关于热生长SiO_2薄膜厚度的测量

在半导体硅器件的研究工作中,需要准确地测量和控制SiO_2薄膜的厚度。由于干涉原理,SiO_2薄膜在白光照射下呈现颜色。但薄膜厚度与颜色相应的单色光的波长并不成简单的函数关系。本文叙述了用干涉显微镜测量热生长SiO_2薄膜厚度的方法。由测量结果得到SiO_2薄膜的折射率以及SiO_2和硅界面及空气和硅界面反射相移之差。并且测量了一组标准样品的薄膜厚度,列出了薄膜厚度与干涉颜色的对应关系。所得结果与从Rollet数据所推算的结果大致符合。样品厚度还包括了Rollet数据中所未包括的范围(3300—4200)。     

小位移量的动态双频干涉测量

从实用观点检验了小位移量的双频率干涉测量。用声光布莱恪盒进行正弦强度调制的激光束,产生动态干涉的信号和参考光波。接收干涉的光电探测器的输出信号,由光零差和外差分量组成。外差分量携带振动性位移以探测其振幅。正弦振幅可测到0.5nm。     

激光外差干涉快速超精密测量模型研究

为了精确地描述激光外差干涉在快速超精密测量中的位移测量．建立了激光外差干涉快速超精密测量模型。传统外差干涉测量模型采用舍去高阶误差的方法,便于分析与快速计算,但存快速纳米精度测量中,高阶误差已经影响到测量精度．根据多普勒频移公式,通过分析激光外差干涉的测量原理．在已有的激光干涉测量模型上增加了u^2/c的积分项．相当于将传统测量模型进行了高阶误差补偿。通过理论分析可知,当最高测量速度为1m/s,运行位移为3m时,该测量模型能够减小约18nm的测量误差,解决了传统测量模型存存的残余误差累计问题,从而为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。     

关于热生长SiO2薄膜厚度的测量

在半导体硅器件的研究工作中,需要准确地测量和控制SiO₂薄膜的厚度。由于干涉原理,SiO₂薄膜在白光照射下呈现颜色。但薄膜厚度与颜色相应的单色光的波长并不成简单的函数关系。本文叙述了用干涉显微镜测量热生长SiO₂薄膜厚度的方法。由测量结果得到SiO₂薄膜的折射率以及SiO₂和硅界面及空气和硅界面反射相移之差。并且测量了一组标准样品的薄膜厚度,列出了薄膜厚度与干涉颜色的对应关系。所得结果与从Rollet数据所推算的结果大致符合。样品厚度还包括了Rollet数据中所未包括的范围(3300—4200?)。     

多层光学薄膜周期厚度的双晶X射线掠入射研究

阐述了掠入射Ｘ射线测量薄膜厚度的条件，讨论和分析了掠入射Ｘ射线测量多层薄膜厚度的干涉原理和方法。利用双晶Ｘ射线衍射仪对多层光学薄膜的周期厚度进行了掠入射小角度测量，获得了令人满意的结果，测量值与设计值极好地吻合。     

基于GIXRR反射率曲线的二氧化硅纳米薄膜厚度计算

为了快速、准确得到纳米薄膜厚度,采用Kiessig厚度干涉条纹计算薄膜厚度的线性拟合公式,计算了不同系列厚度(10~120 nm)的二氧化硅薄膜。薄膜样品采用热原子层沉积法(T-ALD)制备,薄膜厚度使用掠入射X射线反射(GIXRR)技术表征,基于GIXRR得到的反射率曲线系统讨论了线性拟合公式计算薄膜厚度的步骤及影响因素,同时使用XRR专业处理软件GlobalFit2.0比较了两种方法得到的膜厚,最后提出一种计算薄膜厚度的新方法-经验曲线法。结果表明：峰位级数对线性拟合厚度产生主要影响,峰位级数增加,厚度增大;峰位对应反射角同样对线性拟合厚度有较大影响,表现为干涉条纹周期增大,厚度减小。但峰位级数及其对应反射角在拟合薄膜厚度过程中引入的误差可进一步通过试差法,临界角与干涉条纹周期的校准来减小。对任意厚度的同一样品,线性拟合和软件拟合两种方法得到的薄膜厚度具有一致性,厚度偏差均小于0.1 nm,表明线性拟合方法的准确性。在厚度准确定值的基础上提出薄膜厚度与干涉条纹周期的经验关系曲线,通过该曲线,可直接使用干涉条纹周期计算薄膜厚度,此方法不仅省略了线性拟合过程中确定峰位级数及其对应反射角的繁琐步骤,而且避免了软件拟合过程中复杂模型的建立,对快速、准确获得薄膜厚度信息具有重要的意义。     

10～500 kHz水听器的激光外差干涉法原级校准

阐述了水听器在10~500 kHz频率范围的激光外差干涉法原级校准的原理和测量装置。利用激光外差干涉系统非接触测量水中反光薄膜在声波调制下引起的多普勒频移,经过零点信号解调算法得到水质点振速,准确复现水下声压量值,之后将水听器置于水中测量点完成对其自由场电压灵敏度的原级校准。对各误差因素进行了分析,详细给出了系统测量不确定度的评定方法,在所测频段的不确定度为0.6 dB (k=2)。将激光外差干涉法水听器校准结果与自由场互易法结果进行了对比,在整个测量频率范围内结果等效,且前者不确定度更小。为建立新的水声计量基准和实现水声量值的扁平化传递奠定了基础。      

光电极值法结合外差干涉法监控膜厚的研究

光电极值法是光学薄膜厚度监测的常用方法,该方法在镀膜前引用块状材料的折射率设计膜系。而在实际镀制过程中,用于镀制光学薄膜的材料折射率会发生改变,从而给膜厚的监控带来误差。为了避免折射率变化的影响,采用外差干涉法测量折射率,将实际测得的薄膜折射率应用光电极值法监控薄膜的设计,从而减少了因材料折射率的变化引起的误差。以750nm截止滤光片的镀制为被测对象进行了实验,对制备的滤光片透射率光谱曲线进行了比较。结果表明,实际的透射率曲线与设计的透射率曲线吻合较好,两次实验曲线平均吻合度均在98%以上,系统稳定性很好,从而说明结合外差干涉法的光电极值监控法可以很好地克服折射率变化引起的误差。     

多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量玻璃厚度的方法

本文提出了一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量玻璃厚度的新方法. 基于激光外差技术和多普勒效应, 通过做简谐振动的多普勒振镜对不同时刻入射光的频率进行正弦调制, 把待测厚度信息加载到外差信号的频率差中, 通过快速傅里叶变换对外差信号解调后可以同时得到多个待测玻璃厚度值, 经加权平均处理可以提高待测厚度的测量精度. 利用这种新方法, 通过MATLAB仿真测量了不同玻璃厚度值, 结果表明：该测量结果的最大相对误差小于0.008%.     

基于白光干涉的光学薄膜物理厚度测量方法

设计了一套利用白光干涉理论测量薄膜厚度的系统,主要包括迈克耳孙白光于涉系统和光纤光谱仪.对干涉信号进行频域分析,结合拟合测试与理论能量曲线的方法并选择合适的目标函数,进一步精确反演得到待测薄膜样品的物理厚度,使用上述方法对多组不同厚度的薄膜样品进行计算,并对结果进行了详细的精度及误差分析.将本实验装置测试所得到的数据与传统的光度法相比较,结果表明使用该测试方法测量光学薄膜物理厚度的误差可以小于1 nm.与传统的光度法和椭偏法相比,提供了一种测量光学薄膜厚度的较为简单、快速的解决方案,同时保证了较高的精度.     

A method for measuring the complex refractive index and thickness of a thin metal film

A circularly polarized heterodyne light beam is incident on a thin metal film, causing successive reflections and refractions to occur at the two sides of the thin film. The phase difference between p- and s-polarizations of the multiple-beam interference signal can be measured accurately with an analyzer and heterodyne interferometry. The phase difference depends on the azimuth angle of the analyzer, the complex refractive index and the thickness of the thin metal film. The measured values of the phase differences under three different azimuth angles of the analyzer can be substituted into the special equations derived from Fresnels equations and multiple-beam interference. Hence, the complex refractive index and the thickness of the thin metal film can be estimated by using a personal computer with a numerical analysis technique. Because of its common-path optical configuration and its heterodyne interferometric phase measurement, this method has many merits, such as high stability against surrounding vibrations, high resolution and easy operation. PACS 78.66.Bz; 78.20.Ci; 07.60.Cy     

非接触法自动测量薄膜厚度

根据白光等厚干涉原理,基于单片机改造的迈氏干涉仪用于自动测量透明薄膜厚度,采用非接触性测量法。当迈克尔逊干涉仪静镜形成的虚像与动镜相交所成的夹角很小时,在光屏上看到彩色干涉条纹,插入薄膜后,光程差改变,彩纹消失。步进电机带动微调手轮转动,当彩纹再次出现,即可得出透明薄膜厚度。     

超二代微光像增强器多碱光电阴极膜厚测量研究

介绍了多碱光电阴极的光学性能和光谱反射率特性,测量了多碱阴极的光谱反射率曲线.该曲线与普通光学膜层光谱反射率曲线相比,形状较不规则,原因是多碱阴极膜层存在光吸收.光谱反射率曲线上的干涉峰是入射光在玻璃与阴极膜层界面反射和在阴极膜层与真空的界面反射的两束光发生干涉的结果.根据干涉的原理,如果阴极膜层所反射的两束光的光程差为二分之一波长的偶倍数时,光谱反射将出现干涉加强峰;如果阴极膜层所反射的两束光的光程差为二分之一波长的奇倍数时,光谱反射将出现干涉减弱峰.根据超二代像增强器光谱反射干涉峰对应的波长,可以计算出其阴极膜层的厚度约为191 nm,比二代像增强器阴极膜层的厚度增加了38％.多碱阴极膜层厚度是影响多碱阴极灵敏度的一个关键参量,仅仅靠人眼观察阴极膜层颜色的方法不准确.实践证明,利用光谱反射的方法来计算阴极膜层厚度的方法简单有效.如果在多碱阴极的制作过程中进行光谱反射率的监控,那么将可以精确控制阴极膜层的厚度,对多碱阴极的研究将会更加深入,多碱阴极的灵敏度也将会得到进一步的提升.     

Phase-based method in heterodyne-modulated ellipsometer

A new common-path heterodyne-modulated ellipsometer with two-phase detection to measure the ellipsometric parameters of amplitude ratio (Ψ) and phase difference (Δ) between p- and s-polarizations of the thin film isotropic materials is proposed. Uniquely, the new scheme distinct from the other previous studies is only by taking two phases from heterodyne signals. Thus, the proposed system is a phase-sensitive modulated ellipsometer that can have the ability to measure the full range of the ellipsometric parameters with high sensitivity and eliminate the intensity fluctuation in system. The ability and performance of modulated ellipsometer on measurement of thin film thickness and ellipsometric parameters are verified by experiments. The errors regarding the ellipsometric parameter measurements are also discussed. The experimental results show that the average standard variation of measured ellipsometric parameters (Ψ and Δ) and the thickness measurement of silica thin film deposited on silicon substrate are 0.13°, 0.94°, and 0.55 nm, respectively. Accordingly, this new idea can be applied to measure isotropic thin film with extremely high absorbance that results in the poor signal/noise ratio in contrast extraction from heterodyne signals.     

System for measuring optical admittance of a thin film stack

A new method based on the polarization interferometer structure has been applied to measure the optical admittance, the refractive index and thickness of a thin film. The structure is a vibration insensitive optical system. There is one Twyman-Green interferometer part to induce a phase difference and one Fizeau interferometer part to induce the interference in the system. The intensities coming from four different polarizers were measured at the same time to prevent mechanical vibration influence. Using the polarization interferometer, the optical admittance, the refractive index and thickness of a single layer of Ta₂O₅ thin film has been measured. The measurement results were compared with the results obtained by ellipsometer. The results meet reasonable values in both refractive index and thickness.     

Measurement of absolute phase Shift on reflection of thin films using white-light spectral interferometry

A novel method to measure the absolute phase shift on reflection of thin film is presented utilizing a white-light interferometer in spectral domain. By applying Fourier transformation to the recorded spectral interference signal, we retrieve the spectral phase function Ф, which is induced by three parts： the path length difference in air L, the effective thickness of slightly dispersive cube beam splitter Teff and the nonlinear phase function due to multi-reflection of the thin film structure. We utilize the fact that the overall optical path difference （OPD） is linearly dependent on the refractive index of the beam splitter to determine both L and Teff. The spectral phase shift on reflection of thin film structure can be obtained by subtracting these two parts from Ф. We show theoretically and experimentally that our new method can provide a simple and fast solution in calculating the absolute spectral phase function of optical thin films, while still maintaining high accuracy.     

An enhanced common path interference optic measurement system for refractive indices and thickness

This study proposes a common path interference optical system for the measurement of refractive indices and thickness of uniaxial crystal material. The measurement system comprises an accurate Mach–Zehnder laser interferometer, a single-axis rotary stepping motor, and a computer. The laser interferometer is composed of a single-frequency He–Ne laser, two-beam splitters and two reflectors. The Mach–Zehnder laser interferometer measures the optical length difference by using its linear measurement accuracy. The proposed solution procedure enables both the refractive indices and the thickness of the optical waveplate to be obtained. The proposed design differs from conventional designs in that it does not use a heterodyne modulator with a lock-in technique. It is shown that the refractive indices and thickness of the tested optical elements can be measured rapidly and accurately.     

基于外差干涉的微振动测量技术研究

针对外差干涉的微振动测量存在稳定性低、严重受环境噪声影响等缺点,提出了对光路的改进方案。根据差分原理将其改为双光路,消除环境噪声的干扰;通过偏振分光棱镜（PBS）将椭圆偏振光变为线偏光,提高干涉信号幅值;改进频移装置(AOM),抑制频率漂移;增加光阑,滤除杂散光,提高系统信噪比。通过探测5 kHz压电陶瓷振动信号,以及2.5 MHz高频激光超声信号进行实验验证,结果表明:信号稳定且无纹波,系统分辨率为2.3 nm,信噪比提高16.7倍。两路干涉信号幅值分别为552 mV和736 mV,较传统外差干涉信号幅值提高近10倍,有利于纳米量级微振动信号的检测。     

椭偏与光度法联用精确测定吸收薄膜的光学常数与厚度

介绍了一种同时利用椭偏仪和分光光度计精确测量薄膜光学常数的方法, 并详细比较了该方法与使用单一椭偏仪拟合结果的可靠性.采用可变入射角光谱型椭偏仪（VASE）表征了250—1700 nm波段辉光放电法沉积的类金刚石薄膜,研究发现当仅用椭偏参数拟合时,由于厚度与折射率、消光系数的强烈相关性,无法得到吸收薄膜光学常数的准确解.如果加入分光光度计测得的透射率同时拟合,得到的结果具有很好的惟一性.该方法无需设定色散模型即可快速拟合出理想的结果,特别适合于确定透明衬底上较薄吸收膜的光学常数. 关键词： 光学常数 光谱型椭偏仪 吸收薄膜 透射率     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。