[發(fā)明專利]用于測(cè)量薄膜厚度的SHEL分裂位移測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710579817.2
• 申請(qǐng)日: 2017-07-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107246844B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉慶綱;秦自瑞;岳翀;郎垚璞;李洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/06
• 分類號(hào): G01B11/06
• 代理公司: 天津才智專利商標(biāo)代理有限公司 12108
• 代理人: 王顕

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)量薄膜厚度的SHEL分裂位移測(cè)量方法，步驟一建立薄膜厚度對(duì)應(yīng)的SHEL分裂位移隨入射角變化的理論曲線圖；步驟二選取一組入射角度，使入射光以某一初始角度入射到薄膜表面獲取經(jīng)薄膜反射后的光束圖像并將圖像進(jìn)行處理得到相應(yīng)的SHEL分裂位移；步驟三依次改變?nèi)肷浣嵌鹊玫絊HEL分裂位移隨入射角度變化的測(cè)量曲線；步驟四比對(duì)步驟一所得SHEL分裂位移隨入射角度變化的理論曲線和步驟三所得測(cè)量曲線確定薄膜的厚度。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明是利用SHEL的分裂位移與薄膜厚度的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬和非金屬所有材料薄膜厚度的非接觸、無(wú)損的高精度測(cè)量，且該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米薄膜厚度的測(cè)量方法，特別涉及一種用于測(cè)量薄膜厚度的SHEL分裂位移測(cè)量方法。

背景技術(shù)

隨著薄膜技術(shù)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)域的廣泛應(yīng)用，薄膜技術(shù)已成為當(dāng)前科技研究和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，特別是薄膜技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)直接影響到科技的發(fā)展方向和人們的生活方式。而薄膜制造技術(shù)的不斷改進(jìn)和迅速發(fā)展也對(duì)薄膜的各種參數(shù)提出了更高的要求，比如薄膜的厚度和折射率參數(shù)以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜設(shè)計(jì)和工藝制造中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它對(duì)于薄膜的光學(xué)特性、力學(xué)特性和電磁特性等具有決定性的作用，因此能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)薄膜厚度已經(jīng)成為一種至關(guān)重要的技術(shù)。例如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310137996.6，公開(kāi)了一種用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，由于SPR效應(yīng)的局限性，此方法僅可以測(cè)量金屬薄膜，無(wú)法測(cè)量的非金屬薄膜，適用范圍不夠廣泛。

線偏振光是由兩束左、右旋圓偏振光組成。當(dāng)一束線偏振光入射到空氣與棱鏡分界面時(shí)，由于介質(zhì)的折射率不均勻分布，在反射或者折射時(shí)被分裂為兩束沿相反方向的圓偏振光，這種現(xiàn)象叫做光自旋霍爾效應(yīng)(SpinHall Effect of Light，SHEL)。在關(guān)于SHEL的研究中發(fā)現(xiàn)，薄膜厚度會(huì)影響SHEL的分裂位移的大小，且SHEL在金屬薄膜表面和非金屬薄膜表面都存在，因此，本發(fā)明利用SHEL分裂位移這一特點(diǎn)，直接測(cè)量金屬或者非金屬薄膜的厚度，為測(cè)量薄膜厚度提供一種新思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠與被測(cè)物非接觸、無(wú)損傷的測(cè)量金屬和非金屬所有材料的薄膜厚度方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于測(cè)量薄膜厚度的SHEL分裂位移測(cè)量方法，步驟一：建立各材料薄膜膜層厚度對(duì)應(yīng)的SHEL分裂位移隨入射角變化的理論曲線圖；步驟二：選取被測(cè)材料SHEL分裂效應(yīng)的敏感入射角度，使線偏振入射光以任意一初始角度入射到鍍有待測(cè)薄膜的被測(cè)薄膜表面，光自旋霍爾效應(yīng)，即SHEL導(dǎo)致反射光束中的左右旋分量產(chǎn)生分裂，用感光成像器件獲取反射光的反射圖像并進(jìn)行處理得到相應(yīng)的SHEL分裂位移，分裂位移為薄膜厚度和偏振光入射角的函數(shù)；步驟三：從初始角度依次改變?nèi)肷浣堑玫絊HEL分裂位移隨入射角度變化的被測(cè)薄膜的測(cè)量曲線；步驟四：將步驟三所得被測(cè)薄膜的測(cè)量曲線比對(duì)步驟一所得SHEL分裂位移隨入射角度變化的理論曲線進(jìn)行比對(duì)分析，確定納米薄膜的厚度。

反射光的左右旋分量的分裂位移與薄膜厚度d的關(guān)系為：

其中，

下標(biāo)σ代表﹢、﹣，分別表示光束的左旋和右旋分量；γ為入射光的偏振角，即偏振方向與x_i軸之間的夾角；Re表示取實(shí)部；w₀表示入射到被測(cè)樣品表面的高斯光束的束腰；λ為入射光在傳播介質(zhì)1中的波長(zhǎng)，

式中