[发明专利]一种同时确定光学薄膜表面粗糙度、光学常数和厚度的方法

摘要

本发明公开了一种同时确定光学薄膜表面粗糙度、光学常数和厚度的方法，采用分光光度计测量光学薄膜的光谱数据，依据薄膜实测光谱数据建立一种能够反映薄膜物理实际的精确薄膜结构模型，基于此精确薄膜结构模型，对薄膜实测光谱数据反演，通过多参数拟合同时确定薄膜的表面粗糙度、光学常数和厚度。本发明不仅能准确地获取薄膜光学常数和厚度，而且能精确地确定薄膜表面粗糙度，尤其适用于真空紫外/深紫外薄膜参数确定。

主权项

一种同时确定光学薄膜表面粗糙度、光学常数和厚度的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：步骤(1)、采用分光光度计测量薄膜的光谱数据；步骤(2)、依据薄膜实测光谱数据建立一种能够反映薄膜物理实际的精确薄膜结构模型；所述精确薄膜结构模型为：将薄膜结构分为薄膜体结构和薄膜表面结构，用于反映薄膜物理实际，根据各部分特点分别建立薄膜体结构模型和薄膜表面结构模型；所述薄膜体结构模型为：反映薄膜体结构的特征参数是薄膜光学常数和厚度，光学常数指的是薄膜的折射率和消光系数，根据弱吸收波段薄膜光谱数据与薄膜基底光谱数据的相切或相交或偏离关系，确定薄膜折射率随薄膜厚度的变化情况，在弱吸收波段薄膜光谱数据与薄膜基底光谱数据相切时，表明薄膜折射率不随薄膜厚度变化，此薄膜体结构可采用折射率均匀模型；在弱吸收波段薄膜光谱数据与薄膜基底光谱数据相交或偏离时，表明薄膜折射率随薄膜厚度变化，此薄膜体结构则采用折射率非均匀模型；对折射率均匀/非均匀模型，薄膜体结构光谱性能均可由各模型光学传输矩阵表述；所述折射率均匀模型，其光学传输矩阵A₁为：$\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\δ}}_1& {i\sin \mathrm{\δ}}_1/n_1\\ {\mathrm{in}}_1\sin {\mathrm{\δ}}_1& {\cos \mathrm{\δ}}_1\end{array}\right)---\left(1\right)$其中，n₁是薄膜的折射率,δ₁是薄膜的相位厚度，它和薄膜的折射率n₁、消光系数k₁与厚度d₁间满足：δ₁＝2π(n₁‑ik₁)d₁/λ，λ是入射光波长，i是虚数单位；所述光学常数非均匀模型，其光学传输矩阵A₂为：$\left(\begin{array}{cc}{(n_i/n_o)}^{1/2}\cos {\mathrm{\δ}}_2& i\sin {\mathrm{\δ}}_2/{\left(n_i{n}_o\right)}^{1/2}\\ i{\left(n_i{n}_o\right)}^{1/2}\sin {\mathrm{\δ}}_2& (n_o/n_i)\cos {\mathrm{\δ}}_2\end{array}\right)---\left(2\right)$其中，n_i和n_o分别是薄膜的靠近基底侧和空气侧的折射率。δ₂是薄膜的相位厚度，它和薄膜内外侧折射率(n_i/n_o)、消光系数k₂与厚度d₂间满足：δ₂＝2π[(n_i+n_o)/2‑ik₂]d₂/λ；所述薄膜表面结构模型为：薄膜表面为粗糙结构，反映薄膜粗糙表面的特征参数是薄膜表面粗糙度，粗糙表面影响薄膜光谱性能，即产生表面散射损耗降低薄膜光谱性能，理论上薄膜粗糙表面引起的散射损耗可采用等效表面层模型表述，此等效表面层厚度d_e是薄膜表面粗糙度σ的两倍，等效表面层的折射率n_e与薄膜体结构折射率n₂和入射介质折射率n₃相关，薄膜表面结构光谱性能可由等效表面层光学传输矩阵B获得，等效表面层光学传输矩阵为：$\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\δ}}_3& i\sin {\mathrm{\δ}}_3/n_e\\ {\mathrm{in}}_e\sin {\mathrm{\δ}}_3& \cos {\mathrm{\δ}}_3\end{array}\right)---\left(3\right)$其中，δ₃是等效表面层的相位厚度，它和等效表面层的折射率n_e、消光系数k_e与厚度d_e间满足：δ₃＝2π(n_e‑ik_e)d_e/λ；等效表面层的折射率n_e、消光系数k_e和厚度d_e与薄膜表面粗糙度σ、薄膜折射率n₂和入射介质折射率n₃间的关系，如下：$\left\{\begin{array}{c}{d}_e=2\mathrm{\σ},\\ n_e=\sqrt{({n_2}^2+{n_3}^2)/2},\\ k_e=\mathrm{\π}{(n_2-n_3)}^2(n_2+n_3)d_e/\left({4n}_e\mathrm{\λ}\right).\end{array}\right.$精确薄膜结构模型由薄膜体结构模型和表面结构模型组成，用于计算薄膜光谱性能的传输矩阵C是薄膜表面结构模型传输矩阵B与薄膜体结构模型传输矩阵A相乘之积，即C＝BA；薄膜的光学传输矩阵确定后可以获得薄膜的光谱数据，也即是通过光学传输矩阵C将薄膜的表面粗糙度、光学常数和厚度与薄膜的光谱性能建立关系；步骤(3)、基于精确薄膜结构模型，对薄膜实测光谱数据进行反演，通过多参数拟合同时确定薄膜表面粗糙度、光学常数和厚度。