一種同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗糙度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)薄膜參數(shù)確定方法，特別指同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗糙度、 光學(xué)常數(shù)和厚度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)常數(shù)即折射率和消光系數(shù)是光學(xué)薄膜非常重要的參數(shù)，但薄膜光學(xué)常數(shù)受制 備工藝影響較大，為制備性能穩(wěn)定、成品率高的薄膜器件，必須準(zhǔn)確獲取薄膜的光學(xué)常數(shù)。 當(dāng)前用于確定薄膜光學(xué)常數(shù)最常用的方法是光度法，光度法是根據(jù)薄膜的透過(guò)率或者反射 率光譜曲線計(jì)算薄膜光學(xué)常數(shù)。通常在使用光度法確定薄膜光學(xué)常數(shù)前，需要選取合適的 薄膜結(jié)構(gòu)模型。當(dāng)前使用最多的薄膜結(jié)構(gòu)模型有折射率均勻模型和折射率非均勻模型。它 們是通過(guò)建立薄膜光譜特性極值與薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度的聯(lián)系，采用光譜包絡(luò)法獲取薄膜 的光學(xué)常數(shù)和厚度（郭春，林大偉，張?jiān)贫?，李斌成，〃光度法確定LaF 3薄膜的光學(xué)常 數(shù)，〃光學(xué)學(xué)報(bào)31，731001-731007 (2011).)。該方法的缺點(diǎn)在于薄膜光學(xué)常數(shù)確定受光譜 包絡(luò)提取準(zhǔn)確性的影響較大。通常，在使用光譜包絡(luò)法獲取薄膜光學(xué)常數(shù)前，要求制備的薄 膜厚度足夠厚，也即是實(shí)測(cè)薄膜光譜具有足夠多的極值，一般至少需要6個(gè)極值才能提取 薄膜光譜包絡(luò)。該工作原理嚴(yán)重限制了光譜包絡(luò)法的適用范圍。
[0003] 另外，通常制備的薄膜主要是多孔狀、多晶結(jié)構(gòu)，薄膜表面結(jié)構(gòu)粗糙， 由此導(dǎo)致薄膜散射損耗，影響薄膜光譜性能（C. Guo, M. Kong, D. Lin, C. Liu, and B. Li, "Microstructure-related properties of magnesium fluoride films at 193nm by oblique-angle deposition"，Optics Express, 21 (I) :960-967 (2013))。隨著薄膜應(yīng) 用到深紫外/真空紫外波段，薄膜粗糙表面引起的散射損耗愈發(fā)嚴(yán)重。如果不考慮薄膜粗 糙表面對(duì)薄膜光譜性能的影響，采用傳統(tǒng)的光度法就不可能準(zhǔn)確地獲取薄膜光學(xué)常數(shù)和厚 度。薄膜元件在真空紫外深空探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)工程、微電子器件加工和微機(jī)械制造等領(lǐng)域的 廣泛應(yīng)用，迫切需要解決上述問(wèn)題，準(zhǔn)確獲取薄膜的光學(xué)常數(shù)，制備出性能穩(wěn)定、成品率高 的薄膜器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能同時(shí)確定光學(xué)薄 膜表面粗糙度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為：一種同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗糙 度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方法，該方法步驟如下：
[0006] 步驟（1)、采用分光光度計(jì)測(cè)量薄膜的光譜數(shù)據(jù)；
[0007] 步驟（2)、依據(jù)薄膜實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)建立一種能夠反映薄膜物理實(shí)際的精確薄膜結(jié) 構(gòu)模型；
[0008] 所述精確薄膜結(jié)構(gòu)模型為：將薄膜結(jié)構(gòu)分為薄膜體結(jié)構(gòu)和薄膜表面結(jié)構(gòu)，用于反 映薄膜物理實(shí)際，根據(jù)各部分特點(diǎn)分別建立薄膜體結(jié)構(gòu)模型和薄膜表面結(jié)構(gòu)模型；
[0009] 所述薄膜體結(jié)構(gòu)模型為：反映薄膜體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)是薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度。光 學(xué)常數(shù)指的是薄膜的折射率和消光系數(shù)。根據(jù)弱吸收波段薄膜光譜數(shù)據(jù)與薄膜基底光譜數(shù) 據(jù)的相切或相交或偏離關(guān)系，確定薄膜折射率隨薄膜厚度的變化情況。在弱吸收波段薄膜 光譜數(shù)據(jù)與薄膜基底光譜數(shù)據(jù)相切時(shí)，表明薄膜折射率不隨薄膜厚度變化，此薄膜體結(jié)構(gòu) 可采用折射率均勻模型；在弱吸收波段薄膜光譜數(shù)據(jù)與薄膜基底光譜數(shù)據(jù)相交或偏離時(shí)， 表明薄膜折射率隨薄膜厚度變化，此薄膜體結(jié)構(gòu)則采用折射率非均勻模型；對(duì)折射率均勻 /非均勻模型，薄膜體結(jié)構(gòu)光譜性能均可由各模型光學(xué)傳輸矩陣表述。
[0010] 所述折射率均勻模型，其光學(xué)傳輸矩陣心為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方法，其特征在于，該方法的 步驟如下： 步驟（1)、采用分光光度計(jì)測(cè)量薄膜的光譜數(shù)據(jù)； 步驟（2)、依據(jù)薄膜實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)建立一種能夠反映薄膜物理實(shí)際的精確薄膜結(jié)構(gòu)模 型； 所述精確薄膜結(jié)構(gòu)模型為；將薄膜結(jié)構(gòu)分為薄膜體結(jié)構(gòu)和薄膜表面結(jié)構(gòu)，用于反映薄 膜物理實(shí)際，根據(jù)各部分特點(diǎn)分別建立薄膜體結(jié)構(gòu)模型和薄膜表面結(jié)構(gòu)模型. 所述薄膜體結(jié)構(gòu)模型為；反映薄膜體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)是薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度，光學(xué)常 數(shù)指的是薄膜的折射率和消光系數(shù)，根據(jù)弱吸收波段薄膜光譜數(shù)據(jù)與薄膜基底光譜數(shù)據(jù)的 相切或相交或偏離關(guān)系，確定薄膜折射率隨薄膜厚度的變化情況，在弱吸收波段薄膜光譜 數(shù)據(jù)與薄膜基底光譜數(shù)據(jù)相切時(shí)，表明薄膜折射率不隨薄膜厚度變化，此薄膜體結(jié)構(gòu)可采 用折射率均勻模型；在弱吸收波段薄膜光譜數(shù)據(jù)與薄膜基底光譜數(shù)據(jù)相交或偏離時(shí)，表明 薄膜折射率隨薄膜厚度變化，此薄膜體結(jié)構(gòu)則采用折射率非均勻模型；對(duì)折射率均勻/非 均勻模型，薄膜體結(jié)構(gòu)光譜性能均可由各模型光學(xué)傳輸矩陣表述； 所述折射率均勻模型，其光學(xué)傳輸矩陣Ai為：
(1) 其中，ni是薄膜的折射率，51是薄膜的相位厚度，它和薄膜的折射率ni、消光系數(shù)ki與 厚度di間滿足；S1= 2 31(n1-化1)di/A，A是入射光波長(zhǎng)，i是虛數(shù)單位； 所述光學(xué)常數(shù)非均勻模型，其光學(xué)傳輸矩陣A,為：
(2) 其中，n,和n。分別是薄膜的靠近基底側(cè)和空氣側(cè)的折射率。5 2是薄膜的相位厚度，它 和薄膜內(nèi)外側(cè)折射率（ni/n。)、消光系數(shù)k2與厚度cU間滿足：52= 2 31[(ni+r〇/2-ik2]d2/ 入； 所述薄膜表面結(jié)構(gòu)模型為；薄膜表面為粗趟結(jié)構(gòu)，反映薄膜粗趟表面的特征參數(shù)是薄 膜表面粗趟度，粗趟表面影響薄膜光譜性能，即產(chǎn)生表面散射損耗降低薄膜光譜性能，理論 上薄膜粗趟表面引起的散射損耗可采用等效表面層模型表述，此等效表面層厚度d。是薄膜 表面粗趟度0的兩倍，等效表面層的折射率n。與薄膜體結(jié)構(gòu)折射率n2和入射介質(zhì)折射率 ri3相關(guān)，薄膜表面結(jié)構(gòu)光譜性能可由等效表面層光學(xué)傳輸矩陣B獲得，等效表面層光學(xué)傳輸 矩陣為：
(3) 其中，S3是等效表面層的相位厚度，它和等效表面層的折射率n。、消光系數(shù)k。與厚度 屯間滿足；S3=2 31 (n。-化。)d。/A;等效表面層的折射率n。、消光系數(shù)k。和厚度d。與薄膜 表面粗趟度0、薄膜折射率ri2和入射介質(zhì)折射率n3間的關(guān)系，如下： (4) 精確薄膜結(jié)構(gòu)模型由薄膜體結(jié)構(gòu)模型和表面結(jié)構(gòu)模型組成，用于計(jì)算薄膜光譜性能的 傳輸矩陣C是薄膜表面結(jié)構(gòu)模型傳輸矩陣B與薄膜體結(jié)構(gòu)模型傳輸矩陣A相乘之積，即C =BA;薄膜的光學(xué)傳輸矩陣確定后可W獲得薄膜的光譜數(shù)據(jù)，也即是通過(guò)光學(xué)傳輸矩陣C 將薄膜的表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度與薄膜的光譜性能建立關(guān)系； 步驟（3)、基于精確薄膜結(jié)構(gòu)模型，對(duì)薄膜實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，通過(guò)多參數(shù)擬合同 時(shí)確定薄膜表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方 法，其特征在于：所述步驟（1)中的薄膜光譜數(shù)據(jù)是薄膜的透過(guò)率和/或反射率隨波長(zhǎng)的變 化曲線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方 法，其特征在于：所述步驟（3)中的多參數(shù)擬合確定薄膜表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度過(guò)程 中采用數(shù)值計(jì)算算法，可選用的算法有模擬退火算法、遺傳算法、蒙特卡羅算法或牛頓尋優(yōu) 算法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方 法，其特征在于：所述步驟（3)中的多參數(shù)擬合確定薄膜表面粗趟度、光學(xué)常數(shù)和厚度過(guò)程 中薄膜光學(xué)常數(shù)隨波長(zhǎng)變化可采用色散關(guān)系表述，可用的光學(xué)常數(shù)色散關(guān)系有Cauchy方 程、Sellmeier色散、Tauc-Lorentz共振模型或F'orouhi-Bloomer色散關(guān)系。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種同時(shí)確定光學(xué)薄膜表面粗糙度、光學(xué)常數(shù)和厚度的方法，采用分光光度計(jì)測(cè)量光學(xué)薄膜的光譜數(shù)據(jù)，依據(jù)薄膜實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)建立一種能夠反映薄膜物理實(shí)際的精確薄膜結(jié)構(gòu)模型，基于此精確薄膜結(jié)構(gòu)模型，對(duì)薄膜實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)反演，通過(guò)多參數(shù)擬合同時(shí)確定薄膜的表面粗糙度、光學(xué)常數(shù)和厚度。本發(fā)明不僅能準(zhǔn)確地獲取薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度，而且能精確地確定薄膜表面粗糙度，尤其適用于真空紫外/深紫外薄膜參數(shù)確定。
【IPC分類】G01N21-31, G01B11-30, G01B11-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104792282
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510191724
【發(fā)明人】郭春, 李斌成, 孔明東
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月21日