[发明专利]一种用于提高超薄金属薄膜测试灵敏度的测试方法

说明书

本发明提出了一种用于提高超薄金属薄膜测试灵敏度的测试方法。该方法基于传统的椭圆偏振光谱测试方法，在待测超薄金属样品表面增加由高折射率材料构成的三棱镜，并且该三棱镜靠近金属薄膜的表面镀有低折射率的介质薄膜。测试时将该部件中镀有介质薄膜面与超薄金属薄膜接触，三棱镜另外两个面为光的入射端面和出射端面，当三棱镜顶角与椭圆偏振光入射角满足一定条件时，三棱镜内的入射光会在镀有介质薄膜的端面上发生全反射，从而在一定厚度的介质薄膜内形成倏逝波；当波矢满足表面等离子体激发条件时，倏逝波能够激发金属表面的等离子体，提高椭圆偏振光反射光对相位变化的灵敏度，最终提高测试超薄金属厚度时的测试灵敏度。该方法操作简便，避免了传统Otto结构测试需要不断移动三棱镜来寻找合适空隙层的不足，十分有利于快速测量超薄金属薄膜以及金属薄膜在原子层级的厚度变化。

技术领域

本发明提出一种对超薄金属薄膜的测量方法，特别是一种用于提高超薄金属薄膜测试灵敏度的测试方法。

背景技术

目前测量薄膜的光学常数和厚度的方法有很多，非光学法主要有探针测量法，利用一个高精度的机械触针在薄膜表面运动来感知薄膜表面的变化，台阶仪运用的就是探针测量法，但探针法只能测量薄膜的厚度。用探针法测量薄膜厚度时需露出薄膜基底，要对薄膜进行二次加工，且探针在薄膜表面移动时对薄膜有一定的损伤。

光学方法中可以同时测量薄膜光学参数和厚度的方法主要有光谱法和椭圆偏振法。光谱法的原理是薄膜上光的反射引起双光束或多光束的干涉效应，不同特性的薄膜有着不同的光谱反射率，通过测量薄膜的光谱特性计算得到薄膜的厚度和光学常数。椭圆偏振法的基本原理是利用一束已知偏振态的偏振光与薄膜发生作用，测量其反射光的偏振态，对比光束偏振态的变化分析得到薄膜的光学性质和厚度。椭偏法的优点是反射光的偏振状态的变化对薄膜的厚度变化非常敏感因此有很高的测试灵敏度和精度。薄膜厚度越大，测试精度越高。当薄膜厚度较小，薄膜的折射率与基底折射率相近时，用椭偏仪测得的薄膜的厚度和光学常数与实际相差较大，有较大的偏差，因此，椭偏法测量超薄金属薄膜的精度不够。

为此，我们提出一种基于金属表面等离子体振荡的超薄金属薄膜测量方法，通过该方法测量超薄金属薄层可以提高薄膜的测量精度以及原子级厚度变化的灵敏度。金属中存在大量的自由电子，这些自由电子受电场力的作用能在金属中移动。金属或半导体的表面电子行为类似于自由电子气，其表面的表面等离激元被边界上的外来电场激发产生表面电荷的集体振荡，即表面等离激元振荡。这种振荡相当于一种在界面传播的波，所以也称为表面等离子体波。表面等离子体波不能与平面电磁波直接耦合，而当光波从光密介质到光疏介质发生全反射时产生速衰波与表面等离子体波共振耦合。

传统Otto结构装置按棱镜，空气，金属的顺序，光从棱镜进入到空气，当入射角大于全反射临界角时发生全反射产生速衰波与金属表面等离子体波共振耦合。基于Otto结构装置的表面等离子体共振光谱椭偏仪可以用于测量超薄膜的光学常数和厚度。通过改变入射光波长，空气间隙的厚度得到由超薄金属薄膜表面等离子体共振引起的反射光的偏振角ψ和相位移Δ的变化曲线，拟合ψ和Δ的变化曲线，得到超薄金属薄膜的厚度和光学常数。

等腰三棱镜，介质薄膜，超薄金属薄膜可以看作是在玻璃基底上的多层堆叠。入射材料为等腰三棱镜，出射材料为玻璃基底。则有每层的特征矩阵计算如下：

(1)在TE波(S极化)下每层的特征矩阵为：：

(2)在TEM波(P极化)下每层的特征矩阵为：

其中k₀，n，z，ε，μ，β分别为波数，折射率，厚度介电常数，磁导率和光与层之间的入射角。重叠层特征矩阵以标准型式计算为：

小标1,2,3,…,a表示由上往下层序数。