基于受抑全反射的膜厚測量系統(tǒng)

基于受抑全反射的膜厚測量系統(tǒng)

1堿金屬氣室薄膜層質量檢測原子磁強計、原子螺釘?shù)仍幼詣悠骼迷幼詣悠鞯淖饔脺y量物理參數(shù)，是近年來發(fā)展最快的新型設備。裝載堿金屬原子的堿金屬氣室作為原子自旋器件的敏感表頭,其性能的高低從本質上決定了原子自旋器件能達到的靈敏度極限。影響堿金屬氣室性能的重要因素之一是堿金屬原子與氣室內壁的碰撞弛豫,在堿金屬氣室內壁上鍍膜可以防止堿金屬原子與氣室內壁發(fā)生直接碰撞而引起的去極化問題,從而提高堿金屬氣室的抗弛豫特性［１］。由于用于極化堿金屬原子的泵浦激光和用于能態(tài)信號檢測的檢測激光的光路都要通過堿金屬氣室,為了減少鍍膜對堿金屬氣室透光性的影響,一般都要求堿金屬氣室內壁鍍膜層的厚度非常小,但又不能降低鍍膜層的抗弛豫性能,例如抗弛豫效果較好的高溫膜OTS的厚度一般只有300nm左右。因此,需要研究其特殊的鍍膜工藝和要求,以及能夠隨時檢測鍍膜厚度、粗糙度等信息的檢測方法。由于鍍膜技術的不成熟,直接針對其鍍膜會造成不必要的浪費,而且氣室一般是封閉的,直接針對其內壁的鍍膜進行檢測也不方便。因此,前期對于平面鍍膜及其質量檢測的研究是十分必要的。當前對于鍍膜層質量的檢測方法主要分兩大類,一類是根據(jù)光學原理進行檢測,另一類是根據(jù)非光學原理進行檢測。依據(jù)光學原理的檢測方法是利用一些特殊的光學現(xiàn)象,如反射、折射、透射、衍射、干涉等與膜層性能參數(shù)的定性、定量關系實現(xiàn)對這些參數(shù)的測量［２－５］。這類方法雖然原理簡單,實現(xiàn)起來較容易,但是檢測精度和分辨率普遍不高。依據(jù)非光學原理也可以有效地檢測玻璃鍍膜層質量［６－７］。例如原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)等。這類非光學檢測方法雖然有較高的檢測精度和分辨率,但較為復雜,且成本較高。受抑全反射現(xiàn)象歷史悠久,自17世紀被發(fā)現(xiàn)以來得到了廣泛的研究和應用,包括很多近場光學儀器、光學調制器、光學器件等的設計,都是基于受抑全反射的基本原理［８－１０］。本文將受抑全反射應用于平面鍍膜厚度的測量,建立了鍍膜厚度測量系統(tǒng),討論了一些基本參數(shù)對膜厚測量精度的影響,分析了該方法的理論檢測精度。實驗證明,這種基于受抑全反射的鍍膜厚度檢測方法,可對具有探測波長范圍厚度的薄膜進行有效檢測,具有較高的檢測精度,且實現(xiàn)起來簡單可靠,成本較低。2膜厚測量原理和系統(tǒng)組成2.1受抑全反射的基本原理當光線從光密介質向光疏介質入射時,若入射角大于某個臨界角,入射光會全部被反射回光密介質,這就是我們所熟知的全反射現(xiàn)象。雖然如此,光疏媒質中的電磁場并未消失,只是不再有能量流過界面。實際上,在發(fā)生全反射時,折射波在X方向(沿界面)仍具有行波的形式,但沿Z方向(縱深方向)按指數(shù)律急劇衰減,光波場在光疏介質中的有效穿透深度可定義為:其中:λ１為入射光在光密介質中的波長,θ０為入射角,θｃ為發(fā)生全反射時的臨界角。一般把dｚ大小為波長數(shù)量級的這樣一種波稱為隱失波或倏逝波。倏逝波的出現(xiàn)說明不能簡單地認為發(fā)生全反射時,光疏介質內完全不存在波場,實際上在界面附近波長數(shù)量級的厚度內仍然有場。如果光疏介質的厚度很小,此時以第三種介質(折射率大于光疏介質)靠近光疏介質,有一部分入射光就會發(fā)生透射,全反射受到破壞,即發(fā)生了受抑全反射(FrustratedTotalInternalReflection,FTIR)。根據(jù)光的這種特性,提出了一種鍍膜厚度的測量方法,基本測量原理如圖1所示。當棱鏡下表面與玻璃樣品表面的距離較大時,入射光在滿足臨界條件的情況下會發(fā)生全反射,即全部入射光都以反射的形式傳播出去;當棱鏡下表面與玻璃樣品表面的距離在探測波長范圍內時,全反射會受到破壞,發(fā)生受抑全反射,即一部分光發(fā)生透射,一部分光發(fā)生反射。根據(jù)受抑全反射的基本理論,發(fā)生受抑全反射時的反射率Rｓ與棱鏡跟玻璃樣品表面之間的距離d存在以下定量關系:設入射角為θ０,出射角為θ２,棱鏡、空氣、鍍膜玻璃樣品的折射率分別為n０、n１、n２,入射激光波長為λ。對于s波,反射率:由于,可推導出d的表達式:通過求出有鍍膜層時的距離d１和無鍍膜層時的距離d２,可得鍍膜層厚度為:2.2對3束光進行標定、投資基于受抑全反射的鍍膜厚度測量系統(tǒng)如圖2所示,探測光源為激光,波長為852nm。檢測原理要求光源為s偏振的線偏振光,因此,激光首先需要經過起偏器變成線偏振光,然后再分別通過2片半波片和2個偏振分光棱鏡PBS得到2束光強相同的s偏振光去探測樣品;從第二個分光棱鏡透射的光為與s光光強相同的p偏振光。通過調節(jié)半波片,同時用功率計進行實時測量,可較為精確地調整PBS分束出的s光和p光的功率比。I0、I1、I2分別為光電探測器檢測到的3束光的光強信息,光強與光電探測器轉換后的電信號成正比,可由后續(xù)電路測得。由于三棱鏡兩個直角端面會造成一定程度的光能損失,因此在對樣品測量前,需要對3束光進行標定,即不加鍍膜樣品,調節(jié)半波片,使3束光的光強一致。設樣品鍍膜部分的光束反射率為R1,未鍍膜部分的光束反射率為R2,根據(jù)式(2)、(3)有:根據(jù)式(5)、(6)計算出棱鏡底面到樣品表面的距離d１和d２,即可根據(jù)式(4)計算出鍍膜樣品所鍍薄膜的厚度。根據(jù)式(4)計算時還需要考慮三棱鏡下底面、鍍膜基底上表面的粗糙度以及形變等因素。為提高測量系統(tǒng)精度,需對三棱鏡下表面和基底上表面進行拋光處理,提高其表面精度。檢測過程中會有各種環(huán)境光干擾、器件振動、熱噪聲等噪聲存在,為了減少噪聲,提高系統(tǒng)測量精度,本系統(tǒng)采用了法拉第調制技術。首先利用法拉第調制器對激光光強進行正弦波調制,即在正弦激勵信號的同頻交變磁場作用下,調制器中的磁光晶體產生法拉第磁致旋光效應,該效應會使線偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉［１１－１２］,再通過檢偏器實現(xiàn)光強調制,最后在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中設計相敏檢波器對光強信號進行解調。3反射率仿真分析根據(jù)受抑全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件,第二介質氣隙的厚度與膜厚量級相同,因此可以根據(jù)氣隙厚度的變化率反映膜厚的測量分辨率。系統(tǒng)中用到的三棱鏡為K9直角棱鏡,折射率為1.516;第二介質為空氣;所測鍍膜樣品為TiO２膜,折射率為2.454,鍍膜基底為石英片;入射角為45°;激光器中心波長為852nm。根據(jù)此條件進行計算機仿真,得到氣隙厚度隨反射率的變化曲線如圖3所示。根據(jù)式(1)計算得到的倏逝波有效穿透深度約為351nm,氣隙厚度在這個范圍內會發(fā)生受抑全反射。從圖3可看出,這個范圍內的曲線可近似為線性,模擬出此線性曲線的方程如下:由此可得:其中:Δd為氣隙厚度變化率,其大小可反映膜厚的測量精度,ΔR為反射率的檢測分辨率。由式(8)可知,當反射率的檢測分辨率小于0.2%時,該方法的膜厚的測量精度可優(yōu)于1nm。另外,雖然曲線近似為線性,由圖3可看出氣隙厚度在中間范圍隨反射率的變化率較小,由于反射率的大小取決于氣隙厚度,因此在實際檢測時,適當控制三棱鏡底面與樣品之間的距離可提高膜厚的測量精度。由以上分析可知,在激光器、三棱鏡以及樣品等固定且器件皆為理想的情況下,膜厚的測量精度僅取決于反射率的檢測分辨率和氣隙厚度的大小,且最佳理論精度可小于1nm。然而實際上激光器以及實驗中用的到的一些光學元件并非理想化的,下面將分析器件非理想化對膜厚測量精度的影響。3.1激光器波長波動激光器的輸出波長與工作電流和溫度有關。一般情況下,半導體激光器在溫度相對穩(wěn)定時,其工作電流每變化1mA,相應的輸出波長約變化0.3nm;溫度每變化1℃,波長將改變0.3~0.4nm。實驗中發(fā)現(xiàn),激光器的工作電流最多會有0.1mA的變化,溫度最多會有0.1℃的變化,因此激光器的波長最多約有0.07nm的波動［１３］。假設激光器波長的波動范圍是±0.1nm,進行計算機仿真,結果如圖4所示。圖4中,波長變大和變小的兩條曲線基本重合,而且波長的波動對膜厚測量的影響并不明顯,氣隙厚度在倏逝波有效穿透深度范圍內時測量誤差不到0.05nm,基本上可以忽略。3.2入射角誤差對膜厚測量精度的影響由于激光器本身的光束指向具有不穩(wěn)定性,光學器件存在的微振動也會造成光束指向的不穩(wěn)定性,且光學器件表面的光潔度、面型等參數(shù)不能完全理想化,因此,探測激光的入射角會有一定的變化。實驗中用到的三棱鏡為直角棱鏡,入射角理想情況下為45°,假設入射角會有±1%的變化,根據(jù)前述條件進行計算機仿真,結果如圖5所示。由圖5可知,入射角的變化對膜厚測量精度的影響較大,但氣隙厚度在倏逝波有效穿透深度范圍內膜厚測量誤差不會超過4nm,且誤差與氣隙厚度有關,一般氣隙厚度越小誤差越小。另外,入射角減小比增大對測量結果的影響要小。3.3實驗結果的測量準確性分析在實際的測量中,在計算膜厚時用到了三棱鏡、薄膜和鍍膜基底3個折射率。在用相關儀器對折射率進行測量時,會存在一定程度的測量誤差,折射率也會隨著實驗條件有少量波動。因此,計算時用到的折射率參數(shù)的準確性也會對測量結果造成一定程度的影響。以薄膜折射率為例,分析其準確性對測量結果的影響。實驗中用到的TiO２膜折射率為2.454,該數(shù)據(jù)是通過DYMEK公司的薄膜分析儀測定的,測量精度0.001。假設薄膜的折射率會有±0.001的變化,計算機仿真結果如圖6所示。圖6中,薄膜折射率變大和變小的兩條曲線基本重合,可見折射率的波動對膜厚測量的影響并不明顯,氣隙厚度在倏逝波有效穿透深度范圍內時測量誤差不到0.01nm。進一步仿真分析可知,即使折射率不準確度為0.1,對測量結果的影響也是非常小的。同理,分別對三棱鏡和鍍膜基底折射率的準確性對測量結果的影響進行分析,結論基本一致。4薄膜測試結果基本實驗裝置如圖7所示,主要包括光路、電路以及上位機數(shù)據(jù)處理模塊。實驗準備的鍍膜樣品為在玻璃基底上制備的TiO２薄膜。利用提出的基于受抑全反射的薄膜厚度測量系統(tǒng)對鍍膜樣品厚度多點采樣測量。測量時在保證受抑全反射有效發(fā)生的條件下盡量減小氣隙的厚度。利用DYMEK公司的薄膜分析儀(測量精度0.1nm)對該樣品進行測量分析,并加以對比,結果如表1所示。分析表1可知,本方法的膜厚測量結果比薄膜分析儀的測量結果偏小,存在2.6nm的常值偏差,補償后得到的才是比較準確的測量結果。表2所示為對鍍膜樣品的單點進行多次測量的結果(補償后)。分析該數(shù)據(jù)可知,該點的厚度為(64.55±1.55)nm,即測量誤差為1.55nm。5測試結果的誤差本文針對原子自旋器件的堿金屬氣室,提出了一種基于受抑全反射的鍍膜層厚度測