CN103323403A - 一种低辐射镀膜玻璃的光学参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低辐射镀膜玻璃的光学参数检测方法，该低辐射镀膜玻璃为SnO₂:F/SiC_xO_y，0＜x＜1，1＜y＜4，属于镀膜玻璃检测领域。该方法是在获得SnO₂:F/SiC_xO_y节能镀膜玻璃椭圆偏振光谱的基础之上，引入五层膜层结构以及光学色散方程，通过迭代来回归实测椭偏光谱，最终获得SnO₂:F/SiC_xO_y镀膜玻璃的膜层结构及其每一层的光学参数，利用该方法实现镀膜玻璃光学性能的在线实时监控。本发明仅采用光学测试手段来获得准确的膜层结构及光学参数，对样品无损伤、测量耗时少、测试方法简便，对被测样品表面无特殊要求，十分适合于SnO₂:F/SiC_xO_y节能镀膜玻璃的性能检测。

Description

一种低辐射镀膜玻璃的光学参数检测方法

技术领域

本发明涉及一种对SnO₂:F/SiC_xO_y节能镀膜玻璃膜层结构及光学参数的快速检测方法，属于节能镀膜玻璃检测领域。

背景技术

低辐射节能镀膜玻璃是一种已经被广泛使用的节能镀膜玻璃，它通过提高对中远红外辐射的反射率获得较小的玻璃传热系数，减少冬季室内暖气向室外红外辐射散热而降低采暖能耗。SnO₂:F镀膜玻璃便是这样一种性能优异的低辐射镀膜玻璃。目前，在浮法玻璃上通过常压化学气相沉积方法镀膜是制备SnO₂:F镀膜玻璃的一种重要手段，但来自浮法玻璃基板中的碱金属离子很容易扩散到SnO₂:F功能层中影响其节能效果。因此，在玻璃表面镀膜前，需要预先镀上一层硅系阻挡层，从而组成一个复合膜层结构。由于膜层表面粗糙度以及镀膜方法自身的限制，薄膜中的各个界面处难以获得具有陡峭膜层界面的结构，即会产生复杂的多层膜干涉及退极化效果；且该硅系阻挡层无论从成分还是折射率上都与基板玻璃十分相似，采用常规的测量手段难以获得该复合薄膜的精细结构及其光学参数，这些都使得膜系的真实结构、薄膜整体的光学特性难以检测及设计。虽然基于透、反射光谱的拟合获得薄膜光学参数的方法（ZL200610053955.9，一种测量镀膜玻璃薄膜光学参数的方法）初步解决了镀膜玻璃膜层结构快速检测的问题，但是该发明将镀膜玻璃的多层薄膜结构假设为陡峭界面，与实际情况不符，因此在检测中尚存在一定的偏差。

椭圆偏振光谱测量是一种非接触式、非破坏性、高精度的光学分析技术，它通过研究光波同样品作用后偏振态的变化来获得样品的各种光学信息，对小至单原子层厚度的膜层结构都非常敏感，还可同时获得材料折射率和消光系数以及界面过渡区的结构信息，可被用于低辐射镀膜玻璃的光学参数检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SnO₂:F/SiC_xO_y节能镀膜玻璃的椭偏检测方法，以实现对SnO₂:F/SiC_xO_y节能镀膜玻璃的结构信息及光学参数进行实时快速、简便、准确的监控。

本发明的低辐射镀膜玻璃的光学参数检测方法，该低辐射镀膜玻璃为SnO₂:F/SiC_xO_y，0＜x＜1，1＜y＜4，其特征是步骤如下：

利用光度式椭圆偏振光谱仪测量SnO₂:F/SiC_xO_y镀膜玻璃在紫外～可见波段光谱范围的椭偏参数，记为cosΔ_M及tanΨ_M，同时在测量波长λ处按照椭偏方程写出关于折射率

,消光系数

和膜厚

的函数：

及其中

和均为一阶向量，向量维数对应于建立膜层模型的层数，建立cosΔ_M，tanΨ_M与

的均方差函数MSE，如式（1）所示：

$\mathrm{MSE}=\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}[{(\cos {\mathrm{\Δ}}_M-\cos {\mathrm{\Δ}}_C(\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k},\stackrel{\→}{d}))}^2+{(\tan {\mathrm{\Ψ}}_M-\tan {\mathrm{\Ψ}}_C(\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k}\stackrel{\→}{,d}))}^2]---\left(1\right)$

求解式（1），具体求解过程如下：

1)建立五层膜层结构模型：五层膜结构在玻璃基底上自下向上依次记为SiC_xO_y+Na⁺层、纯SiC_xO_y层、过渡层、SnO₂:F功能层以及表面粗糙层，即将膜厚

设为一个五维向量，初始厚度自SiC_xO_y+Na⁺层向上依次记为 ${\stackrel{\→}{d}}_0=(d_{10},d_{20},d_{30},d_{40},d_{50});$

2)建立对应的色散模型：设初始折射率自SiC_xO_y+Na⁺层向上以此为 ${\stackrel{\→}{n}}_0=(n_{10},n_{20},n_{30},$ $n_{40},n_{50}),$ 初始消光系数自SiC_xO_y+Na⁺层向上以此为 ${\stackrel{\→}{k}}_0=(k_{10},k_{20},k_{30},k_{40},k_{50});$

SiC_xO_y+Na⁺层以及纯SiC_xO_y层为透明绝缘层，n₁₀，n₂₀及k₁₀，k₂₀采用柯西色散方程描述，如式（2）：

n＝A_c+B_c/λ²+C_c/λ⁴;k＝0            （2）

其中A_c,B_c,C_c为柯西色散方程系数，；

SnO₂:F功能层为导电层，n₄₀和k₄₀采用塞米尔色散方程和洛伦兹振子方程的组合共同描述，如式（3）所示：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{A_m{\mathrm{\λ}}^2({\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_0^2)}{{({\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_0^2)}^2+{\mathrm{\γ\λ}}^2}+A_s+B_s{\mathrm{\λ}}^2/({\mathrm{\λ}}^2-C_s)$ （₃）

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{A_m{\mathrm{\λ}}^3\mathrm{\γ}}{{({\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_0^2)}^2+\mathrm{\γ}{\mathrm{\λ}}^2}$

式中A_m为洛伦兹峰强度，λ₀为洛伦兹吸收峰中心波长，γ代表洛伦兹峰的峰宽，A_s,B_s,C_s为塞米尔系数，ε_r,ε_i为介电常数，介电常数和折射率消光系数的转化关系如式（4）所示：

$n=\sqrt{\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^2+{\mathrm{\ϵ}}_i^2}+{\mathrm{\ϵ}}_r}{2}};$ $k=\sqrt{\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^2+{\mathrm{\ϵ}}_i^2}-{\mathrm{\ϵ}}_r}{2}}---\left(4\right)$

过渡层及表面粗糙层的n₃₀，n₅₀及k₃₀，k₅₀采用布鲁格曼有效介质近似模型加以描述，如式（5）：

$0=f\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{-\mathrm{\ϵ}}_h}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{2\mathrm{\ϵ}}_h}+(1-f)\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_h}{{\mathrm{\ϵ}}_2+{2\mathrm{\ϵ}}_h};{\mathrm{\ϵ}}_h={\mathrm{\ϵ}}_r+{\mathrm{i\ϵ}}_i---\left(5\right)$

式中ε₁,ε₂分别为介质1和介质2的介电常数，f为介质1占总物质的比例，ε_h为这两介质混合后的等效总介电常数，其折射率与介电常数的转化依然使用方程（4）；

3)利用步骤1)建立的结构模型和步骤2)建立的色散模型对实测椭偏参数进行反演回归，椭偏参数回归计算时采用拉文伯格-麦夸特迭代算法，需要迭代的具体待定参量为

当拟合值与实测值之间的MSE收敛至最小值时返回真值，获得使MSE取得最小值的一组

和

值，即是测量获得的低辐射镀膜玻璃的光学参数。

本发明仅采用光学测试手段来获得准确的膜层结构及光学参数，对样品无损伤、测量耗时少，利用该方法可实现镀膜玻璃光学性能的在线实时监控。测试方法简便、对被测样品表面无特殊要求，十分适合于SnO₂:F/SiC_xO_y节能镀膜玻璃的性能检测。

附图说明

图1是低辐射镀膜玻璃的实测椭偏参数与最佳拟合值对比；

图2是SnO₂:F/SiC_xO_y薄膜的结构模型；

图3是SiC_xO_y+Na⁺层薄膜的折射率及消光系数；

图4是纯SiC_xO_y层薄膜的折射率及消光系数；

图5是SnO₂:F层薄膜的折射率及消光系数。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明。

选择一个SnO₂:F/SiC_xO_y低辐射镀膜玻璃样品，0＜x＜1，1＜y＜4，简单清洗样品膜层表面，利用光谱式椭偏仪测量其椭偏参数cosΔ_M及tanΨ_M，光谱范围为275nm～825nm，入射角设定为58°；通过椭偏参数及建立的模型来生成

及

具体模型如下：

建立五层膜层结构模型：五层膜结构在玻璃基底上自下而上依次记为SiC_xO_y+Na⁺层、纯SiC_xO_y层、过渡层、SnO₂:F功能层以及表面粗糙层，各层初始膜厚自SiC_xO_y+Na⁺层向上依次记为d₁₀=15nm、d₂₀=50nm、d₃₀=15nm、d₄₀=300nm和d₅₀=30nm；

建立对应的色散模型：SiC_xO_y+Na⁺层的初始及

采用柯西色散方程描述，初值设为

A_c＝1.9,B_c＝-0.01,C_c＝-5×10^-7；

纯SiC_xO_y层采用柯西色散方程描述，初值设为A_c＝1.5,B_c＝0.001,C_c＝-2×10^-5；

过渡层采用布鲁格曼有效介质近似模型加以描述，设介质1为纯SiC_xO_y层，介质2为SnO₂:F功能层，f＝0.2；

SnO₂:F功能层采用塞米尔和洛伦兹色散方程描述，初值设为A_s＝-2.0,B_s＝5.0,C_s0.01,A_m＝0.12,λ₀＝0.25,γ＝0.05；

表面粗糙层采用布鲁格曼（Bruggeman）有效介质近似模型加以描述，设介质1为SnO₂:F功能层，介质2为空气，f＝0.6；

利用上述建立的结构模型和色散模型写出

及

并生成MSE函数， $\mathrm{MSE}=\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}[{(\cos {\mathrm{\Δ}}_M-\cos {\mathrm{\Δ}}_C(\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k},\stackrel{\→}{d}))}^2+{(\tan {\mathrm{\Ψ}}_M-\tan {\mathrm{\Ψ}}_C(\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k}\stackrel{\→}{,d}))}^2],$ 采用拉文伯格-麦夸特迭代算法，求出使MSE取得最小值的一组参数。通过该方法回归出的及

与cosΔ_M及tanΨ_M具有很高的拟合度，如图1所示，最佳拟合结果返回MSE的最小值为4.73×10^-4，说明该结构模型能够有效地描述此类薄膜的膜系结构，且每一层的色散方程均能准确描述该层的色散关系。回归计算的时间小于20秒，满足在线测量的要求。

返回的结构参数结果如下：SiC_xO_y+Na⁺层的d₁为14.87nm；纯SiC_xO_y层的d₂为52.12nm；过渡层的d₃为13.02nm；SnO₂:F功能层的d₄为326.90nm；表面粗糙层的d₅为38.65nm，其结构模型如图2所示；

返回的光学参数结果如下：SiC_xO_y+Na⁺层的折射率在该光谱范围内约为1.9，消光系数随波长减小而增大，最大值约为0.15，具体色散关系如图3所示；纯SiC_xO_y层折射率约为1.54，消光系数为0，具体色散关系如图4所示；过渡层中，纯SiC_xO_y的比例为22%，其余78%为上层的SnO₂:F；SnO₂:F层的折射率和消光系数分别在1.78～2.17和0～0.12的范围内，且均随波长减小而增大，如图5所示；表面粗糙层中，SnO₂:F的比例为62%，其余38%为空气。

Claims (1)

1.一种低辐射镀膜玻璃的光学参数检测方法，该低辐射镀膜玻璃为SnO₂:F/SiC_xO_y，0＜x＜1，1＜y＜4，其特征是步骤如下：

利用光度式椭圆偏振光谱仪测量SnO₂:F/SiC_xO_y镀膜玻璃在紫外～可见波段光谱范围的椭偏参数，记为cosΔ_M及tanΨ_M，同时在测量波长λ处按照椭偏方程写出关于折射率

,消光系数

和膜厚

的函数：

及其中

和

均为一阶向量，向量维数对应于建立膜层模型的层数，建立cosΔ_M，tanΨ_M与

的均方差函数MSE，如式（1）所示：

$\mathrm{MSE}=\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}[{(\cos {\mathrm{\Δ}}_M-\cos {\mathrm{\Δ}}_C(\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k},\stackrel{\→}{d}))}^2+{(\tan {\mathrm{\Ψ}}_M-\tan {\mathrm{\Ψ}}_C(\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k}\stackrel{\→}{,d}))}^2]---\left(1\right)$

求解式（1），具体求解过程如下：

1)建立五层膜层结构模型：五层膜结构在玻璃基底上自下而上依次记为SiC_xO_y+Na⁺层、纯SiC_xO_y层、过渡层、SnO₂:F功能层以及表面粗糙层，即将膜厚

设为一个五维向量，初始厚度自SiC_xO_y+Na⁺层向上依次记为 ${\stackrel{\→}{d}}_0=(d_{10},d_{20},d_{30},d_{40},d_{50});$

2)建立对应的色散模型：设初始折射率自SiC_xO_y+Na⁺层向上以此为 ${\stackrel{\→}{n}}_0=(n_{10},n_{20},n_{30},$ $n_{40},n_{50}),$ 初始消光系数自SiC_xO_y+Na⁺层向上以此为 ${\stackrel{\→}{k}}_0=(k_{10},k_{20},k_{30},k_{40},k_{50});$

SiC_xO_y+Na⁺层以及纯SiC_xO_y层为透明绝缘层，n₁₀，n₂₀及k₁₀，k₂₀采用柯西色散方程描述，如式（2）：

n＝A_c+B_c/λ²+C_c/λ⁴;k＝0              （2）

其中A_c,B_c,C_c为柯西色散方程系数；

SnO₂:F功能层为导电层，n₄₀和k₄₀采用塞米尔色散方程和洛伦兹振子方程的组合共同描述，如式（3）所示：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{A_m{\mathrm{\λ}}^2({\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_0^2)}{{({\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_0^2)}^2+{\mathrm{\γ\λ}}^2}+A_s+B_s{\mathrm{\λ}}^2/({\mathrm{\λ}}^2-C_s)$ （3）

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{A_m{\mathrm{\λ}}^3\mathrm{\γ}}{{({\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_0^2)}^2+\mathrm{\γ}{\mathrm{\λ}}^2}$

式中A_m为洛伦兹峰强度，λ₀为洛伦兹吸收峰中心波长，γ代表洛伦兹峰的峰宽，A_s,B_s,C_s为塞米尔系数，ε_r,ε_i为介电常数，介电常数和折射率消光系数的转化关系如式（4）所示：

$n=\sqrt{\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^2+{\mathrm{\ϵ}}_i^2}+{\mathrm{\ϵ}}_r}{2}};$ $k=\sqrt{\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^2+{\mathrm{\ϵ}}_i^2}-{\mathrm{\ϵ}}_r}{2}}---\left(4\right)$

过渡层及表面粗糙层的n₃₀，n₅₀及k₃₀，k₅₀采用布鲁格曼有效介质近似模型加以描述，如式（5）：

$0=f\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_h}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{2\mathrm{\ϵ}}_h}+(1-f)\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_h}{{\mathrm{\ϵ}}_2+{2\mathrm{\ϵ}}_h};{\mathrm{\ϵ}}_h={\mathrm{\ϵ}}_r+{\mathrm{i\ϵ}}_i---\left(5\right)$

式中ε₁,ε₂分别为介质1和介质2的介电常数，f为介质1占总物质的比例，ε_h为这两介质混合后的等效总介电常数，其折射率与介电常数的转化依然使用方程（4）；

3)利用步骤1)建立的结构模型和步骤2)建立的色散模型对实测椭偏参数进行反演回归，椭偏参数回归计算时采用拉文伯格-麦夸特迭代算法，需要迭代的具体待定参量为

当拟合值与实测值之间的MSE收敛至最小值时返回真值，获得使MSE取得最小值的一组

和

值，即是测量获得的低辐射镀膜玻璃的光学参数。

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