TP77椭圆偏振光测厚仪功能的拓展研究

　　1　设备的改装

　　改装前的TP77型椭偏仪可用图1所示的框图说明.由氦氖激光器发出的单色光经起偏器后成为线偏振光,该线偏振光入射到λ/4波片上,从λ/4波片上射出的光是p波(平行于入射面的光分量)和s波(垂直于入射面的光分量)等幅,且相位差可调(通过调节起偏器的起偏角可调节p波与s波的相位差)的椭圆偏振光[1].根据椭偏仪的实验可计算出椭偏参数Ψ和Δ,然后利用公式对膜厚和膜的光学参数进行计算.下面分两种情况进行讨论.

　　a.厚吸收膜的情形.

　　把入射角和由上面计算得到的Ψ和Δ代入公式[2]

　　用计算机进行数值迭代或求解相应的一元四次方程便可得到n和k的值

　　b.透明膜的情形

　　设p波和s波反射系数之比为ρ,把Ψ,Δ和入射角代入公式

　　选择一定的目标函数用线性插值法作数值反演计算可求得膜的折射率n和膜的厚度d.

　　改装后的TP77型椭偏仪系统框图如图2所示.用卤钨灯(或氙灯)取代原来的氦氖激光器光源,从卤钨灯(点光源)发出的光经透镜准直后入射到自动扫描光栅单色仪的进口狭缝.该单色仪中的步进马达对波长作连续扫描,扫描得到的单色光经反射镜从出射狭缝射出.该狭缝射出的单色光直接耦合到TP77椭偏仪的入射臂(即起偏镜),经过起偏器后成为线偏振光.该线偏振光入射到样品表面后,由于膜系对入射光的p分量和s分量的作用不同,使得从膜系表面反射的光中,

　　p分量和s分量之间存在一个相位差,因此反射光是一个椭圆偏振光.该椭偏光经过检偏器后又成为线偏振光(该线偏振光的光强随检偏器的角度而改变),再经过光电倍增管转换为光电流信号并加以放大,此电流信号用微电流计可以检测到,并用电脑化X-Y函数记录仪记录下来,被记录的数据直接送入计算机进行处理,得到所需要的n,k等待求参数.

　　改装后的TP77椭偏仪采用光度法[1]对膜系进行测量.即通过测量反射光的光强与检偏器的方位角来获得二者之间的对应关系,从而获得膜系的椭偏参数Ψ和Δ[1~3].

　　知道Ψ和Δ以后就可以用公式(1)~(3)计算出膜系的光学参数和膜厚.

　　2　测量结果

　　用改装后的TP77椭偏仪结合上述系列计算公式与计算方法,成功地测出了抛光硅片、ITO膜、非晶硅膜、氮化硅膜及二氧化硅膜的各种光学参数.图3给出了对P型抛光硅片在三种不同检偏角下作波长扫描的结果.图中,横坐标表示波长,纵坐标表示相对光强.该项测试用卤钨灯作光源,在400~700nm范围内对波长进行扫描,得到了不同检偏角下光强(以相应的光电流表示)随波长变化的曲线.把P型抛光硅片当作厚吸收膜处理,利用图3可得到不同波长下抛光硅片在检偏角为0°,45°和135°时的反射光强I(0°),I(45°)和I(135°),并由此计算出相应的椭偏参数Ψ,Δ和光学参数n,k.表1给出了波长为500 nm,600 nm和700 nm时的计算结果.这一结果与文献2图6中单晶硅的曲线相吻合.