测量光学薄膜等效折射率及物理厚度的设备和方法技术

本发明专利技术书提供了一种通过测量多个角度反射谱来同时获得薄膜等效折射率和厚度的设备和方法。该设备简单，测量方便。该方法是根据入射光在空气－薄膜－衬底的界面处两次反射会发生干涉，其干涉现象会从反射谱上表现出来。因此只要测得两个不同入射角θ↓［１］和θ↓［２］含有干涉信息的反射谱Ｒ（θ↓［１］，ω）和Ｒ（θ↓［２］，ω），采用薄膜反射率公式同时拟合这两个反射谱，得到相应的光程差Δ↓［１］和Δ↓［２］，根据折射定律，联立两个方程就可以得出薄膜的等效折射率ｎ及物理厚度ｄ。与传统方法不同的是该方法可以同时、方便、无损地测出薄膜的等效折射率和厚度，甚至可以用于镀膜过程的实时监控与在线检测。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学薄膜材料参数的测量，特别是指一种用于光学薄膜等效折射率及物理厚度的测量设备和方法。本专利技术是根据入射光在空气-薄膜-衬底的界面处两次反射，由于两束反射光之间存在光程差，会发生干涉，其干涉现象会从反射谱上表现出来。当入射光以不同角度入射到光学薄膜后，其光程差是不同的，从而引起干涉的变化，如附图说明图1所示。因此只要测得两个不同入射角θ1和θ2含有干涉信息的反射谱R(θ1，ω)和R(θ2，ω)，采用薄膜反射率公式同时拟合这两个反射谱，得到相应的光程差Δ1和Δ2，最后根据折射定律，联立两个方程就可以得出薄膜的等效折射率n及物理厚度d。本专利技术的具体技术方案如下一种用于测量光学薄膜材料的等效折射率n及物理厚度d的设备，包括光源1、放置样品3的样品架2、固定样品架的样品台4、光栅6和面阵CCD探测器7。在样品与光栅之间有一根用于将样品反射光耦合入射到光栅的光纤5。所说的样品台是一个双罗盘结构，由一个上罗盘41和一个下罗盘42，两个罗盘之间通过齿轮连接，使得下罗盘转动2θ角时，上罗盘沿同一方向转动θ角。下罗盘的圆周边上有一根可沿圆周移动的连杆43，光纤一头架在连杆上，见图2。利用所述设备测量光学薄膜材料的等效折射率n及物理厚度d的方法，其包括下列步骤A.将样品放在样品架上，样品架固定在上罗盘上，调整罗盘，使样品调到所需的入射角位置，并将光纤头架在连杆上，移动连杆，使其移到样品反射光的接收位置，然后固定连杆；此后其他任意角度的测量都只需调整下罗盘至相应角度，不需要再调整光路。B.入射光束经样品反射光耦合到光纤中形成柔性光路，光纤的出射光束射入到光栅上，经光栅分光后的各路单色光由面阵CCD直接采集，由计算机8输出，得到反射谱R(θ1，ω)，然后调整下罗盘使得入射角为θ2，在同一个薄膜样品上，以入射角θ2测得反射谱R(θ2，ω)；C.采用薄膜反射率公式同时拟合这些反射谱R(θ1，ω)、R(θ2，ω)，从反射谱的拟合结果中可以分别得到相应的两个光程差值Δ1和Δ2，根据薄膜干涉条件，即可得到等效折射率n和物理厚度d。本专利技术的优点是测量设备简单，测量方法简便，消除了大多数光学检测方法只能获得薄膜的光学厚度(nd)、无法同时得到其等效折射率n及物理厚度d的缺点。测量设备中的双罗盘结构可以非常方便地改变入射角而不需要重新调整光路；另外，采用光纤将光学薄膜反射光耦合到光纤中形成柔性光路，可以随意改变接收光路而不需要移动接收系统；并且经光栅分光后的各路单色光由面阵CCD直接采集，每条光谱的采集速度为10毫秒，采集速度快。因此，本设备和方法特别适用于实际在线检测系统，如镀膜设备中的快速光谱采集。也适用于高信噪比光谱的获取，可通过多次采集叠加减小噪声来实现。光栅6的波长范围200nm-1600nm。图3是用上述的测量装置对五氧化二钽光学薄膜入射角分别为10度和80度时所测得的反射谱，根据这反射谱利用薄膜反射率公式R=|e-4πdnfω(1-nf)(nf+ns)+(1+nf)(nf-ns)e-4πdnfω(1+nf)(nf+ns)+(1-nf)(nf+ns)|2----(1)]]>式中nf和ns分别为薄膜和衬底的复折射率，d为薄膜的厚度，ω为入射光的频率。同时拟合R(θ1，ω)和R(θ2，ω)，拟合中的目标函数取为σ=Σi(R(θ1,ωi)-Rt(θ1,ωi))2+(R(θ2,ωi)-Rt(θ2,ωi))2---(2)]]> 由于我们只需要从反射谱中获取光程差信息，因此拟合过程中仅对反射谱的波形进行拟合，忽略反射谱的幅度、初始相移和整体光谱起伏，并采用包络函数方法消除这些影响。由于所镀制薄膜的致密性一般都不如相应的体块材料好，从而使薄膜的等效折射率发生变化，因此我们认为不致密的薄膜由该种材料与空气共同组成，定义其等效折射率为n＝kne+(1-k)nair＝k(ne-1)+1 (3)其中ne采用该种材料的数值，k为薄膜的致密因子。从两条不同入射角的反射谱的拟合结果中可以分别得到相应的两个光程差值Δ1和Δ2，根据薄膜干涉条件Δ＝2ndcosα(4)利用折射定律nsinα＝sinθ，得到Δ=2ndcosα=2dn2-sin2θ---(5)]]>分别将θ1、θ2和Δ1、Δ2代入上式，相除可以得到等效等效折射率n，n=(Δ2Δ1)2sin2θ1-sin2θ2(Δ2Δ1)2-1----(6)]]>把所得等效折射率n代入(5)式，即可得到薄膜的物理厚度d。经拟合后得到Δ10、Δ80分别为0.71和0.62，因此薄膜的等效折射率为2，与Ta2O5体块材料的等效折射率2.16相比小了0.16，等效折射率的差别部分是由于所镀薄膜的致密性不如体块材料所致，所以误差应该小于7％，同时可算出薄膜的物理厚度为0.178μm。利用上述装置采用多角度测量方法，还可提供本专利技术的测量误差大小。即通过测量多个入射角的反射谱来获得薄膜的多个等效折射率n及物理厚度d，如在同一个薄膜样品上测得m＞2个入射角的光谱，就可以从中获得m-1组独立的薄膜厚度及等效折射率值，取其平均值为薄膜厚度及等效折射率的测量值，而他们的离散性则提供了测量的误差大小。平均值n‾=1m-1Σi=1m-1ni]]>d‾=1m-1Σi=1m-1di---(7)]]>误差σn=Σi=1m-1(ni-n‾)2m-2]]>σd=Σi=1m-1(di-d‾)2m-2---(8)]]>权利要求1.一种测量光学薄膜等效折射率及物理厚度的设备，包括光源(1)、放置样品(3)的样品架(2)、固定样品架的样品台(4)、光栅(6)、面阵CCD探测器(7)和计算机(8)，其特征在于A.在样品(3)与光栅(6)之间有一根用于将样品反射光耦合入射到光栅的光纤(5)；B.所说的样品台(4)是一个双罗盘结构，由一个上罗盘(41)和一个下罗盘(42)，两个罗盘之间通过齿轮连接，使得下罗盘转动2θ角时，上罗盘沿同一方向转动θ角，下罗盘的圆周边上有一根可沿圆周移动的连杆(43)，光纤一头架在连杆上。2.一种测量光学薄膜材料的等效折射率n及物理厚度d的方法，其特征在于包括下列步骤A.将样品放在样品架上，样品架固定在样品台的上罗盘上，调整罗盘，使样品调到所需的入射角位置，并将光纤头架在连杆上，移动连杆，使其移到样品反射光的接收位置，然后固定连杆；此后其他任意角度的测量都只需调整下罗盘至相应角度，不需要再调整光路。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量光学薄膜等效折射率及物理厚度的设备，包括光源（１）、放置样品（３）的样品架（２）、固定样品架的样品台（４）、光栅（６）、面阵ＣＣＤ探测器（７）和计算机（８），其特征在于：Ａ．在样品（３）与光栅（６）之间有一根用于将样品反射光耦合 入射到光栅的光纤（５）；Ｂ．所说的样品台（４）是一个双罗盘结构，由一个上罗盘（４１）和一个下罗盘（４２），两个罗盘之间通过齿轮连接，使得下罗盘转动２θ角时，上罗盘沿同一方向转动θ角，下罗盘的圆周边上有一根可沿圆周移动的连杆（４３），光纤 一头架在连杆上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆卫，王少伟，陈效双，李志锋，李宁，陈贵宾，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]