本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，特別是有關(guān)光學(xué)薄膜特性的檢測技術(shù)，涉及一種光學(xué)薄膜超寬帶光學(xué)常數(shù)測試方法。

背景技術(shù)：

在光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，光學(xué)常數(shù)是多層膜設(shè)計和光學(xué)性能表征的重要參數(shù)之一，對光學(xué)常數(shù)的表征和測量是首要工作之一。近年來，隨著超寬帶光學(xué)薄膜應(yīng)用的發(fā)展，如寬帶固體調(diào)諧激光技術(shù)(400nm-1200nm)，寬帶紅外光譜成像技術(shù)(0.9um-14um)，三光復(fù)合探測技術(shù)(0.7um-12um)等，對光學(xué)薄膜的研制提出了寬帶甚至超寬帶的需求。因此，超寬帶(0.3um-20um)光學(xué)薄膜光學(xué)常數(shù)的表征和測試工作尤為重要。

目前，可用于光學(xué)常數(shù)測量的方法較多，主要有反射光譜/透射光譜極值法、反射光譜/透射光譜的反演計算法、反射橢圓偏振反演計算法，色散傅里葉變換光譜法、衰減全反射法、光聲法、光熱法、布里淵散射法等。隨著光譜測量精度的提高和非線性數(shù)值優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，基于全光譜和橢圓偏振光譜的光學(xué)常數(shù)反演技術(shù)成為薄膜光學(xué)常數(shù)標(biāo)定的主流技術(shù)。盡管薄膜光學(xué)常數(shù)的表征和測量方法較為完備，但是其測量的帶寬往往決定于目標(biāo)光譜的測量帶寬，在一組測量光譜數(shù)據(jù)下得到超寬帶光譜的數(shù)據(jù)仍是難題。目前典型的商用光譜儀器與橢偏儀能夠測量的光學(xué)波段范圍如下表所示：

基于上述儀器測量的光譜范圍，若實現(xiàn)超寬帶光學(xué)常數(shù)的表征，一般采用分段光學(xué)常數(shù)的測試，然后進(jìn)行光學(xué)常數(shù)對接，這樣的做法實際上分別對不同波段局部光譜進(jìn)行光學(xué)常數(shù)測試，缺少全局的綜合誤差評價，如折射率的非均勻性、反常吸收區(qū)、薄膜水含量等，因此，分段表征和測量再對接薄膜光學(xué)常數(shù)不具有合理性且在對接處易造成較大誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何在單一薄膜樣品上實現(xiàn)從紫外到紅外波段內(nèi)薄膜光學(xué)常數(shù)統(tǒng)一測試的問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種光學(xué)薄膜超寬帶光學(xué)常數(shù)測試方法，其包括以下步驟：

S1：首先將預(yù)設(shè)厚度的光學(xué)薄膜沉積在硅基底上；

S2：測量所沉積光學(xué)薄膜紫外到近紅外波段橢圓偏振光譜、紅外波段的透射光譜；

S3：根據(jù)光學(xué)薄膜的光譜數(shù)據(jù)，選擇一段薄膜的透明區(qū)，采用Cauchy模型計算得到該波段范圍的薄膜折射率n和厚度d₁；

S4：建立光學(xué)常數(shù)從紫外到紅外寬光譜范圍的光學(xué)常數(shù)模型，在吸收光譜區(qū)添加介電常數(shù)振子模型，振子的中心頻率為吸收的位置，振子的幅度和寬度根據(jù)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整；

S5：將紫外到近紅外波段橢圓偏振光譜和紅外波段的透射光譜作為復(fù)合目標(biāo)，對薄膜光學(xué)常數(shù)從紫外到紅外全光譜范圍內(nèi)進(jìn)行反演運算，其中厚度的初始值設(shè)定為d₁，預(yù)設(shè)評價函數(shù)MSE，MSE是測量值與理論模型計算值的均方差，對MSE進(jìn)行擬合，使MSE越小越好；

S6：根據(jù)MSE擬合結(jié)果，得到介電常數(shù)模型的各個參數(shù)，進(jìn)而得到紫外到紅外超寬帶光譜范圍內(nèi)薄膜的光學(xué)常數(shù)，包括折射率n、消光系數(shù)k和薄膜物理厚度d。

其中，所述步驟S3中，Cauchy模型見公式(1)，式中n為折射率，An，Bn和Cn為Cauchy模型參數(shù)，λ為波長；

n＝An+Bn/λ²+Cn/λ⁴ (1)。

其中，所述步驟S4中，振子模型選用Gauss振子和Lorentz振子。

其中，所述Gauss振子為：

式中，ε為復(fù)介電常數(shù)，實部ε₁，虛部ε₂，A、En和Br為模型參數(shù)，分別是幅度、中心位置和半波寬度，En、Br、E的單位均為eV，代表不同的光譜位置，與波長的換算關(guān)系為λ＝1240/E，λ的單位為nm。

其中，所述Lorentz振子為：

式中，ε為復(fù)介電常數(shù)，實部ε₁，虛部ε₂，A、En和Br為模型參數(shù)，分別是幅度、中心位置和半波寬度，En、Br、E的單位均為eV，代表不同的光譜位置，與波長的換算關(guān)系為λ＝1240/E，λ的單位為nm。

其中，所述MSE為：

N為橢偏光譜測量波長的數(shù)目，M為變量個數(shù)，ψ_i^exp、Δ_i^exp和分別為第i個波長的測量值，ψ_i^mod和Δ_i^mod分別為第i個波長的計算值，σ_ψ,i^exp和σ_Δ,i^mod分別為第i個波長的測量誤差；P為透射光譜測量波長的數(shù)目，T_j^exp為第j個波長的透射測量值，T_j^mod為第j個波長的透射計算值，σ_T,j^exp為第j個波長的透射測量誤差。

其中，所述步驟S6中，薄膜物理厚度d由MSE擬合結(jié)果得到，折射率n和消光系數(shù)k根據(jù)光學(xué)常數(shù)與介電常數(shù)關(guān)系運算得到：

ε＝ε₁+iε₂＝(n+ik)² (5)

其中，所述步驟S1中，采用離子束濺射沉積方式在硅基底上制備HfO₂薄膜。

其中，所述步驟S1中，采用離子束濺射沉積方式在硅基底上制備Ta₂O₅薄膜。

其中，所述步驟S2中，采用橢圓偏振儀器測量硅基底薄膜的可見光到近紅外反射橢偏譜psi和delta。

(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的光學(xué)薄膜超寬帶光學(xué)常數(shù)測試方法，通過使用基底-薄膜紫外至近紅外橢圓偏振光譜和紅外透射光譜相結(jié)合作為目標(biāo)光譜，以介電常數(shù)振子模型作為光學(xué)常數(shù)的色散模型，通過目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)反演計算，得到薄膜的超寬帶光學(xué)常數(shù)，避免了分波段分別運算誤差大的問題。

附圖說明

圖1硅基底HfO₂薄膜可見光-近紅外橢圓偏振譜(psi)擬合結(jié)果。

圖2硅基底HfO₂薄膜可見光-近紅外橢圓偏振譜(delta)擬合結(jié)果。

圖3硅基底HfO₂薄膜紅外光譜透射率擬合結(jié)果。

圖4 HfO₂薄膜可見光到紅外波段的光學(xué)常數(shù)。

圖5硅基底Ta₂O₅薄膜可見光-近紅外橢圓偏振譜(psi)擬合結(jié)果。

圖6硅基底Ta₂O₅薄膜可見光-近紅外橢圓偏振譜(delta)擬合結(jié)果。

圖7硅基底Ta₂O₅薄膜紅外光譜透射率擬合結(jié)果。

圖8 Ta₂O₅薄膜可見光到紅外波段的光學(xué)常數(shù)。

圖9為本發(fā)明實施例測試方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參照圖1所示，本實施例測試方法包括如下步驟：

S1：首先將預(yù)設(shè)厚度的光學(xué)薄膜沉積在硅基底上；

S2：測量所沉積光學(xué)薄膜紫外到近紅外波段橢圓偏振光譜、紅外波段的透射光譜；

S3：根據(jù)光學(xué)薄膜的光譜數(shù)據(jù)，選擇一段薄膜的透明區(qū)，采用Cauchy模型計算得到該波段范圍的薄膜折射率和厚度d₁，Cauchy模型見公式(1)，式中n為折射率，An，Bn和Cn為Cauchy模型參數(shù)，λ為波長；

n＝An+Bn/λ²+Cn/λ⁴ (1)

S4：建立光學(xué)常數(shù)從紫外到紅外寬光譜范圍的光學(xué)常數(shù)模型，在吸收光譜區(qū)添加介電常數(shù)振子模型，振子的中心頻率為吸收的位置，振子的幅度和寬度根據(jù)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，振子模型選用典型的Gauss振子和Lorentz振子，分別如公式(2)和公式(3)所示：

式中，ε為復(fù)介電常數(shù)，實部ε₁，虛部ε₂，A、En和Br為模型參數(shù)，分別是幅度、中心位置和半波寬度，En、Br、E的單位均為eV，代表不同的光譜位置，與波長的換算關(guān)系為λ＝1240/E，λ的單位為nm，在回歸運算過程中參與優(yōu)化。

S5：將紫外到近紅外波段橢圓偏振光譜和紅外波段的透射光譜作為復(fù)合目標(biāo)，對薄膜光學(xué)常數(shù)從紫外到紅外全光譜范圍內(nèi)進(jìn)行反演運算，其中厚度的初始值設(shè)定為d₁，預(yù)設(shè)如下評價函數(shù)：

MSE是測量值與理論模型計算值的均方差，N為橢偏光譜測量波長的數(shù)目，M為變量個數(shù)，ψ_i^exp、Δ_i^exp和分別為第i個波長的測量值，ψ_i^mod和Δ_i^mod分別為第i個波長的計算值，σ_ψ,i^exp和σ_Δ，i^mod分別為第i個波長的測量誤差；P為透射光譜測量波長的數(shù)目，T_j^exp為第j個波長的透射測量值，T_j^mod為第j個波長的透射計算值，σ_T，j^exp為第j個波長的透射測量誤差。

從上述公式可以看出，MSE被測量誤差加權(quán)，所以噪音大的數(shù)據(jù)被忽略掉，MSE越小表示擬合得越好。

S6：根據(jù)MSE擬合結(jié)果，得到介電常數(shù)模型的各個參數(shù)，進(jìn)而得到紫外到紅外超寬帶光譜范圍內(nèi)薄膜的光學(xué)常數(shù)，包括折射率n、消光系數(shù)k和薄膜物理厚度d，其中，薄膜物理厚度d由MSE擬合結(jié)果得到，折射率n和消光系數(shù)k根據(jù)光學(xué)常數(shù)與介電常數(shù)關(guān)系運算得到：

ε＝ε₁+iε₂＝(n+ik)² (5)

實例1：HfO₂薄膜超寬帶光學(xué)常數(shù)的測試

1、采用離子束濺射沉積方式在硅基底上制備HfO₂薄膜；

2、采用橢圓偏振儀器測量硅基底HfO₂薄膜的可見光到近紅外反射橢偏譜psi和delta，測試角度分別為55°和65°，測試的波長范圍為0.238μm-1.666μm，測試步長間隔為10nm，對應(yīng)波數(shù)范圍42000cm^-1-6000cm^-1，反射橢偏譜psi測試結(jié)果見圖1，反射橢偏譜delta測試結(jié)果見圖2；

3、采用紅外傅里葉變換光譜儀測量硅基底HfO₂薄膜的紅外透射率光譜，波長范圍從1.25μm-25μm，對應(yīng)波數(shù)范圍為8000cm^-1-400cm^-1，測試波數(shù)間隔為0.2cm^-1，測試角度為0°，測試結(jié)果見圖3；

4、選擇柯西模型表征薄膜可見光到近紅外區(qū)域介電常數(shù)，選擇三振子模型表征紅外區(qū)的介電常數(shù)，將上述的反射橢偏譜和紅外光譜透射率作為復(fù)合目標(biāo)，反演擬合結(jié)果分別見圖1-圖3；

5、通過反演計算得到0.238μm-25μm的超寬帶薄膜光學(xué)常數(shù)，結(jié)果見圖4。

實例2：Ta₂O₅薄膜超寬帶光學(xué)常數(shù)的測試

1、采用離子束濺射沉積方式在硅基底上制備Ta₂O₅薄膜；

2、采用橢圓偏振儀器測量硅基底Ta₂O₅薄膜的可見光到近紅外反射橢偏譜psi和delta，測試角度分別為55°和65°，測試的波長范圍為0.238μm-1.666μm，測試步長間隔為10nm，對應(yīng)波數(shù)范圍42000cm^-1-6000cm^-1，反射橢偏譜psi測試結(jié)果見圖5，反射橢偏譜delta測試結(jié)果見圖6；

3、采用紅外傅里葉變換光譜儀測量硅基底Ta₂O₅薄膜的紅外透射率光譜，波長范圍從1.25μm-25μm，對應(yīng)波數(shù)范圍為8000cm^-1-400cm^-1，測試波數(shù)間隔為0.2cm^-1，測試角度為0°，測試結(jié)果見圖7；

4、選擇柯西模型表征薄膜可見光到近紅外區(qū)域介電常數(shù)，選擇三振子模型表征紅外區(qū)的介電常數(shù)，將上述的反射橢偏譜和紅外光譜透射率作為復(fù)合目標(biāo)，反演擬合結(jié)果分別見圖1-圖3；

5、通過反演計算得到0.238μm-25μm的超寬帶薄膜光學(xué)常數(shù)，結(jié)果見圖8。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。