[发明专利]一种透明超薄膜折射率及厚度测量方法

说明书

本发明属于薄膜测量表征领域，并具体公开了一种透明超薄膜折射率及厚度测量方法，包括如下步骤：S1以2πd_T/λ为变量对透明超薄膜椭偏比ρ₁进行二阶泰勒展开获得幂级数形式：S2分离出幂级数形式中与透明超薄膜相关的参量T₁和T₂，并获得表达式；S3计算幂级数形式的实部与虚部平方的斜率R，根据斜率R计算的具体值；S4将计算的具体值带入步骤S2的表达式中求解出透明超薄膜的折射率n_T，并根据折射率计算透明超薄膜的厚度。本发明可实现透明超薄膜的折射率和厚度的快速、直接、准确测量，具有适用范围广，测量准确，无复杂分析过程等优点。

技术领域

本发明属于薄膜测量表征领域，更具体地，涉及一种透明超薄膜折射率及厚度测量方法，适用于多种基底上透明超薄膜折射率和厚度的快速精确测量。

背景技术

透明超薄膜指消光系数为零的超薄膜，包括有机薄膜，聚合物薄膜，金属氧化物等，在减反镀膜，生物传感器，太阳能电池等方面都有广泛的应用。透明超薄膜的厚度对其光学性质有很大影响，不同厚度的透明超薄膜其光学常数不同。而透明超薄膜的厚度、光学常数决定了其透射、反射等光学性质，也决定了它们部分物理特性，因此需要对透明超薄膜的厚度及其光学常数进行测量。

目前，超薄膜的测量表征方法主要包括石英晶体微天平、表面等离激元、光度法、椭偏仪等。对于薄层硬质薄膜，石英晶体微天平可以使用Sauerbrey公式，根据传感器振动计算吸附层的质量得到膜层的厚度。但是对于相对基底较软的薄膜或浸没在液体中的薄膜，薄膜分子和其中的液体对质量增加都有影响，石英晶体微天平无法确定薄膜厚度。表面等离激元是由于费米能级附近导带上的自由电子在电磁场的驱动下在金属表面发生集体震荡产生，通过棱镜耦合等方式满足波矢匹配条件，利用菲涅尔公式和等离激元结合可以计算薄膜厚度，但该方法一般用于测量金属膜或要求薄膜基底需要为金属材料。光度法基于分光光度计测量薄膜的透射率和反射率来确定薄膜的厚度，分为包络线法、全光谱拟合法等，其中包络线法是最为常用的一种，但是一般要求薄膜较厚，对于超薄膜并不合适；全谱拟合法需要借助色散模型，选用不同的振子对拟合结果有较大影响。椭偏法测量具有无损非接触、灵敏度精度高等优点，其对厚度的灵敏度可以达到0.01nm，但是椭偏法是一种非直接测量方法，需要通过计算机拟合才能求得薄膜的厚度和光学常数(包括折射率和消光系数)。椭偏仪在测量超薄膜时，由于厚度和光学常数之间具有很强的耦合关系，很难得到唯一的拟合结果。针对这种困难，可以采用多样品法、在线测量，多种周围介质条件测量等方法解决。但是上述方法都存在各自的局限性，多样品分析的前提是假设薄膜的光学常数不随厚度变化，而实际上，对于超薄膜其光学常数随厚度变化会发生改变；在线测量也存在和多样品法一样的缺陷；多种周围介质条件引入了复杂的液体测量环境，薄膜需要不与介质发生反应，且不能是多孔材料。

乌克兰的Andriy Kostruba等(Method for determination of the parametersof transparent ultrathin films deposited on transparent substrates underconditions of low optical contrast,Applied optics,2015,54(20):6208-6216)针对透明基底上的透明薄膜提出了一种测量方法，该方法通过多入射角测量找到特定的入射角，在该角度下，椭偏参数幅值比(Ψ)不会随薄膜厚度的变化而变化，椭偏参数相位差(Δ)与薄膜厚度成线性关系。该方法的缺点在于使用范围局限，只能用于测量与基底折射率很接近的透明超薄膜且基底材料需要完全没有吸收。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种透明超薄膜折射率及厚度测量方法，其通过对椭偏比进行二阶泰勒展开并通过变换和计算实现透明超薄膜的折射率和厚度的快速、直接、准确计算和测量，具有适用范围广，测量准确，无复杂分析过程等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种透明超薄膜折射率及厚度测量方法，其包括如下步骤：