CN107389553A - 二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法，属于光学薄膜技术领域。本发明将SiO₂薄膜等效为纯SiO₂和亚氧化物的混合物，构建光学常数物理模型，获得较高精度的消光系数测试，确定了SiO₂光学薄膜消光系数，解决了极低消光系数的SiO₂薄膜特性表征问题，通过该方法可以获得低于1×10^‑8的消光系数测试。该方法在SiO₂薄膜光学常数精确标定上具有广泛的应用价值。

Description

二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法。

背景技术

SiO₂薄膜材料是光学薄膜领域内重要的低折射率材料之一，具有较低的吸收、无定形结构、高热稳定性和耐腐蚀等特性，被广泛应用于各类光学多层薄膜的设计，如减反膜、高反膜、分光膜和滤光膜等。SiO₂薄膜的制备方法有热蒸发、离子辅助、离子束溅射、磁控溅射、溶胶-凝胶、PECVD、原子层沉积和热氧化等方式。折射率与消光系数是表征薄膜材料的最重要的参数之一，是多层膜设计和应用的关键参数。SiO₂薄膜的光学常数是光学多层膜设计的关键基础数据，由于不同制备工艺的SiO₂薄膜具有不同的光学常数，因此光学常数的测量是SiO₂薄膜特性表征的重要工作之一。

目前，可用于光学常数测量的方法较多，主要有反射光谱/透射光谱极值法、反射光谱/透射光谱的反演计算法、反射椭圆偏振反演计算法，色散傅里叶变换光谱法、衰减全反射法、光声法、光热法、布里渊散射法等。

各种方法对于折射率的表征已经毫无疑问，已经能够满足人们对折射率测试的需求。SiO₂薄膜的消光系数也与制备工艺和后处理方式相关，人们对SiO₂薄膜的制备已经取得了大量的成就，尤其是在消光系数控制方面，在薄膜制备过程中除了控制薄膜生长过程的杂质和缺陷以外，化学计量比的控制尤为重要。从目前发表的大量文献来看，SiO₂薄膜的化学计量比已经达到了1:2的水平，其消光系数可以达到5×10^-6，但是仍不能达到理想熔融石英的消光系数水平。这不能说明目前SiO₂薄膜化学计量比的表征手段问题，只能说明化学计量比缺陷的比例较低。2013年，Sarcina等人研究了质子辐照窄带滤光片(TiO₂/SiO₂)的研究，发生了波长漂移和透过率下降的现象，他们认为SiO₂薄膜在辐照下发生了变化，损伤层为SiO₂和SiO的混合物质，并通过对熔融石英的辐照和仿真实验验证了这一点。因此，我们可以假设SiO₂薄膜的消光系数是由于SiO₂中含有微量的SiO所引起的，宏观上表现为SiO₂薄膜的折射率和弱的消光系数。因此，如何计算二氧化硅光学薄膜消光系数，成为了亟待解决的技术问题。

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：如何计算SiO₂光学薄膜消光系数，以解决极低消光系数的薄膜特性表征问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、选择单晶硅作为SiO₂薄膜制备的基底，所述基底的表面粗糙度优于0.3nm，基底和SiO₂薄膜共同构成基底-薄膜系统；

步骤2、设定测量波长范围为λmin到λmax，测量波长的间隔为Δλ，测量基底-薄膜系统的光谱，从而得到反射椭偏参数Ψ(λ)和Δ(λ)，λmin的取值为测量仪器的最短波长，λmax的取值在SiO₂薄膜的透明区域内任意位置，设入射角度为θ；

步骤3、将所述SiO₂薄膜等效为纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的混合物，基于Tauc-Lorentz介电常数模型，分别确定纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数；

步骤4、设纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数分别为ε_x和ε_y，其中亚氧化物薄膜的体积含量为f，基于Maxwell-Garnett关系得到SiO₂薄膜的介电常数与纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数满足的关系；

步骤5、基于步骤4得到的关系，根据薄膜光学原理，使用非线性优化算法从步骤2测试得到的基底-薄膜系统光谱中，反解出SiO₂薄膜的介电常数ε、折射率n_f和消光系数k_f，以及f。

优选地，步骤2中，利用椭圆偏振仪测量基底-薄膜系统的光谱。

优选地，步骤5中，反演计算的评价函数预先设定为：

MSE是测量值与数学模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，M为拟合变量的个数，ψ_i ^exp、和Δ_i ^exp分别为i个波长的反射椭偏参数测量值，ψ_i ^mod和Δ_i ^mod分别为i个波长的反射椭偏参数计算值，σ_ψ,i ^exp和σ_Δ,i ^exp分别为i个波长的反射椭偏参数测量误差。

(三)有益效果

本发明将SiO₂薄膜等效为纯SiO₂和亚氧化物的混合物，构建光学常数物理模型，获得较高精度的消光系数测试，确定了SiO₂光学薄膜消光系数，解决了极低消光系数的SiO₂薄膜特性表征问题，通过该方法可以获得低于1×10^-8的消光系数测试。该方法在SiO₂薄膜光学常数精确标定上具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为基底-薄膜系统的示意图；

图2为室温下光谱拟合结果；

图3为100℃热处理后光谱拟合结果示意图；

图4为200℃热处理后光谱拟合结果示意图；

图5为300℃热处理后光谱拟合结果示意图；

图6为不同处理方式下SiO₂薄膜折射率结果示意图；

图7为不同处理方式下SiO₂薄膜消光系数结果示意图；

图8为热处理对亚氧化物含量的影响示意图。

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。

本发明提供了一种二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、采用离子束溅射制备SiO₂薄膜，选择单晶硅作为SiO₂薄膜制备的基底，薄膜沉积在超光滑表面Si基底表面，使得基底的表面粗糙度优于0.3nm，基底和SiO₂薄膜共同构成基底-薄膜系统，基底-薄膜系统的示意图如图1所示。其中，离子束溅射的主要参数为：主溅射离子源为16cm口径的射频离子源，靶材为高纯度石英靶材(纯度>99.99％)，离子源的离子束电压为1250V，离子束电流为600mA，氧气流量为30sccm，沉积时间为3600s。制备后SiO₂薄膜分别进行热处理，热处理的温度分别为100℃、200℃、300℃，保持温度16h，退火后自然回温到室温。

步骤2、设定测量波长范围为λmin到λmax(本实施例中为0.2μm-0.9μm)，测量波长的间隔为Δλ(本实施例中为0.05eV)，利用美国J.A.Woollam公司的VASE型椭圆偏振仪测量基底-薄膜系统的光谱，从而得到反射椭偏参数Ψ(λ)和Δ(λ)(在任一测试波长λ，Ψ和Δ均成对出现)，λmin的取值为测量仪器的最短波长，λmax的取值在SiO₂薄膜的透明区域内任意位置，设入射角度为θ(本实施例中为65°)；

步骤3、将所述SiO₂薄膜等效为纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的混合物，使用美国WVASE32椭偏仪软件，分别建立纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的Tauc-Lorentz介电常数模型，从而分别确定纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数；

介电常数的虚部ε_i为：

E为光子能量，E₀、A、E_g和C分别表示为中心跃迁的光子能量、光学跃迁矩阵元，禁带宽度和带宽参数，介电常数的实部ε_r为：

ε_∞表示介电常数的纯实部，P表示主值积分。

介电常数为ε：

ε＝ε_r-iε_i＝(n-ik)² (3)

步骤4、设纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数分别为ε_x和ε_y，其中亚氧化物薄膜的体积含量为f，基于Maxwell-Garnett关系，得到SiO₂薄膜的介电常数与纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数满足如下关系：

ε_f、n_f和k_f分别为SiO₂薄膜的介电常数、折射率和消光系数。

步骤5、基于步骤4得到的关系，根据薄膜光学原理，使用非线性优化算法从步骤2测试得到的基底-薄膜系统光谱中，反解出SiO₂薄膜的介电常数ε、折射率n_f和消光系数k_f，以及f。

其中，反演计算的评价函数预先设定为：

MSE是测量值与数学模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，M为拟合变量的个数，ψ_i ^exp、和Δ_i ^exp分别为i个波长的反射椭偏参数测量值，ψ_i ^mod和Δ_i ^mod分别为i个波长的反射椭偏参数计算值，σ_ψ,i ^exp和σ_Δ,i ^exp分别为i个波长的反射椭偏参数测量误差。

以第一组实验数据为例，纯SiO₂薄膜的Tau-Lorentz介电常数方程的系数如下：E₀＝9.9415±4.94，A＝40.155±2.77、E_g＝8.4321±2.35、C＝0.11041±3.28。亚氧化物薄膜的比例为f＝0.026％；

四组样品椭偏数据拟合的效果如图2到图5，四组样品的MSE分别11.26、8.13、6.25和4.15。

图6为四组样品计算得到的折射率色散曲线，随着热处理温度的增加，薄膜折射率逐渐下降；图7为四组样品计算得到的消光系数色散曲线；随着热处理温度的增加，薄膜的消光系数下降。对于633nm波长，消光系数从2.4×10^-6下降到9.0×10^-8。

从图8的消光系数结果分析：随着热处理温度的增加，薄膜进一步氧化充分，亚氧化物的含量从0.026％下降到0.001％，直接导致了消光系数的下降。因此消光系数随着热处理温度增加而降低。说明本方法拟合的光学常数具有一定的物理意义。

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 (3)

1.一种二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选择单晶硅作为SiO₂薄膜制备的基底，所述基底的表面粗糙度优于0.3nm，基底和SiO₂薄膜共同构成基底-薄膜系统；

步骤2、设定测量波长范围为λmin到λmax，测量波长的间隔为Δλ，测量基底-薄膜系统的光谱，从而得到反射椭偏参数Ψ(λ)和Δ(λ)，λmin的取值为测量仪器的最短波长，λmax的取值在SiO₂薄膜的透明区域内任意位置，设入射角度为θ；

步骤3、将所述SiO₂薄膜等效为纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的混合物，基于Tauc-Lorentz介电常数模型，分别确定纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数；

步骤4、设纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数分别为ε_x和ε_y，其中亚氧化物薄膜的体积含量为f，基于Maxwell-Garnett关系，得到SiO₂薄膜的介电常数与纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数满足的关系；

步骤5、基于步骤4得到的关系，根据薄膜光学原理，使用非线性优化算法从步骤2测试得到的基底-薄膜系统光谱中，反解出SiO₂薄膜的介电常数ε、折射率n_f和消光系数k_f，以及f。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，利用椭圆偏振仪测量基底-薄膜系统的光谱。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤5中，反演计算的评价函数预先设定为：

<mrow> <mi>M</mi> <mi>S</mi> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>{</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mi>M</mi> </mrow> </mfrac> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Psi;</mi> <mi>i</mi> <mi>mod</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;Psi;</mi> <mi>i</mi> <mi>exp</mi> </msubsup> </mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>&amp;Psi;</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mi>exp</mi> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>i</mi> <mi>mod</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>i</mi> <mi>exp</mi> </msubsup> </mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mi>exp</mi> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>}</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

MSE是测量值与数学模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，M为拟合变量的个数，ψ_i ^exp、和Δ_i ^exp分别为i个波长的反射椭偏参数测量值，ψ_i ^mod和Δ_i ^mod分别为i个波长的反射椭偏参数计算值，σ_ψ,i ^exp和σ_Δ,i ^exp分别为i个波长的反射椭偏参数测量误差。