一种超薄薄膜光学常数的表征方法

摘要

一种采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的方法，所述方法包含以下几个步骤：计算光学透明的玻璃基板的折射率；沉积参考薄膜并计算参考薄膜的折射率；沉积待测超薄薄膜并用参考薄膜的折射率对待测超薄薄膜的折射率进行修正；计算待测超薄薄膜的消光系数。本发明能够利用分光光度计测试的透射光谱对超薄光学薄膜的折射率和消光系数进行表征，该方法对光学透明和弱吸收薄膜均适用。

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜光学常数表征方法，特别是一种超薄光学薄膜光学常数表征的方法。

背景技术

精确表征薄膜的光学常数是实现高性能光学薄膜元件的前提。随着薄膜制备技术和厚度监控技术的进步，膜系设计中往往有各种厚度不等的薄膜层。因此，对于各种厚度的薄膜光学常数进行表征是非常重要的。当光学薄膜达到一定厚度时，在关注的波长范围内，薄膜透射率光谱曲线中会出现多个极值点，通过透射率极大值和极小值的包络线能够计算出光学薄膜在该波长范围内的折射率和消光系数。然而，对于薄膜厚度较薄的膜层，尤其是厚度仅有数十纳米的超薄光学薄膜，其透射率光谱曲线在关注的波长范围内如没有极值点，基于透射率极大值和极小值包络线的计算方法不再适用。目前，通常将超薄光学薄膜沉积在硅片上，采用椭偏仪对沉积在硅片上的超薄光学薄膜的光学常数进行表征分析。但对于不同的基板，薄膜在生长初期的特性不同，沉积在硅片和玻璃基板上的超薄光学薄膜的光学常数存在差异。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的方法，该方法能够对沉积在光学透明的玻璃基板上的超薄薄膜的光学常数进行表征，该方法对光学透明的超薄薄膜和具有弱吸收的超薄薄膜均适用。

本发明的技术解决方案如下：

一种超薄光学薄膜光学常数表征的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

步骤1.利用分光光度计测试光学透明的玻璃基板S在正入射条件下的透射光谱，并计算光学透明的玻璃基板S在各波长下的折射率n

步骤2.在所述光学透明的玻璃基板S上沉积参考薄膜A制备成参考样品S

步骤3.在所述光学透明的玻璃基板S上沉积待测超薄薄膜B制备成待测样品 S

步骤4.计算待测超薄薄膜B的消光系数k

根据上述采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的方法，其特点在于，所述步骤1.利用分光光度计测试光学透明的玻璃基板S在正入射条件下的透射光谱，并计算光学透明的玻璃基板S在各波长下的折射率n

a.利用分光光度计测试光学透明的玻璃基板S在正入射条件下的透射光谱，获得光学透明的玻璃基板S在最小波长λ

b.根据公式(1)消除光学透明的玻璃基板S后表面的影响，获得光学透明的玻璃基板S前表面在各波长点λ处的透射率T

c.根据公式(2)，计算j＝0时光学透明的玻璃基板S在波长点λ

其中，n

d.令j＝j+1，重复步骤c，直至λ

根据上述采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的方法，其特点在于，所述步骤2.在所述光学透明的玻璃基板S上沉积参考薄膜A制备成参考样品S

a.超声清洗光学透明的玻璃基板S，在表面洁净的光学透明的玻璃基板S上沉积参考薄膜A，参考薄膜A的光学厚度d

b.利用分光光度计测试参考样品S

c.根据公式(3)计算j＝0时参考薄膜A在波长点λ

式中，

d.令j＝j+1，重复步骤c，直至λ

根据上述采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的方法，其特点在于，所述步骤3.在所述光学透明的玻璃基板S上沉积待测超薄薄膜B制备成待测样品S

a.在所述光学透明的玻璃基板S上沉积待测超薄光学薄膜B，利用分光光度计测试待测样品S

b.表征待测超薄薄膜B的厚度d

c.计算待测超薄薄膜B在各波长下的折射率n

1)令j＝0，计算待测超薄薄膜B在λ

式中，T

2)利用公式(10)至公式(15)中的任一公式，计算参考系数f(λ

n

其中，n

3)令j＝j+1，重复上述步骤1)和2)，直至λ

4)令j＝0，计算波长点λ

5)令j＝j+1，重复步骤4)，直至波长点λ

6)令j＝0，计算获得待测超薄薄膜B在波长点λ

n

所述规则为：

当步骤2)中利用公式(10)计算参考系数f(λ

7)令j＝j+1，重复步骤6)，直至λ

根据上述采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的方法，其特点在于，所述步骤4.计算待测超薄薄膜B的消光系数k

a.令j＝0，计算待测超薄薄膜B在波长点λ

b.令j＝j+1，重复步骤a，直至λ

本发明的技术效果：

本发明利用分光光度计测试的玻璃基板、参考薄膜样品在正入射条件下的透射光谱，通过包络法获得参考薄膜的折射率色散曲线；根据超薄薄膜在消光系数为0 的较长波长处的透射率计算其在该波长的折射率，计算超薄薄膜折射率与参考薄膜折射率之间的关系，获得超薄薄膜在关注波长范围内的折射率和消光系数。

本发明利用分光光度计测试的透射光谱，能够对超薄光学薄膜的折射率和消光系数进行表征，该方法对光学透明和弱吸收薄膜均适用。

附图说明

图1为本发明采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的实物实施例的示意图。

附图标注说明：1-光学透明的玻璃基板S；2-参考薄膜A；3-待测超薄薄膜B。

图2为本发明实施例中光学透明的玻璃基板和待测样品的透射光谱曲线。

图3为本发明方法实施例中表征获得的折射率和消光系数曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征实物实施例的示意图。

本实施例设定最小波长λ

①测试光学透明的玻璃基板的透射光谱，计算光学透明的玻璃基板的折射率：

a.利用分光光度计测试光学透明的玻璃基板S在正入射条件下的透射光谱，获得光学透明的玻璃基板S在最小波长λ

b.根据公式(1)消除光学透明的玻璃基板S后表面的影响，获得光学透明的玻璃基板S前表面在各波长点λ处的透射率T

c.根据公式(2)，计算j＝0时光学透明的玻璃基板S在波长点λ

其中，n

d.令j＝j+1，重复步骤c，直至λ

②测试参考薄膜的透射光谱，计算参考薄膜的折射率：

a.超声清洗光学透明的玻璃基板S，在表面洁净的光学透明的玻璃基板S上沉积参考薄膜A，参考薄膜A的光学厚度

b.利用分光光度计测试参考样品S

c.根据公式(3)计算j＝0时参考薄膜A在波长点λ

式中，

d.令i＝i+1，重复步骤c，直至λ

③测试待测样品的透射光谱，计算待测超薄薄膜的折射率：

a.在所述光学透明的玻璃基板S上沉积待测超薄光学薄膜B，待测超薄薄膜B 与参考薄膜A的材料相同。利用分光光度计测试待测样品S

b.利用透射电子显微镜表征待测超薄薄膜B的厚度d

c.计算待测超薄薄膜B在各波长下的折射率n

1)令j＝0，待测超薄薄膜B在波长点λ

式中，T

2)利用公式(11)计算参考系数f(λ

其中，n

3)令j＝j+1，重复上述步骤1)和步骤2)，直至λ

4)计算j＝0时波长点λ

5)令j＝j+1，重复步骤4)，直至波长点λ

6)令j＝0，计算获得待测超薄薄膜B在波长点λ

7)令j＝j+1，重复步骤6)，直至λ

④计算待测超薄薄膜B的消光系数：

a.根据公式(5)、公式(6)、公式(7)、公式(8)和公式(13)，计算j＝0时待测超薄薄膜B在波长点λ

b.令j＝j+1，重复步骤a，直至λ

图2所示为本发明方法实施例中光学透明的玻璃基板和待测样品的透射光谱曲线，图3所示为本发明方法实施例中表征获得的折射率和消光系数曲线。可以看出，本发明能够克服现有技术的不足，提供一种采用分光光度计对超薄光学薄膜光学常数进行表征的方法，该方法能够对沉积在光学透明的玻璃基板上的超薄薄膜的光学常数进行表征，该方法对透明的超薄薄膜和具有弱吸收的超薄薄膜均适用。