外差干涉橢圓偏振測(cè)量的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、納米級(jí)厚度薄膜在微電子、材料與化學(xué)工程、光學(xué)與激光技術(shù)等諸多科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。針對(duì)自動(dòng)光度式橢偏儀的缺點(diǎn)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)、在線測(cè)量要求，本文對(duì)外差干涉橢圓偏振測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括外差光源、穩(wěn)頻電路、外差信號(hào)處理、相位差測(cè)量和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，重點(diǎn)研究了非線性混頻誤差的產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)外差干涉橢圓偏振測(cè)量的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析基本一致。 利用抗干擾能力強(qiáng)的外差干涉法與橢偏測(cè)量術(shù)相結(jié)合，首次系

2、統(tǒng)的完成了納米薄膜外差干涉橢圓偏振測(cè)量理論的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。根據(jù)具體的納米薄膜模型，研究了橢偏參數(shù)復(fù)靈敏度因子的變化規(guī)律及誤差傳遞的約束關(guān)系，明確給出了膜厚納米級(jí)測(cè)量精度與外差信號(hào)幅值、相位差檢測(cè)精度之間的數(shù)值關(guān)系式。 分別采用縱向塞曼激光器和聲光調(diào)制器作為外差頻率源，設(shè)計(jì)了反射式和透射式兩種干涉式橢偏測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，原理分析表明這種分頻、共光路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效提高系統(tǒng)抗干擾能力；系統(tǒng)中沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，在保留橢偏測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)的同時(shí)

3、，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量速度。 弱磁場(chǎng)中的縱向塞曼激光器輸出40KHz的拍頻信號(hào)，采用光強(qiáng)比較法、熱補(bǔ)償法和模擬PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)頻控制。設(shè)計(jì)了相位直接比較和高頻脈沖填充計(jì)數(shù)的測(cè)相電路，相位差測(cè)量分辨力達(dá)到0.12°。設(shè)計(jì)并完成了模擬信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)接口電路、橢偏方程反演程序。首次實(shí)現(xiàn)了在非恒溫、大干擾環(huán)境中，納米級(jí)精度的外差干涉橢偏薄膜測(cè)量，并分析了入射角測(cè)量誤差、拍頻穩(wěn)定度、測(cè)相電路誤差和環(huán)境干擾對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

4、 采用瓊斯矢量法，首次綜合的分析了偏振橢圓化、偏振非正交和偏振器件分光誤差同時(shí)作用時(shí)，非線性混頻誤差的產(chǎn)生機(jī)制及其對(duì)外差干涉橢偏測(cè)量精度的影響。分析結(jié)果表明由此產(chǎn)生的膜厚測(cè)量誤差可達(dá)數(shù)納米量級(jí)，非線性混頻誤差是影響外差干涉橢圓偏振測(cè)量實(shí)用化的關(guān)鍵因素。橢偏參數(shù)｜ρ｜受誤差因素影響較大，應(yīng)該優(yōu)先選用△求解薄膜參數(shù)。光束偏振態(tài)(橢圓化和非正交)對(duì)測(cè)量影響較大，挑選合適的激光源和波片是實(shí)現(xiàn)納米精度測(cè)量的前提。定義了誤差評(píng)價(jià)因子，用于預(yù)估非線