外差椭偏纳米薄膜测量技术

　　引　言

　　纳米技术是下个世纪最重要的技术之一,各国均将其列为重点发展学科.其中,纳米测量是基础,各种纳米级的薄膜,在微电子、光学和液晶等生产领域中有着广泛的应用,因此需要一种方便快捷、高精度的薄膜在线测量方法.

　　激光干涉技术是薄膜无损检测中的主要方法,如CARIS[1,2](固定角度反射干涉光谱仪)和VAMFO[3](可变角单色条纹观测仪),缺点是不能同时测得膜厚和光学参数(除非用最小二乘法迭代,如此则限制了测量精度和速度的提高),而且为了达到一定的精度,待测膜厚必须d>λ/4.椭偏法是一种可同时获得光学参数和膜厚的高精度测量技术,能测量极薄膜和多层膜,但典型的消光式椭偏仪操作复杂、测量速度慢.因此出现了一些新型椭偏仪设计[4,5,7],但都因结构复杂,不能适应工业现场的在线连续测量.为此,本文提出了外差椭偏纳米薄膜测量技术.

　　1　理论分析

　　椭偏测量基本方程[6]为(以反射式为例):

（1）

　　其中,r、β分别为菲涅尔系数和相位厚度,与薄膜参数(n1,d1)有关,所以只要测得椭偏参数振幅比 ρ 和相位差Δ即可得薄膜参数.

　　由方程(1)可得膜厚d1的复灵敏度公式:

（2）

　　其中,kd为膜厚复灵敏度因子:

　　其中,X=exp(-i2β)=exp(γ·d1).同理得到折射率n1的复灵敏度表达式:

　　δρ/ρ=Kn·δn1/n1,其中,Kn为折射率n1的复灵敏度因子.

（4）

　　由(1)～(4)式可得:

（5）

　　(5)式表明椭偏参数( ρ ,Δ)的测量不确定度,对最终薄膜参数(n1,d1)测量精度的综合影响.通过计算可得出为达到预期测量精度——在置信概率P=99.73%(3σ)时,膜厚测量不确定度可达2～3nm(当膜厚≤50nm)或2%～3%(当膜厚d1>50nm);折射率测量不确定度为1%,即椭偏参数所容许的测量不确定度为δΔ≤0.5°,δ ρ / ρ ≤5%,则相位分辩率要达到0.2°以下,所以至少需要2000倍细分;而信号幅值相对测量不确定度要在5%以内.光外差测量中,相位分辨率与拍频信号频率是一对矛盾,对于1MHz的信号,目前最先进的相位计,分辨率可达0.1°,但价格昂贵,信号处理复杂;采用声光调制器产生拍频信号的方案[5],同样有上述缺点.所以本文提出了一种新的方法:采用弱磁场中的塞曼激光做光源,产生较低的拍频,从而不需任何信号变换,直接获得高倍相位细分.

　　2　光学测量系统

　　如图1所示,其中激光器、λ/4和PBS1需旋转45°,以使测量光偏振方向与入射面成45°照射薄膜样品(P、S分量强度相等).0.5mW He-Ne激光管处在弱磁场(约为30Gs)中,输出40kHz频差的左、右旋圆偏振光:

图1　分频反射式光学结构