外差干涉橢圓偏振測量的理論與實驗研究.pdf

1、納米級厚度薄膜在微電子、材料與化學工程、光學與激光技術(shù)等諸多科學領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。針對自動光度式橢偏儀的缺點及工業(yè)現(xiàn)場的實時、在線測量要求，本文對外差干涉橢圓偏振測量技術(shù)進行了系統(tǒng)的理論分析和實驗研究。實驗系統(tǒng)包括外差光源、穩(wěn)頻電路、外差信號處理、相位差測量和光學系統(tǒng)設(shè)計等環(huán)節(jié)，重點研究了非線性混頻誤差的產(chǎn)生機理及對外差干涉橢圓偏振測量的影響。實驗數(shù)據(jù)與理論分析基本一致。 利用抗干擾能力強的外差干涉法與橢偏測量術(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測量精度與外差信號幅值、相位差檢測精度之間的數(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)計了反射式和透射式兩種干涉式橢偏測量系統(tǒng)光學結(jié)構(gòu)，原理分析表明這種分頻、共光路的結(jié)構(gòu)設(shè)計能有效提高系統(tǒng)抗干擾能力；系統(tǒng)中沒有機械旋轉(zhuǎn)部件，在保留橢偏測量優(yōu)點的同時

3、，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量速度。 弱磁場中的縱向塞曼激光器輸出40KHz的拍頻信號，采用光強比較法、熱補償法和模擬PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了穩(wěn)頻控制。設(shè)計了相位直接比較和高頻脈沖填充計數(shù)的測相電路，相位差測量分辨力達到0.12°。設(shè)計并完成了模擬信號處理及計算機接口電路、橢偏方程反演程序。首次實現(xiàn)了在非恒溫、大干擾環(huán)境中，納米級精度的外差干涉橢偏薄膜測量，并分析了入射角測量誤差、拍頻穩(wěn)定度、測相電路誤差和環(huán)境干擾對測量數(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作用時，非線性混頻誤差的產(chǎn)生機制及其對外差干涉橢偏測量精度的影響。分析結(jié)果表明由此產(chǎn)生的膜厚測量誤差可達數(shù)納米量級，非線性混頻誤差是影響外差干涉橢圓偏振測量實用化的關(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)對測量影響較大，挑選合適的激光源和波片是實現(xiàn)納米精度測量的前提。定義了誤差評價因子，用于預估非線