一種金屬及半導體薄膜材料光學常數(shù)的標定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能夠精確標定金屬及半導體薄膜材料光學常數(shù)的方法。該方法適用于任何工藝制備的薄膜態(tài)金屬和半導體材料，其流程如下：厚度為15-100nm薄膜樣品制備；X射線全反射譜法精確標定厚度；透射率譜線及反射率譜線的測試；圖形法求解光學常數(shù)。本方法與傳統(tǒng)的光譜直接分析方法相比，能夠解決金屬及半導體薄膜厚度精確求解的問題，減少因厚度無法準確標定帶來的誤差，簡化了求解過程，提高了光學常數(shù)求解的精度和速度。本方法具有廣泛的適用性，能夠為所有的涉及金屬與半導體薄膜材料光學常數(shù)的科學與工程問題提供準確的參考數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種金屬及半導體薄膜材料光學常數(shù)的標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，具體涉及一種金屬及半導體薄膜材料光學常數(shù)的標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學常數(shù)(N=n_k*i)是材料的基本性質(zhì)之一。薄膜材料光學常數(shù)的標定是該種材料光學應(yīng)用的前提。金屬及半導體薄膜材料被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如薄膜太陽能電池、光熱選擇性薄膜、LED晶片設(shè)計等。在這些具體應(yīng)用中，薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提就是精確的標定材料的光學常數(shù)。然而，由于金屬與半導體為強吸收材料，其光學常數(shù)虛部k不等于0，在求解過程中較介質(zhì)材料多一個未知數(shù)，這極大的增加了求解的難度。在實際求解薄膜材料光學常數(shù)的過程中，薄膜的精確厚度實際上也是未知的，這就意味著薄膜材料光學常數(shù)求解過程實際上面臨三個未知的參量:n，k，d。
[0003]一般來說求解光學常數(shù)的方法有以下三種:
[0004]I)、能帶計算法
[0005]該方法屬于計算材料學方法多用于理論體系計算。實際應(yīng)用中可用于推測單晶材料的光學常數(shù)，對于多晶和無定形體系誤差較大，一般計算值無實際應(yīng)用價值。
[0006]2)、透射，反射光譜擬合
[0007]介質(zhì)薄膜和弱吸收薄膜最常用的方法。一般使用使用色散模型來描述n，k。常見的模型有Cauchy模型,Lorentz模型,Forouh1-Bloomer模型,Drude模型。缺點是,在很大的光譜范圍內(nèi)獲得很好的擬合結(jié)果是很困難的。
[0008]3)、橢圓偏振法
[0009]這是一種高靈敏度的光學常數(shù)檢測方法，對金屬和介質(zhì)薄膜都適用。但是影響測量準確度的因素很多，如:入射角、系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境噪聲、實際薄膜與數(shù)學模型的差異，尤其是樣品的表面狀態(tài)對樣品的測試結(jié)果影響極大。
[0010]除第一種方法是純理論方法外，后面兩種方法均屬于實驗方法，本質(zhì)上是不斷優(yōu)化理論計算模型的參數(shù)，使得理論計算值逼近測試結(jié)果。然而理論計算模型本身的誤差和過多的求解參數(shù)使得求解過程精度極低。圖1為透射光譜法求解Cr金屬薄膜900nm處的光學常數(shù)時獲得的解空間，圖中等值線交點處均為可能的解，這實際上無法判斷正確的解。
[0011]針對該現(xiàn)狀，本發(fā)明設(shè)計試驗方法精確標定薄膜的厚度，然后使用圖形法直接求解，中間過程無需使用任何色散模型，減少了求解誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供能夠一種精確標定金屬及半導體薄膜的方法，適用于所有涉及金屬及半導體薄膜光學常數(shù)的問題。該方法操作簡單，求解精度高。
[0013]本發(fā)明一種金屬及半導體薄膜材料光學常數(shù)的標定方法由以下幾個子步驟組成:薄膜樣品制備；厚度確定；光譜特性測試；光學常數(shù)數(shù)值求解。[0014]1、薄膜樣品制備。本方法要求制備的薄膜樣品為厚度為15-100nm，沉積于異種材料的基底上。這里的薄膜材料可以是Al、Cu、Au、Ag、S1、NiAl、GaAs等金屬或半導體材料；所述的異種材料基底為S1、Fe、Cr、A1203、Si02等與薄膜材料不同的任意材料，其表面的粗糙度小于2nm。
[0015]2、薄膜樣品厚度精確測定。采用X射線的平行光路，入射角度為0.2° -5°，掃描步長為0.05-0.0001°，獲得薄膜樣品的小角反射曲線。后根據(jù)該曲線，使用修正的布拉格方程Sin2Qm= (A/2d)2m2+2 5或其等效的變形式，其中Θ m為測試譜線各反射峰的角度，m為各反射峰的級次，δ為取值范圍[_1，1]的修正小量，利用二元線性回歸的辦法求解薄膜厚度山λ為用于測試的X射線的波長。
[0016]3、光譜特性測試。在要求解的波段范圍內(nèi)，測試O到小于90度的任意角度入射的透過率譜線和O到小于90度的任意角度入射的反射率譜線各一條；
[0017]4、光學常數(shù)數(shù)值求解。本發(fā)明采用的透過率與反射率的計算模型如下:
[0018]薄膜相位厚度:
【權(quán)利要求】
1.一種金屬及半導體薄膜材料光學常數(shù)的標定方法，由以下幾個子步驟組成: 1)取沉積于異種材料基底上的厚度在15-100nm金屬或半導體薄膜樣品，所述異種材料是指與薄膜樣品材料不同的固體材料； 2)厚度確定:所述的厚度確定方法為X射線小角反射譜線法，根據(jù)譜線中反射峰位的位置，使用修正的布拉格方程進行二元線性回歸求解，精確確定薄膜的厚度； 3)光譜特性測試:在要求解的波段范圍內(nèi)，O到小于90度的任意角度入射的透過率譜線和O到小于90度的任意角度入射的反射率譜線各一條； 4)光學常數(shù)數(shù)值求解: 通過如下數(shù)值方法從測試光譜提取光學常數(shù):在表征光學常數(shù)n-k的平面上利用光學薄膜光譜特性計算模型，做出透過率為測試值T和反射率為測試值R的等值線；等值線上的點的理論計算透過率Ttl和反射率Rtl滿足ITtl-Tk ε和I RcrRl〈 ε，其中ε為精度控制的小量，其取值范圍為0.01~0.0001 ;等值線的交點即為所求的光學常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積于異種材料基底上的金屬或半導體薄膜樣品，其特征在于:所述的薄膜材料為Al、Cu、Au、Ag、S1、NiAUGaAs等金屬或半導體材料中的一種或二種以上；所述的異種材料基底為S1、Fe、Cr、A1203、Si02等與薄膜材料不同的任意材料中的一種或二種以上，其表面的粗糙度小于2nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標定方法，其特征在于:所述的X射線小角反射譜線法是使用X射線平行光，對薄膜樣品進行掠入射角度范圍為0.2° -5°的反射信號測試，掃描的步長可取0.05-0.0001°，測定X射線的反射信號強度譜線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標定方法，其特征在于:所述的修正的布拉格方程形式為Sin2Qm= (A/2d)2m2+2 5或其等效的變形式，其中Θ m為X射線反射峰的角度，m為反射峰的級次，δ為取值范圍[_1，1]的修正小量，λ為X射線的波長，d為薄膜的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標定方法，其特征在于:所述的從測試光譜提取光學常數(shù)的數(shù)值方法，使用了如下光學薄膜光譜計算模型或其等效的變形式: 薄膜相位厚度:δ f = 2 (nf_kf*i) d cos θ / λ 薄膜特征參數(shù)
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標定方法，其特征在于:求解的波段范圍0.19um-5um。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n-k平面，其特征在于:n的取值范圍為(0，5)，k的取值范圍為(0,10)。
【文檔編號】G01N21/55GK103575663SQ201210279625
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月7日
【發(fā)明者】鄧淞文, 李剛, 孫龍 申請人:中國科學院大連化學物理研究所