CN208999296U - 一种薄膜光学常数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种薄膜光学常数的测量装置。为了解决现有技术无法测量梯度或者渐变折射率的问题，本实用新型提供的装置包括真空系统、椭偏参数检测系统、膜厚监控系统和离子源，所述真空系统包括真空室和样品台；所述膜厚监控系统包括石英晶振膜厚仪；所述样品台安装在真空室顶部，离子源安装在真空室底部，离子源的离子束输出口正对样品台设置；所述椭偏参数检测系统由光源、起偏器、波片、检偏器和探测器组成且位于真空室的外部。本装置可以获得薄膜样品沿厚度方向的光学常数分布，实现梯度折射率薄膜光学常数的测量。

Description

一种薄膜光学常数测量装置

技术领域

本实用新型涉及薄膜光学常数的测量技术领域，特别涉及一种薄膜光学常数的测量装置。

背景技术

常用的光学薄膜如减反射薄膜，高反射薄膜，滤光膜，偏振膜等一般都是用两种（或多种）折射率不同的镀膜材料，交替镀制得到的多层膜结构。这些薄膜中，虽然相邻两层膜的折射率不同，但对于同一层膜而言，其内部的折射率却近似均匀一致，不随厚度发生变化，是折射率稳定的均匀膜。由于多层膜的层与层之间存在着界面，而界面处最容易富集缺陷与杂质，界面处的吸收系数往往比体吸收大几个数量级，并且存在很大的应力，这常常导致薄膜在强激光下很容易发生损伤，因此界面的存在是多层膜系在激光系统中损伤阈值不高的重要原因。

另一方面，众多的研究表明，薄膜内部的电场强度分布也是影响其激光损伤能力的重要因素：如果膜层与膜层界面处的电场强度较大，则很难提高整个膜系的激光损伤阈值。因此设计上需要不断进行优化，寻求合理的膜系结构，使驻波电场强度的峰值远离界面区域，可在一定程度上提高薄膜的抗激光损伤能力，但由于分层介质膜系本身的局限性，很难使电场强度的所有峰值都远离膜层界面，因此能获得的效果非常有限。

由于单层膜的功能非常有限，通常使用的光学薄膜一般都是多层膜，但多层膜层间界面的存在限制了薄膜激光损伤阈值的提高。如果能够制备一种折射率连续变化的薄膜，使得膜层与膜层之间的界面不存在，则可以避免上述问题。梯度折射率薄膜，或者渐变折射率薄膜，沿着薄膜厚度方向折射率和消光系数是连续变化的，不存在界面，有可能解决这一问题。因此有关梯度折射率薄膜的制备及应用研究早已引起了国内外研究者的广泛关注。但多年来，研究进展一直非常缓慢，主要障碍在于梯度折射率薄膜光学常数（折射率、消光系数）无法检测。对于均匀单层膜而言，光学常数的检测已经不存在什么问题，采用椭偏仪就可以获得精确的测量结果。但对于梯度膜，尚缺乏有效的折射率检测手段和方法，这导致薄膜工艺研究难以取得突破。目前对于梯度折射率薄膜的检测，主要采用两种方式：一是先预估折射率的梯度分布，再采用光学薄膜膜系设计软件，计算该薄膜的光学透射率或反射率，再与实际测试的结果进行比对，如果偏差较大，则反复调整预估折射率的分布，直到计算值和实测值接近，即认为预估折射率分布就是样品折射率的实际分布。二是从工艺入手，先明确不同工艺条件下制备的均匀单层膜的折射率和消光系数。由于梯度薄膜的制备是靠工艺参数的变化来实现的，因此实际制备梯度膜时，按照预先的设计调整工艺参数，不同工艺参数对应的薄膜光学常数即认为是该部分梯度膜的光学常数。显而易见，这两种方法都不是薄膜样品光学常数的真实反映，因此与实际情况存在很大偏差。

发明内容

本实用新型提供了一种薄膜光学常数的测量装置，以解决现有技术无法测量梯度或者渐变折射率的问题。

为达到本实用新型的目的，本实用新型提供的技术方案是：

一种梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置，包括真空系统、椭偏参数检测系统、膜厚监控系统和离子源，所述真空系统包括真空室和样品台；膜厚监控系统包括石英晶振膜厚仪；所述样品台安装在真空室的顶部，离子源安装在真空室底部，其离子束输出口正对样品台设置；

所述椭偏参数检测系统由光源、起偏器、波片、检偏器和探测器组成且位于真空室的外部，真空室的两侧相对设置有入射光路窗口和出射光路窗口，所述起偏器和波片依次设置于光源的入射光路上，光源发出的光经起偏器和波片后从真空室的窗口进入真空室，入射到样品台下部的待测样品表面，经薄膜表面反射后，从真空室另一侧窗口出射，出射光路上依次设置有检偏器和探测器。

进一步的，所述的光源波长为300-900 nm；所述的测试光入射角度为65°。

进一步的，所述离子源的离子能量在0-3000 eV之间。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、本实用新型不仅仅适用于梯度或渐变折射率薄膜的测量，也适用于普通多层介质膜折射率分布的测量，可用于多层介质膜折射率和消光系数分析，可真实反映薄膜样品光学常数。

2、本实用新型可获得薄膜样品光学常数（折射率及消光系数）沿膜厚方向的分布，为确定各层膜的工艺控制情况提供依据。

3、本实用新型不仅适用于介质薄膜梯度或渐变折射率的测量，也适合于消光系数和厚度的检测，同时适用于普通多层介质膜折射率分布的测量。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构示意图；

图2 是梯度折射率薄膜减薄示意图。

图中，1-光源，2-起偏器，3-波片，4-真空室，5-样品台，6-待测样品，7-离子源，8-石英晶振膜厚仪，9-检偏器，10-探测器，11-计算机。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的说明，但是不应以此限制本实用新型的保护范围。

参见图1所示的一种梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置，包括真空系统、椭偏参数检测系统、膜厚监控系统和离子源7，所述真空系统包括真空室4和样品台5；所述膜厚监控系统包括石英晶振膜厚仪8；所述样品台5安装在真空室4的顶部，离子源7安装在真空室4底部，其离子束输出口正对样品台5设置；

所述椭偏参数检测系统由光源1、起偏器2、波片3、检偏器9和探测器10组成且位于真空室4的外部，真空室4的两侧相对设置有入射光路窗口和出射光路窗口，所述起偏器2和波片3依次设置于光源1的入射光路上，光源1发出的光经起偏器2和波片3后从真空室4的窗口进入真空室4，入射到样品台5下部的待测样品6表面，经薄膜表面反射后，从真空室另一侧窗口出射，出射光路上依次设置有检偏器9和探测器10。

光源波长为300-900 nm；所述的测试光入射角度为65°。

离子源7的离子能量在0-3000 eV之间。

上述真空系统主要用于提供给离子源正常工作的环境，其真空室可以达到1×10^-4 Pa的真空度。

椭偏参数检测系统用于薄膜样品的椭偏参数测量，光源1发出的自然光（波长范围300-900 nm），经起偏器2后变为线偏振光，再经过四分之一波片后，透过真空室一侧设置的窗口，以65°入射到薄膜样品表面，经薄膜表面反射后，再透过真空室另一侧窗口，经检偏器9后，被光电探测器10接收。根据偏振及消光的相关理论，椭偏参数检测系统可测得薄膜的椭偏参数Ψ和Δ，其中，

式中r_p和 r_s分别为p光和s光在薄膜表面的反射系数，和为p光和s光的位相差。

所说石英晶振膜厚仪8用于测量薄膜的几何厚度信息。当待测样品6装夹上样品台5后，其表面的电极与石英晶振膜厚仪连接，待测薄膜面正对着离子源。石英晶振膜厚仪开始工作后，根据石英晶片的震荡频率，用实测的薄膜厚度对其进行标定。

所说离子源7是一台冷阴极离子源7，它构成离子束刻蚀系统，离子源7可发射氩离子束，离子能量0-3000 eV可调。所说的实施例中调节离子源的输出离子能量为800eV，束流密度为2mA/cm²，获得输出离子束，用于样品表面的薄膜进行刻蚀减薄。

计算机控制系统11与各个功能部件相接，进行数据分析处理。通过石英晶振膜厚监控系统获得薄膜的几何厚度。通过探测器10、起偏器2，波片3及检偏器9的配合，可获得薄膜表面的椭偏参数信息。同时，用来控制离子源7的离子能量和输出参数，以及样品台的水平状态等。

参见图2，使用本实用新型提供的薄膜光学常数的测量装置时，顺序包括以下步骤：

（1）薄膜样品初始几何厚度标定：开始测试梯度薄膜光学常数前，首先采用轮廓仪对薄膜的几何厚度进行测量，测得其初始厚度为358nm，可确定每次减薄的厚度步长为10nm。厚度步长可根据样品的具体要求来设定，步长越小，分辨率越高，但测试效率越低。

待测样品6的要求：待测的梯度折射率薄膜在制备时随工件同炉沉积在石英晶片上，石英晶片两个表面预先制备有Au电极，其中一个表面被Au膜完全覆盖，另一个表面周边为Au电极，中心部位为裸露的石英晶片，待测的梯度折射率薄膜沉积在该表面上。本装置待测薄膜必须镀在石英晶片上，该石英晶片目前市场上是标准的，已经预先镀有电极了。为了测量某工艺下镀膜的折射率分布，使用标准的已经镀好电极的石英晶片，然后将薄膜沉积在该石英晶片上即可作为待测样品6。

（2）将待测样品6装夹在真空室内的样品台5上，待测样品6上的镀膜面正对离子源7，将待测样品6上下表面的两个电极与石英晶振膜厚仪8连接；样品台5的调节是通过两个步进电机驱动，对样品台5夹持面的水平度进行轻微调整，使薄膜表面反射的光束完全进入探测器10，样品台具有水冷却，能够保证测试过程中样品的温度恒定。

对真空室进行抽真空，使其达到离子源的工作真空度1×10^-3 Pa。

（3）采用椭偏参数检测系统测量薄膜样品的初始椭偏信息，即椭偏参数Ψ_n和Δ_n，这是初始梯度薄膜的综合椭偏参数。

（4）打开离子源7，用氩离子束对薄膜进行刻蚀，使其厚度减小10 nm。刻蚀过程中，采用石英晶振膜厚仪8监控减薄的膜厚，去除掉的该层记为L_n层，对应的膜厚为d_n（本例中为10 nm）。采用椭偏参数检测系统测量减薄后薄膜样品的椭偏参数Ψ_n-1和Δ_n-1。

（5）再次打开离子源用氩离子束对薄膜进行刻蚀减薄，使其厚度再减小10 nm。刻蚀过程中，采用石英晶振膜厚仪检测减薄的膜厚，减薄掉的该层记为L_n-1层，对应的膜厚为d_n-1（本例中为10 nm）。采用椭偏参数检测系统再次测量减薄后薄膜样品的椭偏信息Ψ_n-2和Δ_n-2。

（6）反复进行第5步，直到薄膜厚度减薄到10nm以下，该层记为L₁层，膜厚为d₁（剩余8 nm）。采用椭偏参数检测系统测量样品的椭偏信息Ψ₁和Δ₁。

（7）数据处理与分析。根据Ψ₁，Δ₁和d₁的数值，计算出L₁层薄膜的折射率n₁和消光系数k₁。

（8）在L₁层光学常数和厚度已知的基础上，依次计算L₂、L₃直到L_n层的折射率和消光系数，从而获得薄膜样品沿厚度方向的光学常数分布，绘制折射率、消光系数随薄膜厚度的变化曲线，实现了梯度折射率薄膜光学常数的测量。

Claims (3)

1.一种梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置，其特征在于：包括真空系统、椭偏参数检测系统、膜厚监控系统和离子源（7），所述真空系统包括真空室（4）和样品台（5）；所述膜厚监控系统包括石英晶振膜厚仪（8）；所述样品台（5）安装在真空室（4）的顶部，离子源（7）安装在真空室（4）底部，其离子束输出口正对样品台（5）设置；

所述椭偏参数检测系统由光源（1）、起偏器（2）、波片（3）、检偏器（9）和探测器（10）组成且位于真空室（4）的外部，真空室（4）的两侧相对设置有入射光路窗口和出射光路窗口，所述起偏器（2）和波片（3）依次设置于光源（1）的入射光路上，光源（1）发出的光经起偏器（2）和波片（3）后从真空室（4）的窗口进入真空室（4），入射到样品台（5）下部的待测样品（6）表面，经薄膜表面反射后，从真空室另一侧窗口出射，出射光路上依次设置有检偏器（9）和探测器（10）。

2.根据权利要求1所述的梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置，其特征在于：所述的光源波长为300-900 nm；测试光入射角度为65°。

3.根据权利要求1或2所述的梯度或渐变折射率薄膜的光学常数测量装置，其特征在于：所述离子源（7）的离子能量在0-3000 eV之间。