测量光学薄膜等效折射率及物理厚度的设备和方法

1.一种测量光学薄膜等效折射率及物理厚度的设备，包括光源(1)、 放置样品(3)的样品架(2)、固定样品架的样品台(4)、光栅(6)、面阵 CCD探测器(7)和计算机(8)，其特征在于：
A.在样品(3)与光栅(6)之间有一根用于将样品反射光耦合入射到光 栅的光纤(5)；
B.所说的样品台(4)是一个双罗盘结构，由一个上罗盘(41)和一个下 罗盘(42)组成两个罗盘之间通过齿轮连接，使得下罗盘转动2θ角时，上罗盘沿 同一方向转动θ角，在下罗盘的圆周上向上立着连杆，使得连杆能绕着上罗盘 的圆周转动，将接收来自样品的光的光纤末端架在连杆上端；
C.来自光源(1)的光束，经样品(3)反射，由光纤(5)耦合到光栅(6) 上，经光栅(6)分光后的各路单色光由面阵CCD(7)采集，经计算机(8)输出。
2.利用权利要求1所述的设备测量光学薄膜材料的等效折射率n及物理厚 度d的方法，其特征在于包括下列步骤：
A.将样品放在样品架上，样品架固定在样品台的上罗盘上，调整罗盘，使 样品调到所需的入射角位置，并将光纤头架在连杆上，移动连杆，使其移到样 品反射光的接收位置，然后固定连杆；此后其他任意角度的测量都只需调整下 罗盘至相应角度，不需要再调整光路。
B.光束入射到样品上，经样品反射，光纤将样品反射光耦合到光纤中形成 柔性光路，光纤的出射光束射入到光栅上，经光栅分光后的各路单色光由面阵 CCD直接采集，由计算机输出，得到反射谱R(θ1，ω)，然后采用上述相同的方法， 在同一个薄膜样品上，以入射角θ2测得反射谱R(θ2，ω)；
C.采用薄膜反射率公式同时拟合这些反射谱R(θ1，ω)、R(θ2，ω)，从反射 谱的拟合结果中可以分别得到相应的两个光程差值Δ1和Δ2，根据薄膜干涉条件， 即可得到等效折射率n和物理厚度d。
3.根据权利要求1一种测量光学薄膜等效折射率及物理厚度的设备，其特 征在于：所说的光源(1)为卤钨灯。

技术领域\n本发明涉及光学薄膜材料参数的测量，特别是指一种用于光学薄膜等效折 射率及物理厚度的测量设备和方法。\n背景技术\n传统的光学薄膜检测手段很多，但大多不能同时获得薄膜的等效折射率和 物理厚度两个参数，如棱镜耦合法、全反射法、最小偏向角法和CCD摄像系 统的方法等只能测等效折射率；如迈克尔逊干涉仪、X射线干涉法等只能测薄 膜厚度。目前可以同时测量薄膜等效折射率和物理厚度的只有椭圆偏振法，椭 圆偏振法是用线偏振光照射到薄膜表面，反射光的平行分量Ep与垂直分量En 一般相互独立，不仅大小不等，而且存在一定的位相差，结果合成的电矢量为 椭圆偏振。椭偏度与两个分量的大小和位相有关，也就是与材料的n(ω)和κ (ω)有关，所以可用于薄膜n(ω)、κ(ω).和厚度d的测量。如果入射角、 入射光波长、空气和衬底的等效折射率都已知，通过测量椭偏参数(ψ，Δ)， 可以求出薄膜的等效折射率n和物理厚度d，但是一般都没有解析解，通常只 能由计算机给出数值解。具体实验装置是：光源为可调谐激光器或氙灯，入射 光束经起偏器后变成线偏振光，偏振方向由起偏器的方位角决定，转动起偏器 可以改变光束的偏振方向，线偏振光再经过λ/4波片，由于波片中的双折射现 象，其中非寻常光与寻常光的位相差δ＝2π(ne-no)d/λ，当(ne-no)d/λ＝λ/4时，寻常 光与非寻常光之间的位相差为90°，而且两者的偏振方向互相垂直，结果合成 为椭圆偏振光。从λ/4波片出来的椭圆偏振光，照射到待测样品上，经反射后 一般为另一椭偏光，转动起偏器，可使反射的椭偏光变成线偏振光，转动检偏 器的方位角，使其达到消光状态。通过测量椭偏参数(ψ，Δ)，就可以测出样 品中参与反射的光学参量，如薄膜的等效折射率和物理厚度。椭圆偏振法是测 量光学薄膜物理厚度和等效折射率的常用方法，精确度高，但由于这种方法的 原理及操作比较复杂，而且必须事先制好曲线和数表，而生产偏振仪的厂家所 提供的曲线和数表有限，往往需要使用者自己计算所需的数表和曲线，非常烦 琐，导致该方法使用起来不够灵活。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种可同时测量薄膜的等效折射率和物理厚度两个参 数的设备和方法，且该设备简单，测量方法简便，是一种无损检测。\n本发明是根据入射光在空气-薄膜-衬底的界面处两次反射，由于两束反射 光之间存在光程差，会发生干涉，其干涉现象会从反射谱上表现出来。当入射 光以不同角度入射到光学薄膜后，其光程差是不同的，从而引起干涉的变化， 如图1所示。因此只要测得两个不同入射角θ1和θ2含有干涉信息的反射谱R(θ1， ω)和R(θ2，ω)，采用薄膜反射率公式同时拟合这两个反射谱，得到相应的 光程差Δ1和Δ2，最后根据折射定律，联立两个方程就可以得出薄膜的等效折射 率n及物理厚度d。\n本发明的具体技术方案如下：\n一种用于测量光学薄膜材料的等效折射率n及物理厚度d的设备，包括光 源1、放置样品3的样品架2、固定样品架的样品台4、光栅6和面阵CCD探 测器7。在样品与光栅之间有一根用于将样品反射光耦合入射到光栅的光纤5。 所说的样品台是一个双罗盘结构，由一个上罗盘41和一个下罗盘42，两个罗 盘之间通过齿轮连接，使得下罗盘转动2θ角时，上罗盘沿同一方向转动θ角。 在下罗盘的圆周上向上立着连杆，使得连杆能绕着上罗盘的圆周转动，将接收 来自样品的光的光纤末端架在连杆上端。来自光源1的光束，经样品3反射， 由光纤5耦合到光栅上，经光栅分光后的各路单色光由面阵CCD探测器7采 集，经计算机8输出。见图2。\n利用所述设备测量光学薄膜材料的等效折射率n及物理厚度d的方法，其 包括下列步骤：\nA.将样品放在样品架上，样品架固定在上罗盘上，调整罗盘，使样品调到 所需的入射角位置，并将光纤头架在连杆上，移动连杆，使其移到样品反射光 的接收位置，然后固定连杆；此后其他任意角度的测量都只需调整下罗盘至相 应角度，不需要再调整光路。\nB.入射光束经样品反射光耦合到光纤中形成柔性光路，光纤的出射光束射 人到光栅上，经光栅分光后的各路单色光由面阵CCD直接采集，由计算机8输 出，得到反射谱R(θ1，ω)，然后调整下罗盘使得入射角为θ2，在同一个薄膜样品 上，以入射角θ2测得反射谱R(θ2，ω)；\nC.采用薄膜反射率公式同时拟合这些反射谱R(θ1，ω)、R(θ2，ω)，从反射谱 的拟合结果中可以分别得到相应的两个光程差值Δ1和Δ2，根据薄膜干涉条件， 即可得到等效折射率n和物理厚度d。\n本发明的优点是：测量设备简单，测量方法简便，消除了大多数光学检测 方法只能获得薄膜的光学厚度(nd)、无法同时得到其等效折射率n及物理厚度 d的缺点。测量设备中的双罗盘结构可以非常方便地改变入射角而不需要重新调 整光路；另外，采用光纤将光学薄膜反射光耦合到光纤中形成柔性光路，可以 随意改变接收光路而不需要移动接收系统；并且经光栅分光后的各路单色光由 面阵CCD直接采集，每条光谱的采集速度为10毫秒，采集速度快。因此，本 设备和方法特别适用于实际在线检测系统，如镀膜设备中的快速光谱采集。也 适用于高信噪比光谱的获取，可通过多次采集叠加减小噪声来实现。\n附图说明\n图1为薄膜的干涉示意图；\n图2为本发明的测量设备示意图；\n图3为五氧化二钽光学薄膜入射角分别为10度和80度时所测得的反射谱。\n具体实施方式\n下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细阐述：\n图2给出了本发明的测量设备图，入射光源为卤钨灯。样品台是一个双罗 盘结构，由一个上罗盘和一个下罗盘，两个罗盘之间通过齿轮连接，使得下罗 盘转动2θ角时，上罗盘沿同一方向转动θ角。在下罗盘的圆周上向上立着连杆， 使得连杆能绕着上罗盘的圆周转动，将接收来自样品的光的光纤末端架在连杆 上端。\n光栅6的波长范围：200nm-1600nm。\n图3是用上述的测量装置对五氧化二钽光学薄膜入射角分别为10度和80 度时所测得的反射谱，根据这反射谱利用薄膜反射率公式：\n$R=|\frac{e^{-4\mathrm{\pi d}{n}_f\omega }(1-n_f)(n_f+n_s)+(1+n_f)(n_f-n_s)}{e^{-4\mathrm{\pi d}{n}_f\omega }(1+n_f)(n_f+n_s)+(1-n_f)(n_f+n_s)}{|}^2---\left(1\right)$\n式中nf和ns分别为薄膜和衬底的复折射率，d为薄膜的厚度，ω为入射光的 频率。\n同时拟合R(θ1，ω)和R(θ2，ω)，拟合中的目标函数取为\n$\sigma =\underset{i}{\Sigma }{(R({\theta }_1,{\omega }_i)-R_t({\theta }_1,{\omega }_i))}^2+{(R({\theta }_2,{\omega }_i)-R_t({\theta }_2,{\omega }_i))}^2---\left(2\right)$\n由于我们只需要从反射谱中获取光程差信息，因此拟合过程中仅对反射谱 的波形进行拟合，忽略反射谱的幅度、初始相移和整体光谱起伏，并采用包络 函数方法消除这些影响。由于所镀制薄膜的致密性一般都不如相应的体块材料 好，从而使薄膜的等效折射率发生变化，因此我们认为不致密的薄膜由该种材 料与空气共同组成，定义其等效折射率为\nn＝kne+(1-k)nair＝k(ne-1)+1                               (3)\n其中ne采用该种材料的数值，k为薄膜的致密因子。\n从两条不同入射角的反射谱的拟合结果中可以分别得到相应的两个光程差 值Δ1和Δ2，根据薄膜干涉条件：\nΔ＝2ndcosα                                              (4)\n利用折射定律nsinα＝sinθ，得到\n$\Delta =2\mathrm{nd}\cos \alpha =2d\sqrt{n^2-{\sin }^2\theta }---\left(5\right)$\n分别将θ1、θ2和Δ1、Δ2代入上式，相除可以得到等效等效折射率n，\n$n=\sqrt{\frac{{\left(\frac{{\Delta }_2}{{\Delta }_1}\right)}^2{\sin }^2{\theta }_1-{\sin }^2{\theta }_2}{{\left(\frac{{\Delta }_2}{{\Delta }_1}\right)}^2-1}}---\left(6\right)$\n把所得等效折射率n代入(5)式，即可得到薄膜的物理厚度d。\n经拟合后得到Δ10、Δ80分别为0.71和0.62，因此薄膜的等效折射率为2，与 Ta2O5体块材料的等效折射率2.16相比小了0.16，等效折射率的差别部分是由于 所镀薄膜的致密性不如体块材料所致，所以误差应该小于7％，同时可算出薄膜 的物理厚度为0.178μm。\n利用上述装置采用多角度测量方法，还可提供本发明的测量误差大小。即 通过测量多个入射角的反射谱来获得薄膜的多个等效折射率n及物理厚度d，如 在同一个薄膜样品上测得m＞2个入射角的光谱，就可以从中获得m-1组独立的 薄膜厚度及等效折射率值，取其平均值为薄膜厚度及等效折射率的测量值，而 他们的离散性则提供了测量的误差大小。\n平均值： $\bar{n}=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Sigma }}{n}_i$\n$\bar{d}=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Sigma }}{d}_i---\left(7\right)$\n误差： ${\sigma }_n=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Sigma }}{(n_i-\bar{n})}^2}{m-2}}$ ${\sigma }_d=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Sigma }}{(d_i-\bar{d})}^2}{m-2}}---\left(8\right)$