[发明专利]一种基于椭偏仪的薄膜温度测量方法

说明书

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种利用椭偏仪测量薄膜温度的方法。

背景技术

精确测量薄膜的温度是研究薄膜材料的重要技术。例如：在分子束外延、化学气相沉积、离子刻蚀、快速热处理和溅射等薄膜工艺过程中，衬底温度的测量对薄膜品质的控制尤为重要。传统的测温方式主要有：热电偶传感器测量，热电阻传感器测量等。但二者最大的缺点是对薄膜的接触和破坏，而且不利于薄膜快速、平稳生长中的局部温度控制。^[[i]]目前，光热技术、干涉温度测量技术和热反射率技术可以非接触地测量薄膜衬底温度和表征薄膜的光学和热物理性质。这些光学技术具有非接触和远距离传感的优势，且具有较高的空间和时间分辨率。^[[ii]]典型的高温测温计和红外体温计已经广泛的应用于生产生活中。这两种测温计是利用被测物体在不同温度下所辐射出的能量不同而得到物体的固有温度。但它们测量的是物体的实时温度，对于物体的非实时温度则显得无能为力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能测量实时温度，又能测量非实时温度的薄膜温度测量方法。

本发明利用光学技术的快速、非接触和非破坏性的特点，考虑到薄膜的折射率谱与其温度有密不可分的关系（温度会影响薄膜的致密程度等），提出一种基于椭偏仪的薄膜温度的非直接测量方法。该方法主要利用椭偏仪测量被测薄膜的折射率谱线与标准折射率谱线，将两者比较，采用最小二乘法得到最佳匹配曲线，从而根据标准谱线所对应的温度值得到被测薄膜的温度值，具体测量步骤如下： 

（1）首先，利用反射式椭偏仪测量几组不同温度下薄膜的折射率谱线，作为该薄膜的标准折射率谱N_T (λ)；

（2）然后，利用反射式椭偏仪测量在相同实验条件下温度未知的某一被测薄膜的折射率谱线N_x(λ)；

（3）采用最小二乘法，计算被测薄膜的折射率谱线N_x (λ)与每组标准折射率谱线N_T (λ)的对应各波长点的折射率差值平方，并分别求和，得到一组方差                                                :

                      （1）

（4）比较这一组方差的大小，数值最小的方差所对应的标准折射率谱线就是被测薄膜的最佳匹配谱线，从而该标准谱线所对应的温度就是被测薄膜的温度。

本发明方法的基本原理如下：图1为典型反射式椭偏仪工作原理示意图：^[[iii],[iv]]一束已知偏振态的信号光入射到薄膜样品表面，光束与样品发生作用，使出射光的偏振态发生变化（一般由线偏振态变为椭圆偏振态）。因光的偏振态变化与样品的厚度、折射率等参量有关，通过测量偏振态的变化，即可反演获得样品光学性质参量。椭偏仪的反射光波对影响薄膜光学常数的物理特性和物理过程十分敏感。利用椭偏仪，我们就可以测量不同实验条件下薄膜的折射率谱。^[[v]]因为温度可以影响薄膜中电子和声子的能量，从而影响光子与电子或声子的相互作用，宏观上表现为折射率的变化。即薄膜在不同温度条件下，其折射率谱会有区别。^[[vi]]因此，我们就得到一种薄膜温度的非直接测量方法，即通过椭偏仪测量薄膜的折射率谱，然后将其与标准温度-折射率谱比较，采用最小二乘法拟合实验折射率n曲线，从而反演出被测薄膜的温度。

本发明方法具有快速、非接触和非破坏的特点，不仅可以测量薄膜的实时温度，而且可以测量薄膜的生长温度（及非实时温度）。当标准折射率谱比较精确时，该方法具有较高的置信度；当测量标准折射率谱时所取的不同温度的温度差较小时（例如为20 ^oC-50 ^oC），该方法具有较高的测量精度。特别是在完全相同的实验条件下生长同一材料薄膜，该方法体现了较大的优势。 

附图说明

图1为典型反射式椭偏仪工作原理示意图。

图2为不同温度下生长ZnO薄膜的折射率随波长的变化曲线。

图3为不同温度条件下ZnO薄膜的折射率n随波长λ的变化曲线。

图4为不同温度下样品的折射率n值。

图中标号：1为光源，2为起偏器，3为样品，4为检偏器，5为探测器。θ为信号光入射角。

具体实施方式