寄生虚反射对外差干涉椭偏测量的影响

　　0　引　言

　　各种纳米级厚度薄膜在微电子、材料、光学及激光技术等领域有着广泛地应用。薄膜参数(折射率和厚度)对产品性能有直接的影响,纳米精度薄膜测量技术一直是国内外研究热点之一。由于具有高精度、非接触、可以同时测得折射率和厚度且擅长测量极薄膜等优点,椭圆偏振测量术是目前最重要的一种薄膜检测方法[1]。目前各种类型的椭偏仪发展很快,也可以成功应用于在线测量,但测量速度仍然不能够适应一些快速过程;由于常规椭偏仪存在机械旋转部件,不但限制了测量速度的进一步提高,而且导致一些固有的误差难以消除。与激光外差干涉测量技术相结合是薄膜椭偏测量发展的一个重要方向,对于实时、快速薄膜测量有很好的应用价值,但外差干涉测量系统中固有的非线性误差是其获得实际应用的主要障碍[2—7]。其中Wu首次提出并研究了虚反射波对外差干涉仪非线性的影响[8],以上的研究都集中于采用迈克尔逊式干涉仪结构的动态位移测量系统。

　　本课题组曾报道了反射式外差干涉椭偏测量技术的理论与实验研究,分析了系统中存在的非线性混频误差[9]。本文进一步研究了该系统中存在的寄生虚反射对测量精度的影响。

　　1　实验系统

　　改进的Mach-Zehnder型干涉仪结构如图1所示。横向塞曼激光器输出两束正交线偏振光,拍频为Δω=ω2-ω1,通过偏振分光镜(PBS1)分成测量光路和参考光路。半波片(HWP)旋转光束偏振方p,s分量近似等强度入射薄膜样品。在BS2测量光束和参考光束中的p,s分量对应干涉合成,由PBS2分成两路外差干涉信号。由文献[9]可知,在BS2合成的场强信号分量可以表示为

　　根据两路外差信号的幅值比和相位差,即可得到所需要的椭偏参数。

　　实验测量了单层透明ITO膜。除了塞曼激光源和PBS等光学器件的非理想所导致的非线性频率混叠误差[9]之外,椭偏参数(幅值比|ρ|,相位差Δ)实验数据仍然存在不规律的残余波动,波动幅度约在(0.1%,0.1°)量级,由此引入亚纳米级的膜厚测量误差。光学系统中存在的寄生虚反射是产生此项误差的主要原因。

　　2　虚反射引入的误差

　　本文用“虚反射”统指复杂光学系统中存在的“鬼点反射”和“杂散光”。尽管所有透射光学元件表面都镀了减反膜,但仍有少量的剩余反射(即“鬼点反射”)[10];杂散光主要由光学元件、机械零件的反射、散射而产生,具体包括:光束在系统中各折射面之间的多次反射、光束在光学元件表面和体内的散射、全反射面引起的杂光、膜层的散射等[11]。已有的研究主要关注虚反射对光束质量、成像质量和光学元件的损坏上[10—12],本文研究虚反射对外差干涉信号的影响。