CN112361973A - 一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法 - Google Patents

一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，先依据椭偏光谱数据及吸收光谱数据判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜，再依据光谱数据分别选择不同计算方式以获光学常数和薄膜厚度，一方面不仅能获折射率和薄膜厚度，而且还能获消光系数，另一方面，单晶金刚石薄膜采用Cauchy模型计算以获光学常数和薄膜厚度，多晶金刚石薄膜则选择波段并依据振子模型和评价函数MSE计算以获光学常数和薄膜厚度，因此可检测单晶及多晶金刚石薄膜，能获光学常数折射率、消光系数和厚度，检测精度高、测量时间短。

Description

一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法。
背景技术
现有的光学薄膜超宽带光学常数测试方法，如CN06706521A,其包括：S1：首先将预设厚度的光学薄膜沉积在硅基底上；S2：测量所沉积光学薄膜紫外到近红外波段椭圆偏振光谱、红外波段的透射光谱；S3：根据光学薄膜的光谱数据，选择一段薄膜的透明区，采用Cauchy模型计算得到该波段范围的薄膜折射率n和厚度d1；S4：建立光学常数从紫外到红外宽光谱范围的光学常数模型，在吸收光谱区添加介电常数振子模型，振子的中心频率为吸收的位置，振子的幅度和宽度根据光谱数据进行调整；S5：将紫外到近红外波段椭圆偏振光谱和红外波段的透射光谱作为复合目标，对薄膜光学常数从紫外到红外全光谱范围内进行反演运算，其中厚度的初始值设定为d1，预设评价函数MSE，MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，对MSE进行拟合，使MSE越小越好；S6：根据MSE拟合结果，得到介电常数模型的各个参数，进而得到紫外到红外超宽带光谱范围内薄膜的光学常数，包括折射率n、消光系数k和薄膜物理厚度d。上述测试方法一方面，只能未区分单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜，所获参数不精确，另一方面无法获得消光系数。
发明内容
本发明提供了一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，其克服了背景技术中光学薄膜超宽带光学常数测试方法所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，包括：
S1，将金刚石薄膜沉积在衬底上；
S2，测量金刚石薄膜的椭偏光谱数据及吸收光谱数据；
S3，根据测量所获的椭偏光谱数据及吸收光谱数据，判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜，如为单晶金刚石薄膜则执行S41，如为多晶金刚石薄膜则执行S42；
S41，采用Cauchy模型计算以获全波段的薄膜光学常数和薄膜厚度d，该薄膜光学常数至少包括光学常数n、k，n为折射率，k为消光系数；
S42，从多晶金刚石薄膜中选择一段薄膜的透明区，采用Cauchy模型计算得到该波段范围的薄膜光学常数和薄膜厚度；
S5，在多晶金刚石薄膜的吸收光谱数据添加介电常数振子模型，根据椭偏光谱数据以至少调整振子的幅度和薄膜宽度；
S6，利用评价函数MSE评判实验值和拟合值之间的差距以确定金刚石薄膜的薄膜光学常数n、k和薄膜厚度d。
一实施例之中：该S3中，依据吸收差异判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜。
一实施例之中：该S42中，Cauchy模型计算公式为：
Figure BDA0002785534760000021
Figure BDA0002785534760000022
An、Bn和Cn为Cauchy模型参数，λ为波长，消光系数k由Ak、Bk和Eb三个参数描述，Eb＝1240/λb，Eb与衬底材料相关。
一实施例之中：该S5中，该介电常数振子模型为Lorentz振子，该Lorentz振子计算公式为：
Figure BDA0002785534760000031
式中，A为模型参数的幅度，En为模型参数的中心位置，Br为模型参数的半波宽度。
一实施例之中：该S6中，该评价函数MSE计算公式为：
Figure BDA0002785534760000032
式中mod为拟合值，exp为测量值，δ为测量误差，N为椭偏仪同时测量的ψ、Δ的总对数，M为所选取拟合参数的对数。
一实施例之中：该S1中的衬底为Si、Al2O3或金刚石衬底。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
先依据椭偏光谱数据及吸收光谱数据判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜，再依据光谱数据分别选择不同计算方式以获光学常数和薄膜厚度，一方面不仅能获折射率和薄膜厚度，而且还能获消光系数，另一方面，单晶金刚石薄膜采用Cauchy模型计算以获光学常数和薄膜厚度，多晶金刚石薄膜则选择波段并依据振子模型和评价函数MSE计算以获光学常数和薄膜厚度，因此可检测单晶及多晶金刚石薄膜，能获光学常数折射率、消光系数和厚度，检测精度高、测量时间短。
Cauchy模型计算公式为
Figure BDA0002785534760000033
Lorentz振子计算公式为
Figure BDA0002785534760000034
价函数MSE计算公式为
Figure BDA0002785534760000035
检测精度高。
具体实施方式
一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，包括：
S1，将金刚石薄膜沉积在衬底上，该衬底如为Si、Al2O3或金刚石衬底，但并不以此为限，根据需要也可选择其它衬底；
S2，测量金刚石薄膜的椭偏光谱数据及吸收光谱数据，如通过椭偏仪测量测量获得；
S3，根据测量所获的椭偏光谱数据及吸收光谱数据，判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜，如为单晶金刚石薄膜则执行S41，如为多晶金刚石薄膜则执行S42；如依据吸收差异判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜，具体如依据吸收系数k变化，无吸收k为0则为单晶金刚石薄膜，有吸收k为曲线则为多晶金刚石薄膜；
S41，采用Cauchy模型计算以获全波段的薄膜光学常数和薄膜厚度d，该薄膜光学常数至少包括光学常数n、k，n为折射率，k为消光系数；
S42，从多晶金刚石薄膜中选择一段薄膜的透明区，采用Cauchy模型(柯西模型)计算得到该波段范围的薄膜光学常数和薄膜厚度；
Cauchy模型计算公式为：
Figure BDA0002785534760000041
Figure BDA0002785534760000042
An、Bn和Cn为Cauchy模型参数，λ为波长，消光系数k由Ak、Bk和Eb三个参数描述，Eb＝1240/λb，Eb与衬底材料相关；
S5，在多晶金刚石薄膜的吸收光谱数据添加介电常数振子模型，根据椭偏光谱数据以至少调整振子的幅度和薄膜宽度；
该介电常数振子模型为Lorentz振子，该Lorentz振子计算公式为：
Figure BDA0002785534760000051
式中，A为模型参数的幅度，En为模型参数的中心位置，Br为模型参数的半波宽度；
S6，利用评价函数MSE评判实验值和拟合值之间的差距以确定金刚石薄膜的薄膜光学常数n、k和薄膜厚度d，MSE越小则拟合效果越好；
该评价函数MSE计算公式为：
Figure BDA0002785534760000052
式中mod为拟合值，exp为测量值，δ为测量误差，N为椭偏仪同时测量的ψ、Δ的总对数，M为所选取拟合参数的对数。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，其特征在于：包括：
S1，将金刚石薄膜沉积在衬底上；
S2，测量金刚石薄膜的椭偏光谱数据及吸收光谱数据；
S3，根据测量所获的椭偏光谱数据及吸收光谱数据，判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜，如为单晶金刚石薄膜则执行S41，如为多晶金刚石薄膜则执行S42；
S41，采用Cauchy模型计算以获全波段的薄膜光学常数和薄膜厚度d，该薄膜光学常数至少包括光学常数n、k，n为折射率，k为消光系数；
S42，从多晶金刚石薄膜中选择一段薄膜的透明区，采用Cauchy模型计算得到该波段范围的薄膜光学常数和薄膜厚度；
S5，在多晶金刚石薄膜的吸收光谱数据添加介电常数振子模型，根据椭偏光谱数据以至少调整振子的幅度和薄膜宽度；
S6，利用评价函数MSE评判实验值和拟合值之间的差距以确定金刚石薄膜的薄膜光学常数n、k和薄膜厚度d。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，其特征在于：该S3中，依据吸收差异判断金刚石薄膜是单晶金刚石薄膜或多晶金刚石薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，其特征在于：该S42中，Cauchy模型计算公式为：
Figure FDA0002785534750000011
Figure FDA0002785534750000012
An、Bn和Cn为Cauchy模型参数，λ为波长，消光系数k由Ak、Bk和Eb三个参数描述，Eb＝1240/λb，Eb与衬底材料相关。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，其特征在于：该S5中，该介电常数振子模型为Lorentz振子，该Lorentz振子计算公式为：
Figure FDA0002785534750000021
式中，A为模型参数的幅度，En为模型参数的中心位置，Br为模型参数的半波宽度。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，其特征在于：该S6中，该评价函数MSE计算公式为：
Figure FDA0002785534750000022
式中mod为拟合值，exp为测量值，δ为测量误差，N为椭偏仪同时测量的ψ、Δ的总对数，M为所选取拟合参数的对数。
6.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法，其特征在于：该S1中的衬底为Si、Al2O3或金刚石衬底。
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