CN104406773A - 一种Ge1-xCx薄膜红外光谱区光学常数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学薄膜光学常数测量技术领域，具体涉及一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法。本发明提供一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法，其通过测量薄膜红外透射光谱确定吸收峰位置，参考吸收峰位置建立薄膜光学常数物理模型，然后利用红外透射光谱和椭圆偏振光谱相结合的复合目标反演方法计算得到Ge_1-xC_x薄膜的折射率、消光系数和物理厚度等光学常数。具体而言，该方案采用单层红外薄膜的透射光谱确定其吸收峰的准确位置和吸收大小，在此基础上进行椭偏光谱的回归运算，得到薄膜的光学常数。其优点在于可以得到准确薄膜光学长常数，特别是具有吸收峰的红外薄膜光学常数。

Description

一种Ge1-xCx薄膜红外光谱区光学常数的测量方法

技术领域

本发明属于光学薄膜光学常数测量技术领域，具体涉及一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法。

背景技术

Ge_1-xC_x薄膜具有折射率可变、硬度高与红外窗口基底结合好的优点，是一种理想的红外增透硬质保护薄膜。制备高性能的折射率可变的Ge_1-xC_x薄膜，对于设计和研制应用于高速飞行红外窗口硬质保护薄膜，提高红外窗口的光学特性和机械特性，是十分必要的。制备Ge_1-xC_x薄膜的主要方法有磁控溅射法、化学气相沉积法和离子束反应溅射沉积等，不同制备工艺方法、同种工艺方法的不同工艺参数制备得到的Ge_1-xC_x薄膜具有不同的光学常数，主要包括折射率、消光系数和物理厚度，由于光学常数是薄膜设计的基础，因此测量得到Ge_1-xC_x薄膜的光学常数是其应用的前提。

目前椭偏光谱法被广泛应用于Ge_1-xC_x薄膜光学常数的计算中，但对于具有自身特定吸收峰的Ge_1-xC_x薄膜，椭偏光谱法无法得到其吸收峰中心位置和吸收大小的精确值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法，其包括如下步骤：

步骤S1：在双面抛光的红外光学基底上制备单层红外薄膜，控制薄膜厚度为200nm至10μm之间；

步骤S2：利用红外光谱仪测量薄膜样品的红外透射光谱；

步骤S3：将薄膜样品背面，即非镀膜面，处理粗糙；

步骤S4：利用红外椭圆偏振仪测量薄膜样品的红外椭圆偏振光谱；

步骤S5：建立光学常数的物理模型，在透射光谱对应的吸收峰位置增加吸收模型，并根据透射光谱下降的幅度调整吸收峰的幅度。并预先设定如下评价函数：

$\mathrm{MSE}=\sqrt{\frac{1}{2N-M}\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_i^{\mathrm{mod}}-{\mathrm{\ψ}}_i^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ψ},i}^{\exp }}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_i^{\mathrm{mod}}-{\mathrm{\Δ}}_i^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ},i}^{\exp }}\right)}^2]+\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{T_j^{\mathrm{mod}}-T_j^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{T,j}^{\exp }}\right)}^2\}}$

MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为椭偏光谱测量波长的数目，M为变量个数，和分别为第i个波长的测量值，和分别为第i个波长的计算值，和分别为第i个波长的测量误差；P为透射光谱测量波长的数目，为第j个波长的透射测量值，为第j个波长的透射计算值，为第j个波长的透射测量误差；从上述公式可以看出，MSE被测量误差加权，所以噪音大的数据被忽略掉，MSE越小表示拟合得越好；

步骤S6：进行回归运算，得到红外光谱区具有特征吸收峰的薄膜光学常数。

(三)有益效果

本发明提供一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法，其通过测量薄膜红外透射光谱确定吸收峰位置，参考吸收峰位置建立薄膜光学常数物理模型，然后利用红外透射光谱和椭圆偏振光谱相结合的复合目标反演方法计算得到Ge_1-xC_x薄膜的折射率、消光系数和物理厚度等光学常数。

具体而言，该方案采用单层红外薄膜的透射光谱确定其吸收峰的准确位置和吸收大小，在此基础上进行椭偏光谱的回归运算，得到薄膜的光学常数。其优点在于可以得到准确薄膜光学长常数，特别是具有吸收峰的红外薄膜光学常数。

附图说明

图1为Ge_1-xC_x薄膜的红外透射光谱示意图。

图2为Ge_1-xC_x薄膜的折射率和消光系数计算结果示意图。

图3为Ge_1-xC_x薄膜的透射光谱测量结果和计算结果的比对结果示意图。

图4为Ge_1-xC_x薄膜的椭圆偏振光谱测量结果和计算结果的比对结果示意图。

图5为本发明技术方案方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法，如图5所示，其包括如下步骤：

步骤S1：在双面抛光的红外光学基底上制备单层红外薄膜，控制薄膜厚度为200nm至10μm之间；

步骤S2：利用红外光谱仪测量薄膜样品的红外透射光谱；

步骤S3：将薄膜样品背面，即非镀膜面，处理粗糙；

步骤S4：利用红外椭圆偏振仪测量薄膜样品的红外椭圆偏振光谱；

步骤S5：建立光学常数的物理模型，在透射光谱对应的吸收峰位置增加吸收模型，并根据透射光谱下降的幅度调整吸收峰的幅度。并预先设定如下评价函数：

$\mathrm{MSE}=\sqrt{\frac{1}{2N-M}\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_i^{\mathrm{mod}}-{\mathrm{\ψ}}_i^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ψ},i}^{\exp }}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_i^{\mathrm{mod}}-{\mathrm{\Δ}}_i^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ},i}^{\exp }}\right)}^2]+\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{T_j^{\mathrm{mod}}-T_j^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{T,j}^{\exp }}\right)}^2\}}$

MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为椭偏光谱测量波长的数目，M为变量个数，和分别为第i个波长的测量值，和分别为第i个波长的计算值，和分别为第i个波长的测量误差；P为透射光谱测量波长的数目，为第j个波长的透射测量值，为第j个波长的透射计算值，为第j个波长的透射测量误差；从上述公式可以看出，MSE被测量误差加权，所以噪音大的数据被忽略掉，MSE越小表示拟合得越好；

步骤S6：进行回归运算，得到红外光谱区具有特征吸收峰的薄膜光学常数。

上述技术方案，首先利用薄膜的红外透射光谱确定其吸收峰的位置和吸收大小，然后建立光学常数物理模型，在通过红外椭偏光谱和透射光谱同时参与的复合目标反演，回归运算得到薄膜的光学常数。该方案可以得到红外光谱区精确的具有特征吸收峰的薄膜光学常数，特别是对于Ge_1-xC_x薄膜在红外光谱区的折射率和消光系数的精确测量效果更为明显。

下面结合具体实施例来详细描述本发明。

实施例

本实施例将以离子束反应溅射淀积Ge_1-xC_x薄膜为例进行具体说明。下面利用本发明技术方案对Ge_1-xC_x薄膜2μm～10μm的光学常数进行测量。

1)采用离子束反映溅射淀积技术在双面抛光的Ge基底沉积制备单层Ge_1-xC_x薄膜，物理厚度控制在350nm左右。具体工艺参数为：采用Ge作为靶材，纯度≥99.95％，采用CH4作为反应气体，纯度≥99.999％，离子源工作气体为Ar，纯度≥99.999％。背底真空度10-3Pa，Ar气流量30sccm；

2)利用Perkin Elmer公司的Spectrum GX红外傅里叶变换光谱仪测量Ge_1-xC_x薄膜的红外透射率光谱，波长范围为2μm～10μm，间隔为2nm。样品的红外透射率光谱测量结果参阅图1；

3)利用W5的抛光砂将Ge_1-xC_x薄膜薄膜背面(非镀膜面)打磨粗糙；

4)利用Sopra公司的GESE-5E红外椭圆偏振仪测量Ge_1-xC_x薄膜样品的红外椭圆偏振光谱，波数范围5000cm-1～1000cm-1。；

5)将红外透射光谱和椭圆偏振光谱测量结果转换成J.A.Woollam公司的WVASE32数据格式，并在WVASE32软件环境下，打开Ge_1-xC_x薄膜样品的红外透射光谱和红外椭圆偏振光谱。

6)在WVASE32软件环境下，采用两个Gauss振子建立Ge_1-xC_x薄膜的色散模型，对Gauss模型中的幅度、中心波长和带宽参数以及薄膜物理厚度进行回归运算，当红外透射光谱和椭圆偏振光谱的拟合结果和测量结果均得到理想吻合时停止，得到薄膜的光学常数测量结果；如果红外透射光谱或椭圆偏振光谱的拟合结果和测量结果无法得到理想吻合，则调整色散模型的初始值后再进行回归运算，直至红外透射光谱或椭圆偏振光谱的拟合结果和测量结果无法得到理想吻合为止，得到光学常数测量结果。图2给出了计算得到的Ge_1-xC_x薄膜的光学常数，在5.1μm附近有特定的吸收峰，其消光系数峰值在10^-2量级；图3给出了透射光谱的计算结果和测试结果的比对情况，两者基本一致；图4给出了椭偏参数psi的计算结果和测试结果的比对情况，两曲线吻合较好。

综上，本发明公开了一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法，通过测量薄膜红外透射光谱确定吸收峰位置，参考吸收峰位置和吸收大小建立薄膜光学常数物理模型，然后利用红外透射光谱和椭圆偏振光谱相结合的复合目标反演方法计算得到Ge_1-xC_x薄膜的光学常数。通过试验证明，本方法可以测量得到Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区的光学常数，并可以同时得到薄膜的物理厚度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种Ge_1-xC_x薄膜红外光谱区光学常数的测量方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1：在双面抛光的红外光学基底上制备单层红外薄膜，控制薄膜厚度为200nm至10μm之间；

步骤S2：利用红外光谱仪测量薄膜样品的红外透射光谱；

步骤S3：将薄膜样品背面，即非镀膜面，处理粗糙；

步骤S4：利用红外椭圆偏振仪测量薄膜样品的红外椭圆偏振光谱；

步骤S5：建立光学常数的物理模型，在透射光谱对应的吸收峰位置增加吸收模型，并根据透射光谱下降的幅度调整吸收峰的幅度。并预先设定如下评价函数：

$\mathrm{MSE}=\sqrt{\frac{1}{2N-M}\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\left(\frac{{\mathrm{\Ψ}}_i^{\mathrm{mod}}-{\mathrm{\Ψ}}_i^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Ψ},i}^{\exp }}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_i^{\mathrm{mod}}-{\mathrm{\Δ}}_i^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ},i}^{\exp }}\right)}^2]+\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{T_j^{\mathrm{mod}}-T_j^{\exp }}{{\mathrm{\σ}}_{T,j}^{\exp }}\right)}^2\}}$

MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为椭偏光谱测量波长的数目，M为变量个数，和分别为第i个波长的测量值，和分别为第i个波长的计算值，和分别为第i个波长的测量误差；P为透射光谱测量波长的数目，为第j个波长的透射测量值，为第j个波长的透射计算值，为第j个波长的透射测量误差；从上述公式可以看出，MSE被测量误差加权，所以噪音大的数据被忽略掉，MSE越小表示拟合得越好；

步骤S6：进行回归运算，得到红外光谱区具有特征吸收峰的薄膜光学常数。