一种光学常数测量方法与光学常数测量设备
技术领域
本申请涉及光学分析技术领域,特别涉及一种光学常数测量方法与光学常数测量设备。
背景技术
薄膜材料的光学常数(折射率n与消光系数k)不仅是光学薄膜设计中不可忽视的参量,在其他的领域的实际应用中也是十分重要的。比如,对于热反射镜、选择性光敏吸收体及光生伏特电池等元器件,掌握其表面薄膜在宽波段范围内的光学参数,就能通过计算得到电磁辐射和薄膜的相互作用的机制。
在设计和计算光学薄膜元件的特性时,研究人员常常把块状材料的各向常数作为薄膜的光学常数,而且将薄膜简化成具有均匀折射率、消光系数和厚度的膜层。但是薄膜状态下材料的光学常数往往是不同于块体状态下材料的光学常数的,薄膜材料的光学常数强烈依赖所采用的沉积方法,表征厚度等因素。具体而言,薄膜材料的折射率会显现出非均匀性和各向异性等,且薄膜材料的消光系数会显现出不均匀性和各向异性等。对于薄膜状态下材料的光学常数,通常需要设计实验进行测量。
传统方案中常采用光度法和椭圆偏振法对薄膜的光学常数进行测量。其中,光度法对薄膜的厚度要求较厚,以便产生多个干涉极值,但对于薄膜较薄的情景,由于光谱分布值波动幅度较小,会对解析的结果影响较大;椭圆偏振法具有很高的测量灵敏度和精度,能对数纳米厚的超薄薄膜测量,但是椭偏法的数学计算复杂,在数据拟合时比较依赖模型的建立,且椭圆计的工作波长会受到限制,椭圆偏振法测量薄膜光学常数的波段具有局限性。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光学常数测量方法,利用S偏振光在斜入射条件下具有较高的反射率值来放大光谱峰谷幅度,特别适用于厚度较小的薄膜,拓展了光度法的有效测厚范围并避免了椭偏法的拟合复杂性,是一种通用且解析精度较高的一种方法。
本申请是这样实现的,一种光学常数测量方法,包括以下步骤:
步骤S1:获得包括S偏振态的探测光;
步骤S3:将所述探测光按照第一预设入射角照射设置于基底上的待检测的薄膜,所述探测光照射所述薄膜后,获取所述探测光的偏振方向与入射面的夹角大于或者等于偏振角的分量作为第一反射光谱数据;
步骤S4:根据所述第一反射光谱数据选择色散模型,并根据所述色散模型组合拟合所述第一反射光谱数据。
在本申请的一个实施例中,在步骤S1之后,步骤S3之前,还包括:
步骤S2:将所述探测光按照第二预设入射角照射用于承载待检测的所述薄膜的所述基底,所述探测光照射所述基底后,获取所述探测光的偏振方向与入射面的夹角大于或者等于所述偏振角的分量作为第二反射光谱数据;
步骤S4具体包括:根据所述第二反射光谱数据和所述第一反射光谱数据选择色散模型,并根据所述色散模型组合拟合所述第二反射光谱数据和所述第一反射光谱数据。
在本申请的一个实施例中,在步骤S2和步骤S3中,所述偏振角被配置为85°。
在本申请的一个实施例中,在步骤S2中,所述第二预设入射角被配置为90°;在步骤S3中,所述第一预设入射角被配置为多个角度。
在本申请的一个实施例中,在步骤S4中,根据所述第二反射光谱数据和所述第一反射光谱数据选择色散模型具体包括:
根据所述第二反射光谱数据和所述第一反射光谱数据获得所述薄膜的光学常数测量值,根据所述光学常数测量值判断所述薄膜的折射率是否具有非均匀性;
若结果为是,则采用第二色散模型;若结果为否,则采用第一色散模型。
在本申请的一个实施例中,步骤S4中,根据所述色散模型组合拟合所述第二反射光谱数据和所述第一反射光谱数据具体包括:
根据误差评价函数和最小误差评价函数组合拟合所述第二反射光谱数据和所述第一反射光谱数据。
在本申请的一个实施例中,所述误差评价函数为:
所述误差评价函数中,所述θ表示所述第一预设入射角的角度,所述Rj,cal表示所述薄膜的光学常数理论值,所述Rj,exp表示所述光学常数测量值,所述Nw表示采用不同波长的所述探测光获得所述第一反射光谱数据的次数,所述△Rj表示所述第一反射光谱数据的不确定性;
所述最小误差评价函数为:
所述最小误差评价函数中,所述Nθ表示采用不同所述第一预设入射角的所述探测光获得所述第一反射光谱数据的次数,所述EF0表示入射角为0°时的所述误差评价函数,所述EF8表示入射角为8°时的所述误差评价函数,所述EFi表示所述探测光的入射角为所述第一预设入射角时的所述误差评价函数。
在本申请的一个实施例中,根据误差评价函数和最小误差评价函数组合拟合所述第二反射光谱数据和所述第一反射光谱数据包括:根据所述误差评价函数和所述最小误差评价函数解析使得所述最小误差评价函数的值最小的解析光学常数,以所述解析光学常数作为所述薄膜的光学常数。
本申请的另一目的在于提供一种能够通过如上所述的光学常数测量方法测量薄膜的光学常数的光学常数测量设备,所述光学常数测量设备包括能够输出具有单向性的光线的光源、设置于所述光源输出的所述光线的光路上且用于承载带有薄膜的基底的样品台,以及设置于所述光线经过所述样品台的反射光路上的光学接收探测器;
所述光学常数测量设备还包括设置于所述光线的光路上的起偏器;或者,所述光源采用能够输出具有单向性的线偏振光的偏振光源;
所述光学接收探测器接收的所述光线的偏振方向垂直于所述光线照射所述薄膜时的入射面。
在本申请的一个实施例中,所述光学常数测量设备还包括所述起偏器时,所述起偏器设置于所述光线经过所述样品台的反射光路上,且所述起偏器采用偏振棱镜;所述光源采用所述偏振光源时,所述光源具有带有布儒斯特窗的光学谐振腔。
实施本申请任一实施例提供的一种光学常数测量方法,至少具有以下有益效果:
使得探测光在斜入射条件下具有更高的反射率值,能够放大探测到的第一反射光谱数据的峰谷幅度,从而使得光学常数测量方法具有更高的解析精度;
本实施例提供的光学常数测量方法,对于薄膜的厚度没有严格要求,能够适用于各种厚度的薄膜,特别适用于厚度较小的薄膜,兼具传统的光度法的简单有效的优点和传统的椭偏法的适用范围广的优点;
此外,光线与薄膜的相对方位关系更接近于薄膜正常使用时的真实状态,因此本实施例提供的光学常数测量方法获得的光学常数对于偏振光学元件等薄膜元件更具有参考价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的一个实施例提供的光学常数测量方法的流程示意图;
图2是本申请的另一个实施例提供的光学常数测量方法的流程示意图;
图3是图2所示的光学常数测量方法的一个具体方案的流程示意图;
图4是本申请的一个实施例提供的光学常数测量设备的结构示意图;
上述附图所涉及的标号明细如下:
1-薄膜;2-基底;3-光源;4-光学接收探测器;5-样品台。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
需说明的是,当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件,它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件,它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置,仅是为了便于描述,不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
为了说明本申请所述的技术方案,以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
请参阅图1,本实施例提供了一种光学常数测量方法,包括以下步骤:
步骤S1:获得包括S偏振态的探测光;
步骤S3:将探测光按照第一预设入射角照射设置于基底2上的待检测的薄膜1,探测光照射薄膜1后,获取探测光的偏振方向与入射面的夹角大于或者等于偏振角的分量作为第一反射光谱数据;
步骤S4:根据第一反射光谱数据选择色散模型,并根据色散模型组合拟合第一反射光谱数据。
具体而言,本实施例提供的光学常数测量方法的具体原理是这样的:
首先获取一束探测光,该探测光应当具有单向性,且应当选择多个波段的光线作为探测光,比如,可以采用多种波段在400nm-1000nm的激光作为探测光;
然后,将探测光按照第一预设入射角照射基底2上的待检测的薄膜1,获取探测光的偏振方向与入射面的夹角大于或者等于偏振角的分量作为第一反射光谱数据;更具体的,第一预设入射角为多个,比如,可以是30°、40°、50°、60°和70°,或者也可以是7°、30°、45°、60°和65°;优选的,第一预设入射角的设置应当参考薄膜1本身的属性,比如,第一预设入射角应当包括薄膜1在正常使用状态下的常用的入射角等;
最后,根据第一反射光谱数据选择色散模型,比如,可以根据第一反射光谱数据判断薄膜1的折射率是否具有非均匀性,并根据薄膜1的折射率是否具有非均匀性选择使用的色散模型;并根据色散模型组合拟合第一反射光谱数据,进而得到薄膜1的光学常数。
实施本实施例提供的光学常数测量方法,至少能够达到以下有益技术效果:
本实施例提供的光学常数测量方法中,通过探测不同第一预设入射角的S偏振光(偏振方向垂直于入射光线和法线确定的入射面的方向的偏振光)作为第一反射光谱数据,并根据薄膜1的折射率是否具有非均匀性等条件选择相应的色散模型,对第一反射光谱数据进行组合拟合以得到薄膜1的光学常数。这样做的好处在于,能够使得探测光在斜入射条件下具有更高的反射率值,能够放大探测到的第一反射光谱数据的峰谷幅度,从而使得光学常数测量方法具有更高的解析精度;
本实施例提供的光学常数测量方法,对于薄膜1的厚度没有严格要求,能够适用于各种厚度的薄膜1,特别适用于厚度较小的薄膜1,对厚度较小的薄膜1能够获得高精度的测量结果,兼具传统的光度法的简单有效的优点和传统的椭偏法的适用范围广的优点;
此外,对于具有折射率非均匀性的超薄薄膜1材料,通过本实施例提供的光学常数测量方法获得的光学常数的过程中,由于探测光的第一预设入射角以斜入射的方式照射薄膜1,且第一预设入射角的设置参考了薄膜1的使用条件等属性,光线与薄膜1的相对方位关系更接近于薄膜1正常使用时的真实状态,因此本实施例提供的光学常数测量方法获得的光学常数对于偏振光学元件等薄膜1元件更具有参考价值。
应当理解的是,在对第一反射光谱数据进行组合拟合以得到薄膜1的光学常数的过程中,承载薄膜1的基底2的光学常数也是必要的数据,也就是说,上述实施例提供的光学常数测量方法中,对于薄膜1的光学常数的测量是基于承载薄膜1的基底2的光学常数已知的情形;对于基底2的光学常数未知的情形,以下实施例提供了具体的解决方案。
请参阅图2,在本申请的一个实施例中,在步骤S1之后,步骤S3之前,还包括:
步骤S2:将探测光按照第二预设入射角照射用于承载待检测的薄膜1的基底2,探测光照射基底2后,获取探测光的偏振方向与入射面的夹角大于或者等于偏振角的分量作为第二反射光谱数据;
步骤S4具体包括:根据第二反射光谱数据和第一反射光谱数据选择色散模型,并根据色散模型组合拟合第二反射光谱数据和第一反射光谱数据。
在本申请的一个实施例中,在步骤S2和步骤S3中,偏振角被配置为85°。
作为本实施例的一个具体方案,在步骤S2中,获取探测光的偏振方向与入射面垂直的分量作为第二反射光谱数据;在步骤S3中,获取探测光的偏振方向与入射面垂直的分量作为第一反射光谱数据。足够大的偏振角可以确保能够获取到探测光的S偏振光分量,S偏振光在斜入射条件下具有更高的反射率值,能够放大探测到的光谱的峰谷幅度,从而使得光学常数测量方法具有更高的解析精度;也能够使得光学常数测量方法获得的光学常数对于偏振光学元件等薄膜1元件更具有参考价值。
请参阅图3,本实施例具体方案提供的光学常数测量方法具体包括:
步骤S1:获得包括S偏振态的探测光;
步骤S2:将探测光按照第二预设入射角照射用于承载待检测的薄膜1的基底2,探测光照射基底2后,获取探测光的偏振方向与入射面垂直的分量作为第二反射光谱数据;
步骤S3:将探测光按照第一预设入射角照射设置于基底2上的待检测的薄膜1,探测光照射薄膜1后,获取探测光的偏振方向与入射面垂直的分量作为第一反射光谱数据;
步骤S4具体包括:根据第二反射光谱数据和第一反射光谱数据选择色散模型,并根据色散模型组合拟合第二反射光谱数据和第一反射光谱数据。
更为具体的,可以在探测光的光路上设置起偏器,比如,可以将起偏器设置于光线经过样品台5的反射光路上,且起偏器采用偏振棱镜;也可以采用能够发出偏振光的光源3产生探测光,比如,可以采用带有布儒斯特窗的光学谐振腔的激光发生器作为用于产生探测光的光源3。
在本申请的一个实施例中,在步骤S2中,第二预设入射角被配置为90°;在步骤S3中,第一预设入射角被配置为多个角度。第二预设入射角被配置为90°时,通过直接测量获得的第二反射光谱数据,即可进一步通过第二反射光谱数据获得基底2的折射率和消光系数等光学常数;第一预设入射角被配置为多个角度,选取合适的色散模型,并将多个角度下测得的第一反射光谱数据进行组合拟合,即可获得薄膜1的折射率和消光系数等光学常数。
在本申请的一个实施例中,在步骤S4中,根据第二反射光谱数据和第一反射光谱数据选择色散模型具体包括:
根据第二反射光谱数据和第一反射光谱数据获得薄膜1的光学常数测量值,根据光学常数测量值判断薄膜1的折射率是否具有非均匀性;
若结果为是,则采用第二色散模型;若结果为否,则采用第一色散模型。
对于薄膜1的折射率具有非均匀性的情形,通过选用合适的色散模型作为第二色散模型,亦可获得薄膜1的光学常数,具体而言,该情形下薄膜1的折射率与薄膜1的厚度以及光线的入射角度、波长等因素有关;对于薄膜1的折射率不具有非均匀性的情形,通过选用合适的色散模型作为第一色散模型,即可获得薄膜1的光学常数。
在本申请的一个实施例中,步骤S4中,根据色散模型组合拟合第二反射光谱数据和第一反射光谱数据具体包括:
根据误差评价函数和最小误差评价函数组合拟合第二反射光谱数据和第一反射光谱数据。通过合理设计误差评价函数,根据误差评价函数进一步获得最小误差函数,进而根据最小误差评价函数解析使得最小误差评价函数的值最小的解析光学常数,该解析光学常数即为薄膜1的光学常数。
在本申请的一个实施例中,误差评价函数为:
误差评价函数中,θ表示第一预设入射角的角度,Rj,cal表示薄膜1的光学常数理论值,Rj,exp表示光学常数测量值,Nw表示采用不同波长的探测光获得第一反射光谱数据的次数,△Rj表示第一反射光谱数据的不确定性;
最小误差评价函数为:
最小误差评价函数中,Nθ表示采用不同第一预设入射角的探测光获得第一反射光谱数据的次数,EF0表示入射角为0°时的误差评价函数,EF8表示入射角为8°时的误差评价函数,EFi表示探测光的入射角为第一预设入射角时的误差评价函数;
根据误差评价函数和最小误差评价函数解析使得最小误差评价函数的值最小的解析光学常数,以解析光学常数作为薄膜1的光学常数。
作为本实施例的一个具体方案,△Rj可以取值为1。
实验结果表明,通过采用上述误差评价函数和最小误差评价函数,在采用各个波段的探测光进行探测时,针对具有不同的折射率、光吸收率和厚度的薄膜1,均能获得对理论值的拟合程度高的实验测量结果。这不仅仅是因为本实施例提供的光学常数测量方法对于探测光的偏振状态的选择性,更多的,是得益于上述误差评价函数和最小误差评价函数的设置。
在本实施例的一个具体应用中,请参阅表1,采用本实施例提供的光学常数测量方法对高折射率材料GdF3单层膜进行了变角度(第一预设入射角被配置为7°、30°、45°和60°)偏振光谱测试光学常数解析,得到的结果如下所示,可以看到,采用本实施例的光学常数测量方法提供的斜入射偏振光谱的解析结果,与实际数据得到很好的吻合。其中,本实施例提供的光学常数测量方法得到的薄膜1厚度的偏差小于1.1nm,薄膜1折射率测量结果偏差小于0.01。
表1偏振光谱组合法解析GdF3光学常数结果
Pol,R(AOI) |
d(nm) |
n@193nm |
k@193nm |
S,Rs(7°) |
31.77 |
1.71 |
0.001 |
S,Rs(30°) |
31.31 |
1.71 |
0.001 |
S,Rs(45°) |
31.23 |
1.72 |
0.001 |
S,Rs(60°) |
30.65 |
1.72 |
0.001 |
此外应当说明的是,对于第一预设入射角被配置为某一个单一的入射角时,薄膜1的光学常数也可以采用均方根公式作为其误差评价函数。
请参阅图4,本申请的另一目的在于提供一种能够通过如上所述的光学常数测量方法测量薄膜1的光学常数的光学常数测量设备,光学常数测量设备包括能够输出具有单向性的光线的光源3、设置于光源3输出的光线的光路上且用于承载带有薄膜1的基底2的样品台5,以及设置于光线经过样品台5的反射光路上的光学接收探测器4;
光学常数测量设备还包括设置于光线的光路上的起偏器;或者,光源3采用能够输出具有单向性的线偏振光的偏振光源3;
光学接收探测器4接收的光线的偏振方向垂直于光线照射薄膜1时的入射面。
如上所述的光学测量方法能够通过本实施例提供的光学测量设备实现。具体的,本实施例提供的光学常数测量设备中,光学接收探测器4通过探测不同第一预设入射角的S偏振光作为第一反射光谱数据,进一步的,可以根据被探测的薄膜1的折射率是否具有非均匀性等条件选择相应的色散模型,对第一反射光谱数据进行组合拟合以得到薄膜1的光学常数。
实施本实施例提供的光学常数测量设备,至少能够达到以下有益技术效果:
光源3发出的探测光在斜入射条件下具有更高的反射率值,能够放大探测到的设置于样品台5上且由基底2承载的薄膜1的第一反射光谱数据的峰谷幅度,从而使得光学常数测量设备具有更高的解析精度;
本实施例提供的光学常数测量设备,对于薄膜1的厚度没有严格要求,能够适用于各种厚度的薄膜1,特别适用于厚度较小的薄膜1,兼具传统的光度法的简单有效的优点和传统的椭偏法的适用范围广的优点;
此外,对于具有折射率非均匀性的超薄薄膜1材料,通过本实施例提供的光学常数测量设备获得的光学常数的过程中,由于光源3发出的探测光的第一预设入射角以斜入射的方式照射薄膜1,且第一预设入射角的设置可以参考薄膜1的使用条件等属性,光线与薄膜1的相对方位关系更接近于薄膜1正常使用时的真实状态,因此本实施例提供的光学常数测量设备获得的光学常数对于偏振光学元件等薄膜1元件更具有参考价值。
在本申请的一个实施例中,光学常数测量设备还包括起偏器时,起偏器设置于光线经过样品台5的反射光路上,且起偏器采用偏振棱镜;光源3采用偏振光源3时,光源3具有带有布儒斯特窗的光学谐振腔。通过设置偏振棱镜,或者采用具有带有布儒斯特窗的光学谐振腔的光源3,可以确保光学探测器探测到的光线的偏振性,放大探测到的光谱的峰谷幅度,使得光学常数测量设备具有更高的解析精度;兼具传统的光度法的简单有效的优点和传统的椭偏法的适用范围广的优点;且探测结果对于偏振光学元件等薄膜1元件更具有参考价值。
作为本实施例的一个具体方案,光学探测器可以采用光谱仪,以实现对各个波段的探测光的反射光的探测。
以上所述仅为本申请的可选实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。