厚度，为测量薄膜厚度提供一种新思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够与被测物非接触、无损伤的测量金属和非金属所有材料的薄膜厚度方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，步骤一：建立各材料薄膜膜层厚度对应的SHEL***位移随入射角变化的理论曲线图；步骤二：选取被测材料SHEL***效应的敏感入射角度，使线偏振入射光以任意一初始角度入射到镀有待测薄膜的被测薄膜表面，光自旋霍尔效应，即SHEL导致反射光束中的左右旋分量产生***，用感光成像器件获取反射光的反射图像并进行处理得到相应的SHEL***位移，***位移为薄膜厚度和偏振光入射角的函数；步骤三：从初始角度依次改变入射角得到SHEL***位移随入射角度变化的被测薄膜的测量曲线；步骤四：将步骤三所得被测薄膜的测量曲线比对步骤一所得SHEL***位移随入射角度变化的理论曲线进行比对分析，确定纳米薄膜的厚度。
反射光的左右旋分量的***位移与薄膜厚度d的关系为：
其中，
下标σ代表﹢、﹣，分别表示光束的左旋和右旋分量；γ为入射光的偏振角，即偏振方向与xi轴之间的夹角；Re表示取实部；w0表示入射到被测样品表面的高斯光束的束腰；λ为入射光在传播介质1中的波长，
式中
i分别代表1、2、3，其中1代表第一层介质，2代表薄膜层，3代表第三层介质，ε1和ε3分别代表第一层和第三层介质(基底)的相对介电常数，λ为入射光波长，θ为入射角度，d和ε2为薄膜层的厚度和相对介电常数，r12为第一层介质和薄膜层交界面的反射系数，r23为薄膜层和第三层介质交界面的反射系数。
所述线偏入射光的偏振角γ为0-180°中的任一角度，所述入射光的波长λ为对被测材料的SHEL***效应敏感波长任意长度。
通过计算理论数据和测量数据的残差平方和最小时，由此时的理论曲线确定薄膜的厚度。
纳米薄膜厚度的测量精度小于等于1nm。
被测纳米薄膜为单层薄膜或多层薄膜。
所述薄膜为金属膜或非金属膜。
所述薄膜测量厚度范围为0.1—100nm。
所述薄膜测量厚度范围为大于100nm的薄膜。
所述感光成像器件为CCD相机或CMOS相机。
本发明的有益效果是：本发明是利用SHEL的***位移与薄膜厚度的关系，实现了对金属和非金属所有材料薄膜厚度的非接触、无损的高精度测量，且该测量***结构简单、便于操作。
附图说明
图1为本发明SHEL在被测样品表面的示意图，
图2(a)为本发明Cr2O3膜0-5nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，
图2(b)为本发明Cr2O3膜5-70nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，
图2(c)为本发明Cr2O3膜70-80nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，
图2(d)为本发明Cr2O3膜80-100nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，
图3(a)为本发明Au膜0-5nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，
图3(b)为本发明Au膜5-20nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，
图4为本发明用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法的实施步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
线偏振光是由两束左、右旋圆偏振光组成，当一束线偏振光入射到空气与棱镜分界面时，由于介质的折射率不均匀分布，在反射或者折射时被***为两束沿相反方向的圆偏振光，这种现象叫做光自旋霍尔效应(Spin Hall Effect of Light，SHEL)。在关于SHEL的研究中发现，薄膜厚度会影响SHEL的***位移的大小，且SHEL在金属薄膜表面和非金属薄膜表面都存在，因此，本发明利用SHEL***位移这一特点，直接测量金属或者非金属薄膜的厚度，为测量薄膜厚度提供一种新思路。
如图1、图4所示：一种用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，步骤一：建立各材料薄膜膜层厚度对应的SHEL***位移随入射角变化的理论曲线图；步骤二：选取被测材料SHEL***效应的敏感入射角度，使线偏振入射光以任意一初始角度入射到镀有待测薄膜的被测薄膜表面，光自旋霍尔效应，即SHEL导致反射光束中的左右旋分量产生***，感光成像器件获取反射光的反射图像并进行处理得到相应的SHEL***位移，***位移为薄膜厚度和偏振光入射角的函数；步骤三：依次改变入射角得到SHEL***位移随入射角度变化的被测薄膜的测量曲线；步骤四：将步骤三所得被测薄膜的测量曲线比对步骤一所得SHEL***位移随入射角度变化的理论曲线进行比对分析，确定纳米薄膜的厚度。
根据菲涅耳公式，p偏振分量(横电波)和s偏振分量(横磁波)在被测样品表面反射时的反射系数r和反射相位φ的表达式为
式中
i分别代表1、2、3，其中1代表第一层介质，2代表薄膜层，3代表第三层介质，ε1和ε3分别代表第一层和第三层介质(基底)的相对介电常数，λ为入射光波长，θ为入射角度，d和ε2为薄膜层的厚度和相对介电常数，r12为第一层介质和薄膜层交界面的反射系数，r23为薄膜层和第三层介质交界面的反射系数。
一束线偏光，可以看成由一束左旋圆偏振光|+>和一束右旋圆偏振光|->组成，比如p偏振(|H>)可以表示成s偏振(|V>)可以表示成根据理论推导，偏振角为γ的单色高斯线偏入射光束，经反射后，光束的左旋|+>和右旋|-＞分量产生的光自旋***位移为：
其中，
下标σ代表﹢、﹣，分别表示光束的左旋和右旋分量；γ为入射光的偏振角，即偏振方向与xi轴之间的夹角；Re表示取实部；w0表示入射到被测样品表面的高斯光束的束腰；
由以上公式可以求得不同偏振态γ下的光的左旋分量和右旋分量的反射时的***位移，从上式中可以看出，***位移的大小受到薄膜厚度和入射角度的共同影响。
本发明的实施例中采用输出波长为632.8nm的氦氖激光器，高斯光束的束腰w0为27μm，偏振角γ＝0°，入射角度选取40至80度，变化间隔1度。样品为金属薄膜和非金属薄膜两种。非金属薄膜样品为：薄膜为介电常数为4.89的Cr2O3(对应图1中ε2层)，基底材质为介电常数为14.87的单晶硅；金属薄膜样品为：薄膜为介电常数为-10.6+0.81i的Au(对应图1中ε2层)，基底材质为介电常数为14.87的单晶硅；图2(a)为本发明Cr2O3膜0-5nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，图2(b)为本发明Cr2O3膜5-70nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，图2(c)为本发明Cr2O3膜70-80nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，图2(d)为本发明Cr2O3膜80-100nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，图3(a)为本发明Au膜0-5nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图，
图3(b)为本发明Au膜5-20nm厚度对应的反射光左旋分量的光自旋***位移随入射角度变化的曲线图。从各图中分别可以看出，即使膜的膜层变化1nm，曲线图也具有良好的区分度，因此通过比对理论曲线和测量曲线，可以确定被测样品所镀薄膜的厚度。
由实施例中已知的激光器输出波长632.8nm、单晶硅基底的介电常数14.87，Cr2O3薄膜的介电常数3.12，Au薄膜的介电常数-10.8+0.81i，可计算出经镀膜区域反射后的理论自旋***位移值δ(d,θ,λ,γ)。通过比对理论曲线和测量曲线，当计算理论数据和测量数据的残差平方和最小时，即可确定薄膜的厚度。残差平方和的具体计算方法如下：
式中，ln代表测量数据，yn代表理论数据，vn代表残余误差(简称残差)。
本发明所述方法并不仅限于Cr2O3和Au膜的厚度的测量，也不限于纳米级薄膜厚度的测量，以不同材质设定薄膜厚度测量范围，分辨力和精度优于1nm。该方法属于非接触测量方法，测量过程中不会对薄膜造成损伤。本发明所述方法也不仅限于单层，可以是多层。

Claims (9)

1.一种用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，步骤一：建立各材料薄膜膜层厚度对应的SHEL***位移随入射角变化的理论曲线图；
步骤二：选取被测材料SHEL***效应的敏感入射角度，使线偏振入射光以任意一初始角度入射到镀有待测薄膜的被测薄膜表面，光自旋导致反射光束中的左右旋分量产生***，用感光成像器件获取反射光的反射图像并进行处理得到相应的SHEL***位移，***位移为薄膜厚度和入射角的函数；
步骤三：改变入射角得到SHEL***位移随入射角度变化的被测薄膜的测量曲线；
步骤四：将步骤三所得被测薄膜的测量曲线比对步骤一所得SHEL***位移随入射角度变化的理论曲线进行比对分析，确定纳米薄膜的厚度；
反射光的左右旋分量的***位移与薄膜厚度d的关系为：
其中，
下标σ代表﹢、﹣，分别表示光束的左旋和右旋分量；γ为入射光的偏振角，即偏振方向与xi轴之间的夹角；Re表示取实部；w0表示入射到被测样品表面的高斯光束的束腰；λ为入射光在传播介质1中的波长，
式中
i分别代表1、2、3，其中1代表第一层介质，2代表薄膜层，3代表第三层介质，ε1和ε3分别代表第一层和第三层介质即基底的相对介电常数，λ为入射光波长，θ为入射角度，d和ε2分别为薄膜层的厚度和相对介电常数，r12为第一层介质和薄膜层交界面的反射系数，r23为薄膜层和第三层介质交界面的反射系数。
2.根据权利要求1所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：所述线偏振入射光的偏振角γ为0-180°中的任一角度，所述线偏振入射光的波长λ为对被测材料的SHEL***效应敏感波长任意长度。
3.根据权利要求1所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：通过计算理论数据和测量数据的残差平方和最小时，由此时的理论曲线确定薄膜的厚度。
4.根据权利要求1所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：薄膜厚度的测量分辨力和精度优于1nm。
5.根据权利要求1所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：被测薄膜为单层薄膜或多层纳米薄膜。
6.根据权利要求1所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：所述薄膜为金属膜或非金属膜。
7.根据权利要求1至6任一项所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：所述薄膜的厚度测量范围为纳米级至亚微米级。
8.根据权利要求7所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：所述薄膜测量厚度范围为0—100nm。
9.根据权利要求1所述的用于测量薄膜厚度的SHEL***位移测量方法，其特征是：所述感光成像器件为CCD相机或CMOS相机。
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