本發(fā)明涉及精密測量領(lǐng)域的，尤其涉及一種測量薄膜厚度和折射率的方法。

背景技術(shù)：

1、納米薄膜具有獨(dú)特的光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)與氣敏特性，其在微電子、光電子、航空航天、生物工程、武器裝備、食品科學(xué)、醫(yī)療儀器和高分子材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。折射率和厚度作為納米級薄膜的基本參數(shù)，在光學(xué)器件、光電器件、半導(dǎo)體器件等器件中，是相關(guān)器件光學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)，影響著各類器件的性能。然而，納米級薄膜的折射率以及厚度與塊狀材料不同，會受很多因素的影響，比如納米薄膜的沉積方法、工藝參數(shù)以及材料性能等因素的影響，這就導(dǎo)致相同化學(xué)成分的薄膜材料在不同的沉積工藝和制備條件下得到的折射率或厚度也不相同。因此，準(zhǔn)確測量納米級薄膜的厚度和折射率對微納器件的設(shè)計、制造和應(yīng)用等方面均有重要意義。

2、可實(shí)現(xiàn)納米級薄膜厚度和折射率同時測量的方法主要有橢圓偏振法、表面等離子共振法等。橢圓偏振法屬于強(qiáng)光調(diào)制型測量方法，因此會受到光源穩(wěn)定性以及背景光的影響。而表面等離子共振法有相位調(diào)制類型雖然不受光源的穩(wěn)定性及背景光的影響，但是其僅能檢測可產(chǎn)生表面等離子共振的結(jié)構(gòu)中的薄膜參數(shù)。

3、光子自旋霍爾效應(yīng)(pshe)是指一束有限尺寸的偏振光束在存在折射率梯度的界面上發(fā)生反射或折射時，光束的左旋分量和右旋分量會在垂直于折射率梯度的方向上產(chǎn)生自旋分裂位移。這種現(xiàn)象在平行以及垂直于入射面的平面內(nèi)均會發(fā)生，通常前者稱為面內(nèi)自旋分裂位移，后者稱為面外自旋分裂位移。由于自旋分裂位移的大小與反射/折射界面的屬性(比如厚度和折射率)、入射光束的偏振態(tài)相關(guān)。例如專利號為zl201910681547.5的中國發(fā)明專利公開一種利用光子自旋霍爾效應(yīng)測量薄膜厚度的方法，自旋分裂位移的大小受到薄膜厚度和入射偏振的共同影響，在其測量厚度的過程中，通過測量一組不同偏振角對應(yīng)的面外光子自旋分裂位移，組成測量薄膜厚度的實(shí)際數(shù)據(jù)組，與其理論值對比來確定被測薄膜的厚度，但該方法僅能測量薄膜厚度，無法同時測量薄膜厚度和折射率；專利號為cn202211669540.x的中國發(fā)明專利公開一種利用光子自旋霍爾效應(yīng)測量納米級薄膜折射率的方法，該方法基于面內(nèi)光子自旋霍爾效應(yīng)，通過建立偏振態(tài)、薄膜折射率和面內(nèi)光子自旋分裂位移關(guān)系的數(shù)據(jù)庫來測量薄膜折射率，但該方法僅能測量薄膜折射率，無法同時測量薄膜厚度和折射率。

4、申請?zhí)枮?01810082442.3的發(fā)明專利公開了一種薄膜厚度與折射率同時測量的裝置及測量方法，能夠同時測量薄膜厚度和折射率，但上述發(fā)明的信號解調(diào)及其傳感精度和分辨力依賴于昂貴的信號解調(diào)設(shè)備，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有同時測量納米級薄膜厚度和折射率的方法復(fù)雜且測量精度低和穩(wěn)定性差的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于光子自旋分裂弱測量放大位移測量薄膜厚度和折射率的方法，通過調(diào)制前選擇角和后選擇角與弱測量放大位移的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對薄膜厚度和折射率的同時測量，測量精度高，穩(wěn)定性好，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且易于操作。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于光子自旋分裂弱測量放大位移測量薄膜厚度和折射率的方法，包括以下步驟：

4、s1、根據(jù)光子自旋分裂弱測量放大位移與被測薄膜厚度、折射率的理論關(guān)系模型，建立薄膜材料在各折射率和厚度下，光子自旋分裂弱測量放大位移與弱測量的前選擇角和后選擇角的理論關(guān)系數(shù)據(jù)庫；

5、s2、將入射光束以某入射角度照射至被測薄膜表面，調(diào)整弱測量的前選擇角至某偏振角度，調(diào)整弱測量的后選擇角至某偏振角度，測量此時的光子自旋分裂弱測量放大位移的值；

6、s3、依次改變?nèi)鯗y量的前選擇角或者后選擇角，獲取一組前選擇角或者后選擇角下的光子自旋分裂弱測量放大位移的測量數(shù)據(jù)；

7、s4、將步驟s3所獲得的前選擇角或者后選擇角與光子自旋分裂弱測量放大位移數(shù)據(jù)組與步驟s1所得數(shù)據(jù)庫中的不同折射率和厚度下的光子自旋分裂弱測量放大位移理論數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，確定出被測薄膜的折射率和厚度。

8、所述步驟s1中光子自旋分裂弱測量放大位移為面內(nèi)光子自旋分裂弱測量放大位移或面外光子自旋分裂弱測量放大位移。

9、所述光子自旋分裂弱測量放大位移與薄膜折射率、厚度的理論關(guān)系模型為：

10、

11、其中：

12、

13、

14、ζ1、ζ2、ξ、χ1、χ2均為中間參數(shù)；xr表示面內(nèi)光子自旋分裂弱測量放大位移，yr表示面外光子自旋分裂弱測量放大位移；θ表示入射角；γ表示前選擇角；δ表示后選擇角；kr＝2πn1/λ表示反射光的波矢，n1為第一層介質(zhì)折射率，λ為入射光在第一介質(zhì)中傳播時的波長；zr表示傳播距離；ω0為高斯光束的束腰；rp和rs分別表示入射光水平偏振分量的反射系數(shù)rp和入射光垂直偏振分量的反射系數(shù)rs模值；φp和φs分別表示入射光水平偏振分量的反射系數(shù)rp和入射光垂直偏振分量的反射系數(shù)rs的相位；和分別表示入射光水平偏振分量的反射系數(shù)rp和入射光垂直偏振分量的反射系數(shù)rs關(guān)于入射角的一階導(dǎo)數(shù)的實(shí)部，和分別表示入射光水平偏振分量的反射系數(shù)rp和入射光垂直偏振分量的反射系數(shù)rs關(guān)于入射角的一階導(dǎo)數(shù)的虛部，re表示取復(fù)數(shù)的實(shí)部，im表示取復(fù)數(shù)的虛部；n表示被測薄膜的折射率，k表示待測薄膜的消光系數(shù)，d代表被測薄膜的厚度。

15、進(jìn)一步地，所述入射光水平偏振分量的反射系數(shù)rp和入射光垂直偏振分量的反射系數(shù)rs通過菲涅爾方程得到：

16、

17、其中，為第一層介質(zhì)和薄膜交界面水平分量的反射系數(shù)，為第一層介質(zhì)和薄膜交界面垂直分量的反射系數(shù)，為薄膜和第三層介質(zhì)交界面水平分量的反射系數(shù)，為薄膜和第三層介質(zhì)交界面垂直分量的反射系數(shù)；i表示虛數(shù)；m代表反射界面中的介質(zhì)層數(shù)，n3代表反射界面中第三層介質(zhì)的折射率；n2代表反射界面中被測薄膜的折射率；k0＝2π/λ代表入射光在真空的波數(shù)；nt表示第t層介質(zhì)的折射率，k1,z表示第一層介質(zhì)中z方向的波矢，k2,z表示第二層介質(zhì)中z方向的波矢。

18、優(yōu)選地，所述確定出被測薄膜的折射率和厚度的方法為：計算理論數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的殘差平方和，將理論數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的殘差平方和最小時對應(yīng)的薄膜厚度和折率作為被測薄膜厚度和折率的測量值。

19、優(yōu)選地，所述某入射角為0°至90°中的任一角度。

20、優(yōu)選地，所述前選擇角為-90°至90°中的任一偏振角度。

21、優(yōu)選地，所述后選擇角為-180°至180°中的任一偏振角度。

22、優(yōu)選地，所述薄膜為任意材質(zhì)薄膜。

23、優(yōu)選地，所述薄膜為單層或多層結(jié)構(gòu)。

24、優(yōu)選地，所述測量光子自旋分裂位移的方法為量子弱測量法，測量被測薄膜的折射率和厚度的一種弱測量系統(tǒng)包括：激光器、半波片、偏振片ⅰ、聚焦透鏡、樣品臺、偏振片ⅱ、成像裝置、計算機(jī)，其中，激光器、半波片、偏振片ⅰ、聚焦透鏡的中心處于同一直線且在樣品臺的入射光線上，樣品臺上放置有被測薄膜樣品，偏振片ⅱ設(shè)置在樣品臺的反射光線上且與成像裝置的中心處于同一直線，成像裝置與計算機(jī)連接。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

26、本發(fā)明基于光子自旋分裂弱測量放大位移，通過調(diào)制系統(tǒng)的前選擇角與后選擇角，并基于光子自旋分裂弱測量放大位移與納米級薄膜折射率以及厚度的依賴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對納米級薄膜折射率、厚度的非接觸、無損和高穩(wěn)定性的測量，且檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、預(yù)算友好。

27、本發(fā)明在測量時調(diào)制的是弱測量的前選擇角或者后選擇角，而非入射角，測量過程中不會引入因入射角變動而引起的偏心誤差。

28、本發(fā)明測量的是光斑質(zhì)心的偏移，光斑質(zhì)心的偏移不受環(huán)境光的影響，因此本發(fā)明具有測量精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。