基于Labview技术的消光式椭偏测厚仪的研究与设计

　　随着纳米级薄膜技术的迅速发展,精确测量薄膜厚度和折射率等光学参数受到人们的高度关注。椭圆偏振法是一种先进的测量薄膜厚度和折射率的光学方法,它具有测量灵敏度高、精度高,以及快速和非接触等特点。在半导体材料、光电子器件、光学、化学和生物等领域有着广泛的应用。目前,国外椭偏仪研究向着测定多层膜、对快速工艺过程或变化进行测量以及椭偏光谱术的方向发展[1]。国内相关研究部门也研制了类似的系统,如何实现自动测量和快速准确的测量方法成为研究的焦点[2]。

　　本设计将虚拟仪器技术引入椭偏仪的设计中,改善了系统的灵活性,实现参数的自动测量。基于数值计算原理,利用Matlab求解椭偏方程,缩短了数据处理时间,消光法二次测量时间小于2 min,比国内一般的消光法测量时间缩短了10~15倍。系统具有测量精度高、速度快和重复性好的特点。将虚拟仪器技术应用于椭偏仪测量系统的设计有助于椭偏测量术的发展,有着重要的意义。

　　1　消光法测膜厚的原理

　　本设计采用消光法对薄膜厚度进行精确测量。其特点是不需要测定光强的绝对值,避免了由于测量光强绝对值而引起的较大误差,它的灵敏度和精度都比较高。

　　1.1　PQSA式椭偏仪光学系统分析

　　本设计是基于PQSA式椭偏仪光学系统,其结构如图1所示。主要由激光器、起偏器、检偏器、λ/4波片、样品台和光电倍增管组成。自然光经起偏器后成为线偏振光,经过λ/4波片形成椭圆偏振光,经样品反射后,由检偏器进行偏振态的检测,光电倍增管将相应光信号转换为电信号输出。

　　为方便建立数学模型,定义在入射面内与光线垂直的轴为P轴,垂直于入射面并与光线相交的轴为S轴,Z轴是光的传播方向,如图1所示。在垂直于光束传播方向的平面内,建立SOP坐标系,角度以顺时针方向旋转为正。

　　定义:起偏器方位角P2222起偏器透光轴与S轴的夹角(0≤P≤180°)检偏器方位角A2222检测器垂直光轴方向与S轴的夹角(-90°≤A≤90°)λ/4波片方位角C2222λ/4波片快轴与S轴的夹角(-90°≤C≤90°)

　　1.2　消光法数学模型的建立

　　本设计是基于环境媒质2透明薄膜2基底系统,其反射和折射情况如图2所示。根据环境媒质2透明薄膜2基底系统反射椭偏术的理论,薄膜的椭圆函数为：

　　1.3　PQSA式椭偏仪消光法的测量方法

　　为消除系统误差,采用二次测量方法。在实验中,设置λ/4波片的方位角C =45°,使线偏振光变成椭圆偏振光,椭圆主轴也倾斜45°,再经过薄膜反射后成为线偏振光。记录两次消光时起偏器和检偏器的方位角P1、P2、A1、A2。其中,P1-P2=90°或-90°,A1=-A2。当P1≤90°时,P2≥90°,令P3= P2-90°;当P1>90°时,P2<90°,令P3=P2+90°。取Ψ=(A1-A2)/2,Δ= (P1+P3)-90°。