CN105157585A - 一种同时获取薄膜厚度与折射率的标准干涉片拟合法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时获取薄膜折射率与厚度的双标准干涉片拟合法，它只需将待测薄膜镀制在两种镀有一层已经形成干涉但不同折射率薄膜的标准干涉片上，即可通过同时拟合两种标准干涉片镀膜前后的透(或反)射光谱，同时精确地获取待测薄膜的厚度与折射率，膜厚测量极限高达1nm，相对于传统方法30nm测量极限具有很大提高。另外，该方法由于同时对两种标准干涉片进行拟合，可以极大地减小测试系统的误差，显著降低对测试系统性能的要求和成本。而且，本发明方法适用于镀膜系统的在线检测与监控，可以在工业生产或者科学研究中推广使用。

Description

一种同时获取薄膜厚度与折射率的标准干涉片拟合法

技术领域

本发明涉及一种光学薄膜参数的检测方法，具体指利用标准干涉片镀膜前后的光谱进行拟合，精确获取薄膜厚度与折射率的一种方法。

背景技术

薄膜的折射率和厚度决定薄膜的光学性质，折射率和厚度的测量至关重要。一般来说，完美的晶体或者薄膜折射率是固定不变的，是物质的基本性质。然而，实际镀制薄膜的折射率会受工艺方法、工艺参数、镀膜环境等诸多因素的影响。因此，根据实际条件准确获取薄膜厚度和折射率在薄膜的制备和应用中具有十分重要的意义。

传统的薄膜测量办法一般分为非光学方法和光学方法：

非光学方法是指利用非光学的手段直接或者间接获取薄膜厚度。常用的方法有：轮廓法、石英晶控法、电阻法、电容法、电磁法、涡流法、称量法、超声波法、α粒子法、探针法等。其中石英晶控法在工程加工中使用非常广，其主要应用在光学薄膜加工时的实时测量中。

石英晶体的振动频率虽然对温度变化不灵敏，却对质量的变化很敏感，利用这一特性可以实现薄膜的厚度控制。然而由于在镀膜中，随着薄膜厚度的不断增加，石英晶体的振动频率会不断下降，当振动频率下降到一定程度就容易发生跳频现象，灵敏度就大大地降低，此时的晶控测量就会出现较大的误差。并且石英晶控法无法获得薄膜的折射率，无法反应出薄膜的光学性能变化。

光学方法则是利用光学原理测量薄膜厚度和折射率具有精度高、非接触无损测量的优点，可以在不破坏样品的前提下准确获得薄膜的厚度和折射率。在实际应用中，利用光学原理测量薄膜厚度和折射率的方法有很多，例如：椭圆偏振法、全光谱拟合法、光谱法、棱镜耦合法、外差干涉测量法、移相干涉测量法、等厚干涉和干涉色测量法、阿贝法(又称布鲁斯特角法)等。以下我们就将在实际应用中经常使用的一些光学方法作为例子做一个简单介绍：

椭圆偏振法测量原理就是测量偏振光束在薄膜上的反射或者透射时出现的偏振变换。其椭偏参数与薄膜的折射率和厚度有关。用一束入射光照射待测薄膜表面，通过检测和分析入射光和反射光的偏振状态，从而求得薄膜厚度和折射率。此方法具有高灵敏度、高精度、重复性好等突出优点。然而椭偏测试系统复杂，不易集成在镀膜系统中，并且拟合时需要建立复杂的模型进行拟合，难以实现快速在线检测和实时监控。

全光谱拟合法是通过测量直接镀制在衬底上的待测薄膜的宽波长范围透射率或反射率曲线后，用计算机对测得的透射率或反射率曲线进行计算或迭代拟合，得到薄膜的厚度以及在此波段内的折射率。全光谱拟合法综合考虑了薄膜材料的色散、吸收，比较切合实际薄膜的情况。而且不需要知道太多的关于膜层的信息就可得到较高精度的结果。但是，通过拟合的方式来获取薄膜的厚度信息，透射率和反射率的测量误差对精度会产生较大影响，当薄膜没有足够的厚度形成干涉极值时，全光谱拟合的结果将产生较大误差，因此对于30nm以下的薄膜，使用这种方法的拟合误差很大，尤其是待测薄膜折射率与基片相近的情况。因此，要测量超薄薄膜厚度时(小于30nm)，光谱强度测量的精确度将会极大影响薄膜厚度和折射率的拟合精度。

在光学测量中，由于光路扰动或者光源温度变化，光谱的强度往往会发生改变。当光谱强度发生变化是，反映物质性质的峰位并不会发生变化。因此，光谱的峰位测量精度要远高于光谱强度的测量精度。

我们曾经提出干涉拟合法拟合法测量超薄纳米薄膜的厚度和折射率【专利申请号：CN201110358851.X】。在待测薄膜和衬底之间插入一层高折射率的干涉膜，这层干涉膜在光谱上已经形成干涉峰。因此，当待测薄膜沉积在干涉膜上时，会引起干涉峰位的移动，而不是强度变化。在光学测试中，光谱的强度会发生一定的变化，但是光谱的峰位是一个比较精确的值，因此，此方法可以实现超薄薄膜厚度和折射率的准确测量。但是，此方法对光谱测试系统的要求还是较高，不利于推广使用。

为了降低测量对系统要求，本发明公开了一种双干涉片拟合法来测量薄膜厚度和折射率。其中干涉片的干涉膜为已经形成干涉峰的高折射率材料。这种双干涉片拟合法的优势在于通过双干涉片测量来减小系统误差，提高测量精度。通过这种方法测量超薄薄膜厚度和折射率时，只需要使用一般的光纤光谱仪测量光谱即可，具有很好的应用前景。

发明内容

本发明提出一种双标准干涉片拟合法来同时获取薄膜折射率和厚度。

本方法预先分别在衬底上各引入一层在所测的波段内透明且足以形成干涉、折射率不同的干涉层，制作成两个标准干涉片(如图1所示)，本发明例中所涉及的光谱波段为可见波段，此时两种标准干涉片的透射谱或反射谱已经形成干涉峰。在两种标准干涉片上镀制一层完全一样的待测薄膜，其可以是在干涉层透过波段弱吸收的介质薄膜。镀制完待测薄膜后可引起两种干涉片的干涉峰的明显变化。此时即使待测薄膜的厚度极薄也会引起光谱的变化。由于光谱峰位变化携带了大量与材料折射率和厚度等相关的重要信息。同时，与光谱强度不同，光谱峰位变化不易受测试系统的影响和外界的干扰，因此它的变化可以很好地反映出材料的厚度等信息。再通过两种干涉片对同一个待测薄膜进行拟合，可以增加计算机拟合折射率n和厚度d的信息量，相当于联立两个独立方程来求解n和d这两个未知数，最大限度地将n和d区分出来，并且可以扣除系统本身误差，降低测试系统误差对拟合结果的影响。因此采用两种标准干涉片对待测薄膜光谱同时拟合，可获得精确拟合结果的同时，大幅降低对测试系统性能的要求。因此，可以使用测量精度不高的仪器如廉价的光纤光谱仪来测量，也能获得较高精度的结果，可以在工业和科学研究领域推广使用。

方法的原理如图2所示，图2(a)中，传统方法是通过强度来拟合薄膜光谱，10nm薄膜引起的光谱强度差异最大只有0.7％，这样差异很容易被噪声所覆盖或受外界干扰。而图中2(b)是通过干涉片来拟合薄膜厚度，10nm薄膜峰位偏移为3.9％，是强度差异的5.6倍。并且这一峰位信息测量的精确度远高于强度信息。因此单干涉片拟合法相对于传统方法精度会有极大提高。而图2(c)是双干涉片拟合法在峰位差异，峰位差异分别是3.5％和4.5％，因此同一待测薄膜镀制在不同干涉片上峰位移动情况也是不同的，这一不同反应出干涉膜与待测膜之间折射率差异。通过两组峰位移动信息，可以准确反解出薄膜厚度和折射率。

因此，本发明旨在提供一种通过测量同时在两种镀有不同折射率干涉膜的标准干涉片上镀制待测薄膜后的光谱，对两种标准干涉片的光谱进行同时拟合，准确获得薄膜的折射率和厚度的方法。本方法既能保持用一个标准干涉片拟合的高精度特点，还可以极大地减小系统误差的影响提高测量精度。本方法只需测量两种标准干涉片镀膜前后的透射谱或反射谱，就可以快速拟合出薄膜的厚度和折射率，具有快速、准确的特点，适用于在线监测薄膜生长情况。

本发明对于干涉层材料和厚度的选择规律为：

(1)、干涉层材料可以选择任意在所需测试波段透明的材料。

(2)、干涉层材料的折射率与衬底材料折射率之间的差别越大，引起的干涉效果越好，谱线的振幅越大由谱线拟合得出的厚度受实验误差和噪声的影响就越小，测量精度越高。通常，干涉层材料的折射率与衬底材料折射率之差应大于0.05以确保拟合精度。

(3)、干涉层的厚度要保证其透、反射谱可以产生明显的干涉峰、谷。在此前提下，干涉层引起的干涉级次越小(干涉级次由薄膜的厚度决定)，测量精度越高。由干涉峰、谷处波长和厚度、折射率满足的公式求导得可知，其物理厚度应大于一级干涉厚度，即其中m为干涉级次，λ为干涉波长，n为干涉膜的折射率。在形成一级干涉的基础上，改变单位厚度引起干涉峰的偏移最大，因此增加单位厚度待测薄膜后引起干涉峰的偏移越明显，效果最佳、测量精度最高。不过就算当干涉层较厚产生的干涉级次较高时，本发明的方法依然可以测量纳米厚度超薄膜。

对于测量波段吸收小的材料均可采用透射或反射光谱方法进行测量，相比而言，透射光谱方法精度较高；对于吸收比较严重的材料，可以采用反射谱法进行测量，以减小吸收对测试结果的影响。

本发明的具体步骤为：

1制备折射率不同的两种标准干涉片。依据干涉层材料和厚度的选择规律，在可见波段透明衬底上制备出两种标准干涉片。生长工艺可以是磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发、PECVD等薄膜制备手段。

2接着进行拟合，首先，建立色散模型，本方法中采用的色散模型为柯西模型，用介质的折射率n与波长λ的关系来描述色散规律，可以用一个级数表示：n(λ)＝a+b/λ^2+c/λ^4，其中a,b,c均为需要拟合的参数，将两种标准干涉片未镀待测薄膜时的透射光谱代入柯西色散公式进行拟合，得出光谱拟合图形。

3测量标准干涉片的透射或者反射光谱并提取它们的折射率。利用光谱仪分别测量干涉片的透射光谱或者反射光谱。通过薄膜光谱计算软件拟合薄膜光谱，提取薄膜折射率和折射率。光谱计算软件可以是CODE、Macleod、FDTD等利用传输矩阵法或者有限元差分法作为算法的光谱计算软件。

4生长待测薄膜。将折射率不同的两种标准干涉片同时作为检测陪片一起生长待测薄膜，生长工艺可以是磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发、PECVD、溶胶凝胶法等各种薄膜制备手段。为了验证本方法的准确性和测量精度，同时放入一片已经做好掩膜、用来定标待测薄膜真实厚度的陪片，通过原子力显微镜(AFM)测量待测薄膜的实际厚度进行比较。实际使用时并不需要放入含有掩膜、用AFM测量真实厚度的陪片，只需将两种标准干涉片作为陪片共同镀制待测薄膜。

测量含有待测薄膜的样品透射或者反射光谱，通过双光谱拟合法拟合其厚度和折射率。利用可见波段光谱仪分别测量生长了待测薄膜的干涉片的透射光谱或者反射光谱。利用薄膜计算软件对两个样品的光谱进行双光谱拟合，得出薄膜的折射率和厚度。

本方法实际应用时，由于标准干涉片为统一制备，用户测试只需要操作步骤3和步骤4即可。

采用本发明方法之后具有以下有益效果：

1同时测量薄膜厚度和折射率。引入干涉层后，通过拟合的方法可以同时获取薄膜的厚度和折射率。

2测量极限高。厚度超过1nm的薄膜可以运用本方法进行检测，对于传统全谱拟合法难以精确测量的30nm厚度以下薄膜和与衬底折射率接近的薄膜检测特别有效。

3测量精度高。对于超薄薄膜，厚度测量误差<5％，折射率测量误差<5％。

4对测量系统要求低。该方法由于同时对两种标准干涉片进行拟合，可以极大地减小测试系统本身的误差，显著降低对测试系统性能的要求，不仅可用于高精度的分光光度计，也可以用于精度低的光纤光谱仪。

5可在线检测。将光纤光谱仪集成到在线系统中，再利用本发明提出的方法，可以在线实时监测薄膜厚度和折射率变化。

附图说明

图1所示为双标准干涉片拟合法的基本结构示意图。

图2中图(1)为传统模型、图(2)为单干涉片拟合法、图(3)为双干涉片拟合法中待测薄膜厚度变化引起的光谱变化。

图3中图(1)为实施例1标准干涉片五氧化二钽镀了10nm的SiO₂薄膜前、后的透射光谱图；图(2)为实施例1标准干涉片二氧化钛镀了10nm的SiO₂薄膜前、后的透射光谱图。

图4中图(1)为实施例1未镀膜标准干涉片五氧化二钽的光谱拟合图形；图(2)为实施例1未镀膜标准干涉片二氧化钛的光谱拟合图形；

图5中图(1)为实施例1标准干涉片五氧化二钽的折射率拟合结果；图(2)为实施例1标准干涉片二氧化钛的折射率拟合结果。

图6所示为实施例1待测薄膜折射率拟合结果。

图7所示为实施例2薄膜的拟合效果。

具体实施方式

实施例1：在可见波段，利用双标准干涉片拟合法测量5、10、30nm厚的SiO₂薄膜的厚度和折射率。

以SiO₂待测薄膜为例，SiO₂属于弱吸收材料，因此衬底可以选择透明的玻璃或宝石片，在本实施例中选用已经分别在两块K9玻璃上镀制好150nm厚的Ta₂O₅薄膜和160nm厚的TiO₂薄膜的基片作为标准干涉片，由于这两种材料的折射率均与玻璃衬底的折射率相差较大，较厚的厚度可以使标准干涉片在可见波段出现一级干涉，光谱图形有较大起伏(实测的透射光谱如图3所示)。具体步骤如下：

1、将Ta₂O₅和TiO₂两种标准干涉片一起作为陪片进行待测薄膜镀制。

2、测试镀好待测薄膜后Ta₂O₅和TiO₂两种标准干涉片的透射或反射谱，通过色散公式拟合拟合光谱即可得到干涉片折射率。图4为标准干涉片光谱拟合结果，图5为两种干涉片的折射率拟合结果。同时代入色散公式进行拟合，即可获得待测薄膜的折射率曲线(如图6所示)，厚度为10.5nm。对比AFM的测试结果可以看出，用精密光谱仪测试时，拟合结果与实际测试结果误差与直接用单干涉片拟合的结果相当，验证了该方法测试5nm、10nm和30nm等不同厚度SiO₂待测薄膜的结果，如下表所示。

依照此方法，如果采用测试精度低的光纤光谱仪，只采用其中一种标准干涉片拟合则误差极大，根本无法测试30nm以下薄膜的厚度，但采用本专利的双标准干涉片拟合法，则又可以精确拟合出待测薄膜厚度，使精度较低的光纤谱仪拟合结果精度极大提高，说明采用双标准干涉片拟合法可以很好地消除测试系统本身的影响，大幅降低对测试系统的要求。拟合厚度和真实厚度结果如下表所示，可以看出两者相差极小，均在10％以内，由此可以说明本发明方法可以有效降低对光谱仪器性能的要求。

实施例2：在可见波段，利用双干涉标准干涉片拟合法测量1nm厚的SiN薄膜。

在本实施例中选用已经分别在两块宝石片上镀制好200nm厚的Y2O3薄膜和160nm厚的Nb2O5薄膜的基片作为标准干涉片，由于这两种材料的折射率均与蓝宝石衬底的折射率相差较大，较厚的厚度可以使标准干涉片在可见波段出现一级干涉。

然后将两种标准干涉片同时放入真空镀膜系统当中，同时放入一片已经做好台阶，用来定标待测薄膜厚度的陪片，镀制厚度大约为1nm的SiN薄膜，如此就在两种标准干涉片上镀制上了同一个厚度的SiN待测薄膜。分别测量两种标准干涉片镀膜后的透射光谱，

代入色散公式进行拟合，厚度为1.3nm，拟合曲线如图7所示。与AFM的测试结果1.5nm相比可知，拟合结果与实际测试结果误差只有13％。因此，该发明方法测量厚度极限达到1nm。

Claims (1)

1.一种同时获取薄膜折射率与厚度的双标准干涉片拟合法，其特征在于包含以下步骤：

(1)制备折射率不同的两种标准干涉片；在可见波段透明衬底上，应用磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发或PECVD薄膜制备手段，制备出两片标准折射率不同的标准干涉片；标准干涉片的物理厚度d应大于一级干涉厚度，即其中m为干涉级次，λ为干涉波长，n为干涉膜的折射率；

(2)测量标准干涉片的透射或者反射光谱并提取干涉膜的折射率；

(3)生长待测薄膜；通过磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发、PECVD或溶胶凝胶法薄膜制备手段沉积薄膜，制备时将步骤(1)中制备的折射率不同的两种标准干涉片作为检测陪片在其上同时制备；

(4)测量含有待测薄膜的两种标准干涉片透射或者反射光谱；

(5)通过双光谱拟合法拟合获得待测薄膜的厚度和折射率，通过CODE、Macleod、FDTD利用传输矩阵法或者有限元差分法作为算法的光谱计算软件对两种标准干涉片上镀待测薄膜的透射或反射光谱进行同时拟合，得出薄膜的折射率和厚度。