CN114136896B - 一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法 - Google Patents

一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，包括以下步骤：设定单层薄膜；设定所述单层薄膜的目标工艺参数A；设置所述目标工艺参数A的值A1,A2......An；以设定规则对所述目标工艺参数A进行排序；按排序后的所述目标工艺参数A的顺序依次在光学基底上制备具有对应所述目标工艺参数A的值的所述单层薄膜，每层所述单层薄膜的其它工艺参数不变，获得分层光学薄膜；获取所述分层光学薄膜的目标光谱；构建所述分层光学薄膜的物理模型，每层所述单层薄膜具有相同的光学常数模型；以所述目标光谱为目标函数，对所述物理模型的每层所述单层薄膜的光学常数进行拟合；计算获得所述单层薄膜的光学常数；获得所述光学常数和所述目标工艺参数A的相关性。

Description

一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法
技术领域
本申请涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法。
背景技术
光学薄膜技术经过一个多世纪的发展，在光电探测、光电仪器、光学制导等多个领域发挥着越来越重要的作用。
光学薄膜的制备过程是个强非平衡物理化学过程，块体材料转化为薄膜材料，实际的薄膜特性与制备工艺过程参数直接相关。由于基底材料、工作波段、工作环境等条件的不同，制备过程中需要对制备工艺参数进行优化，以达到需求的效果。通常情况下，为得到某个工艺条件下的薄膜特性工艺参数相关性，需要开展独立的实验，并对该工艺参数下的光学特性进行测试和分析。当工艺参数范围较大或需求的工艺条件较多时，独立的镀膜实验工作量将大幅增加，严重限制了薄膜制备工艺优化效率的提高。
目前，当工艺参数较多时，有通过设计正交实验去得到各个工艺参数对所关心的薄膜特性的影响程度分析，从而确定关键的工艺参数的技术途径。正交实验方法大大提高了镀膜实验效率，但在关键工艺参数确定后仍需开展多次的镀膜实验才能确定最佳工艺参数。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，包括以下步骤：
设定单层薄膜；
设定所述单层薄膜的目标工艺参数A；
设置所述目标工艺参数A的值A1,A2......An，其中，A1＜A2＜A3……＜An；
以设定规则对所述目标工艺参数A进行排序；
按排序后的所述目标工艺参数A的顺序依次在光学基底上制备具有对应所述目标工艺参数A的值的所述单层薄膜，每层所述单层薄膜的其它工艺参数不变，获得分层光学薄膜；
获取所述分层光学薄膜的目标光谱；
构建所述分层光学薄膜的物理模型，每层所述单层薄膜具有相同的光学常数模型，所述光学常数模型为折射率模型；
以所述目标光谱为目标函数，对所述物理模型的每层所述单层薄膜的光学常数进行拟合；
计算获得所述单层薄膜的光学常数；
获得所述光学常数和所述目标工艺参数A的相关性。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述工艺参数A的值排序的设定规则如下：
当n为偶数时，按如下方式排列：
当n为奇数时，按如下方法排列：
根据本申请实施例提供的技术方案，所述目标光谱包括透射光谱、反射光谱及椭圆偏振光谱，拟合时选择其中一种或者多种光谱作为拟合目标。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述单层薄膜通过电子束蒸发技术制备。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述折射率模型采用Cauchy模型，所述Cauchy模型见如下公式：
其中，r为折射率，Bn、Cn、Dn为拟合参数，λ为波长，k为消光系数。
根据本申请实施例提供的技术方案，拟合的评价函数见如下公式：
其中，N为测量波长的数目，M为变量个数，Ti exp为i个波长的测量值，Ti mod为i个波长的计算值，为i个波长的测量误差。
综上所述，本申请提出一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，通过对若干目标工艺参数进行排序，按照排序后的目标工艺参数进行镀膜，通过目标光谱反演的方法得到薄膜光学常数与目标工艺参数的相关性，只需通过一次镀膜和一次计算可获得最佳工艺参数，大大提高了实验效率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的YbF3薄膜透射光谱测试曲线；
图3为本申请实施例提供的YbF3薄膜透射光谱测试曲线与拟合曲线；
图4为本申请实施例提供的YbF3薄膜的光学常数；
图5为本申请实施例提供的SiO薄膜透射光谱和反射光谱测试曲线；
图6为本申请实施例提供的SiO薄膜透射光谱测试曲线与拟合曲线；
图7为本申请实施例提供的SiO薄膜反射光谱测试曲线与拟合曲线；
图8为本申请实施例提供的SiO薄膜的光学常数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
诚如背景技术中提到的，针对现有技术中的问题，本申请提出了一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，如图1所示，包括以下步骤：
设定单层薄膜；本实施例中，所述单层薄膜的材料为YbF3。
设定所述单层薄膜的目标工艺参数A；本实施例中，所述目标工艺参数A为所述单层薄膜的沉积速率。
设置所述目标工艺参数A的值A1,A2......An，其中，A1＜A2＜A3……＜An；本实施例中，设置四个所述沉积速率，其值分别为
以设定规则对所述工艺参数A的值进行排序；
优选地，所述设定规则如下：
当n为偶数时，按如下方式排列：
当n为奇数时，按如下方法排列：
由于所述沉积速率设定四个值，即n＝4，为偶数，则其排列顺序为：A2，A4，A1，A3。
按排序后的所述目标工艺参数A的顺序依次在光学基底上制备值依序在基底上制备具有对应所述目标工艺参数A的值的所述单层薄膜，每层所述单层薄膜的其它工艺参数不变，获得分层光学薄膜；本实施例中所述光学基底材料选择石英，所述分层光学薄膜为第一分层光学薄膜，通过电子束蒸发技术在所述石英表面制备第一层具有沉积速率的YbF3单层薄膜，在第一层单层薄膜表面制备第二层具有/>沉积速率的YbF3单层薄膜，在第二层单层膜层表面制备第三层具有/>沉积速率的YbF3单层薄膜，最后在第三层单层膜层表面制备最后一层具有/>沉积速率的YbF3单层薄膜，获得所述第一分层光学薄膜。
进一步地，所述单层薄膜通过电子束蒸发技术制备，常见的，光学材料的镀膜工艺包括：磁控溅射、离子束溅射、化学气相沉积、热蒸发沉积、离子辅助热蒸发等，本实施例选择的电子束蒸发法，此方法具有低污染、覆盖面积大、且成本较低的优势。
获取所述分层光学薄膜的目标光谱；所述目标光谱为透射光谱、反射光谱及椭圆偏振光谱中的一种或者多种，本实施例中选用透射光谱作为所述目标光谱，如图2所示。
构建所述分层光学薄膜的物理模型，每层所述单层薄膜具有相同的光学常数模型，所述光学常数模型为折射率模型；具体地，本实施例中所述第一分层光学薄膜的每层所述单层薄膜具有相同的折射率模型，物理厚度初始值按经验比例估值给出，所述折射率模型采用Cauchy模型，所述Cauchy模型见公式(1)
其中，r为折射率，Bn、Cn、Dn为拟合参数，λ为波长，k为消光系数。
以所述目标光谱为目标函数，对所述物理模型的光学常数进行拟合；对每层所述单层薄膜的折射率模型参数和物理厚度进行拟合，拟合中评价函数如公式(2)所示：
其中，N为测量波长的数目，M为变量个数，Ti exp为i个波长的测量值，Ti mod为i个波长的计算值，为i个波长的测量误差。如图3所示，若拟合后所述物理模型的透射光谱与所述目标光谱相吻合，则拟合结束；若无法吻合，则调整所述物理模型的所述单层薄膜的折射率模型的所述拟合参数，直至拟合后所述模型的透射光谱与所述目标光谱相吻合为止。通过拟合得到每层所述单层薄膜的所述拟合参数和所述物理厚度。
计算获得每层所述单层薄膜的所述光学常数；将拟合获得的所述拟合参数带入所述折射率模型，计算得出每层所述单层薄膜的折射率，进而得到每层所述单层薄膜的光学常数。
获得所述光学常数和所述目标工艺参数A的相关性。由于所述物理模型中的每层所述单层薄膜的所述目标工艺参数A的值不同，故可以得出光学常数与所述目标工艺参数A的相关性，如图4所示。
实施例2
与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于本实施中设定所述单层薄膜为SiO薄膜；
设定目标工艺参数E为镀膜速率；
设置所述镀膜速率的值E1，E2，E3，E4，其中， 由于4为偶数，故排序后镀膜速率为E2，E4，E1，E3。
按排序后的顺序在光学基底上制备单层薄膜，获得第二分层光学薄膜；本实施例选择石英基底，在石英基底上首先制备所述镀膜速率为的SiO薄膜，在制备一层所述镀膜速率为/>的SiO薄膜，在制备一层所述镀膜速率为/>的SiO薄膜，最后制备一层所述镀膜速率为/>的SiO薄膜。
获取所述第二分层光学薄膜的第一目标光谱；本实施例中所述第一目标光谱为透射光谱和反射光谱，如图5所示。
构建所述第二分层光学薄膜的第一物理模型，所述第一物理模型中的每层所述单层薄膜的折射率模型相同，与实施例相同，采用Cauchy模型，如公式(1)所示。
以所述第一目标光谱为目标函数，对所述第一物理模型的所述折射率模型参数和所述物理厚度进行拟合，拟合中评价函数如公式(2)所示，所述透射光谱和所述反射光谱拟合曲线如图6和图7所示；通过拟合得到每层所述单层薄膜的所述拟合参数和所述物理厚度；
计算获得每层SiO薄膜所述光学常数；将拟合获得的所述拟合参数带入所述折射率模型，计算得出每层SiO薄膜的折射率，进而得到每层SiO薄膜的光学常数。
由于所述第一物理模型中的每层SiO薄膜的所述目标工艺参数E的值不同，故可以得出光学常数与所述目标工艺参数E的相关性，如图8所示。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
设定单层薄膜；
设定所述单层薄膜的目标工艺参数A；
设置所述目标工艺参数A的值A1,A2......An，其中，A1＜A2＜A3……＜An；
以设定规则对所述目标工艺参数A进行排序；
按排序后的所述目标工艺参数A的顺序依次在光学基底上制备具有对应所述目标工艺参数A的值的所述单层薄膜，每层所述单层薄膜的其它工艺参数不变，获得分层光学薄膜；
获取所述分层光学薄膜的目标光谱；
构建所述分层光学薄膜的物理模型，每层所述单层薄膜具有相同的光学常数模型，所述光学常数模型为折射率模型；
以所述目标光谱为目标函数，对所述物理模型的每层所述单层薄膜的光学常数进行拟合；
计算获得所述单层薄膜的光学常数；
获得所述光学常数和所述目标工艺参数A的相关性。
2.根据权利要求1所述的光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，其特征在于：所述工艺参数A的值排序的设定规则如下：
当n为偶数时，按如下方式排列：
当n为奇数时，按如下方法排列：
3.根据权利要求1所述的光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，其特征在于：所述目标光谱包括透射光谱、反射光谱及椭圆偏振光谱，拟合时选择其中一种或者多种光谱作为拟合目标。
4.根据权利要求1所述的光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，其特征在于：所述单层薄膜通过电子束蒸发技术制备。
5.根据权利要求1所述的光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，其特征在于：所述折射率模型采用Cauchy模型，所述Cauchy模型见如下公式：
其中，r为折射率，Bn、Cn、Dn为拟合参数，λ为波长，k为消光系数。
6.根据权利要求1所述的光学薄膜光学常数工艺相关性的实验方法，其特征在于：拟合的评价函数见如下公式：
其中，N为测量波长的数目，M为变量个数，Ti exp为i个波长的测量值，Ti mod为i个波长的计算值，为i个波长的测量误差。
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