[发明专利]一种金属及半导体薄膜材料光学常数的标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料应用基础研究领域，具体涉及一种金属及半导体薄膜材料光学常数的标定方法。

背景技术

光学常数（N=n-k*i）是材料的基本性质之一。薄膜材料光学常数的标定是该种材料光学应用的前提。金属及半导体薄膜材料被广泛应用于各个领域，如薄膜太阳能电池、光热选择性薄膜、LED晶片设计等。在这些具体应用中，薄膜结构设计的前提就是精确的标定材料的光学常数。然而，由于金属与半导体为强吸收材料，其光学常数虚部k不等于0，在求解过程中较介质材料多一个未知数，这极大的增加了求解的难度。在实际求解薄膜材料光学常数的过程中，薄膜的精确厚度实际上也是未知的，这就意味着薄膜材料光学常数求解过程实际上面临三个未知的参量：n,k，d。

一般来说求解光学常数的方法有以下三种：

1)、能带计算法

该方法属于计算材料学方法多用于理论体系计算。实际应用中可用于推测单晶材料的光学常数，对于多晶和无定形体系误差较大，一般计算值无实际应用价值。

2)、透射，反射光谱拟合

介质薄膜和弱吸收薄膜最常用的方法。一般使用使用色散模型来描述n，k。常见的模型有Cauchy模型，Lorentz模型，Forouhi-Bloomer模型，Drude模型。缺点是，在很大的光谱范围内获得很好的拟合结果是很困难的。

3)、椭圆偏振法

这是一种高灵敏度的光学常数检测方法，对金属和介质薄膜都适用。但是影响测量准确度的因素很多，如：入射角、系统状态、环境噪声、实际薄膜与数学模型的差异，尤其是样品的表面状态对样品的测试结果影响极大。

除第一种方法是纯理论方法外，后面两种方法均属于实验方法，本质上是不断优化理论计算模型的参数，使得理论计算值逼近测试结果。然而理论计算模型本身的误差和过多的求解参数使得求解过程精度极低。图1为透射光谱法求解Cr金属薄膜900nm处的光学常数时获得的解空间，图中等值线交点处均为可能的解，这实际上无法判断正确的解。

针对该现状，本发明设计试验方法精确标定薄膜的厚度，然后使用图形法直接求解，中间过程无需使用任何色散模型，减少了求解误差。

发明内容

本发明的目的是提供能够一种精确标定金属及半导体薄膜的方法，适用于所有涉及金属及半导体薄膜光学常数的问题。该方法操作简单，求解精度高。

本发明一种金属及半导体薄膜材料光学常数的标定方法由以下几个子步骤组成：薄膜样品制备；厚度确定；光谱特性测试；光学常数数值求解。

1、薄膜样品制备。本方法要求制备的薄膜样品为厚度为15-100nm，沉积于异种材料的基底上。这里的薄膜材料可以是Al、Cu、Au、Ag、Si、NiAl、GaAs等金属或半导体材料；所述的异种材料基底为Si、Fe、Cr、Al2O3、SiO2等与薄膜材料不同的任意材料，其表面的粗糙度小于2nm。

2、薄膜样品厚度精确测定。采用X射线的平行光路，入射角度为0.2°-5°，扫描步长为0.05-0.0001°，获得薄膜样品的小角反射曲线。后根据该曲线，使用修正的布拉格方程sin²θ_m＝(λ/2d)²m²+2δ或其等效的变形式，其中θ_m为测试谱线各反射峰的角度，m为各反射峰的级次，δ为取值范围[-1,1]的修正小量，利用二元线性回归的办法求解薄膜厚度d，λ为用于测试的X射线的波长。

3、光谱特性测试。在要求解的波段范围内，测试0到小于90度的任意角度入射的透过率谱线和0到小于90度的任意角度入射的反射率谱线各一条；

4、光学常数数值求解。本发明采用的透过率与反射率的计算模型如下：

薄膜相位厚度：δ_f＝2π(n_f-k_f*i)d cosθ/λ