[发明专利]二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法。

背景技术

SiO₂薄膜材料是光学薄膜领域内重要的低折射率材料之一，具有较低的吸收、无定形结构、高热稳定性和耐腐蚀等特性，被广泛应用于各类光学多层薄膜的设计，如减反膜、高反膜、分光膜和滤光膜等。SiO₂薄膜的制备方法有热蒸发、离子辅助、离子束溅射、磁控溅射、溶胶-凝胶、PECVD、原子层沉积和热氧化等方式。折射率与消光系数是表征薄膜材料的最重要的参数之一，是多层膜设计和应用的关键参数。SiO₂薄膜的光学常数是光学多层膜设计的关键基础数据，由于不同制备工艺的SiO₂薄膜具有不同的光学常数，因此光学常数的测量是SiO₂薄膜特性表征的重要工作之一。

目前，可用于光学常数测量的方法较多，主要有反射光谱/透射光谱极值法、反射光谱/透射光谱的反演计算法、反射椭圆偏振反演计算法，色散傅里叶变换光谱法、衰减全反射法、光声法、光热法、布里渊散射法等。

各种方法对于折射率的表征已经毫无疑问，已经能够满足人们对折射率测试的需求。SiO₂薄膜的消光系数也与制备工艺和后处理方式相关，人们对SiO₂薄膜的制备已经取得了大量的成就，尤其是在消光系数控制方面，在薄膜制备过程中除了控制薄膜生长过程的杂质和缺陷以外，化学计量比的控制尤为重要。从目前发表的大量文献来看，SiO₂薄膜的化学计量比已经达到了1:2的水平，其消光系数可以达到5×10^-6，但是仍不能达到理想熔融石英的消光系数水平。这不能说明目前SiO₂薄膜化学计量比的表征手段问题，只能说明化学计量比缺陷的比例较低。2013年，Sarcina等人研究了质子辐照窄带滤光片(TiO₂/SiO₂)的研究，发生了波长漂移和透过率下降的现象，他们认为SiO₂薄膜在辐照下发生了变化，损伤层为SiO₂和SiO的混合物质，并通过对熔融石英的辐照和仿真实验验证了这一点。因此，我们可以假设SiO₂薄膜的消光系数是由于SiO₂中含有微量的SiO所引起的，宏观上表现为SiO₂薄膜的折射率和弱的消光系数。因此，如何计算二氧化硅光学薄膜消光系数，成为了亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何计算SiO₂光学薄膜消光系数，以解决极低消光系数的薄膜特性表征问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二氧化硅光学薄膜消光系数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、选择单晶硅作为SiO₂薄膜制备的基底，所述基底的表面粗糙度优于0.3nm，基底和SiO₂薄膜共同构成基底-薄膜系统；

步骤2、设定测量波长范围为λmin到λmax，测量波长的间隔为Δλ，测量基底-薄膜系统的光谱，从而得到反射椭偏参数Ψ(λ)和Δ(λ)，λmin的取值为测量仪器的最短波长，λmax的取值在SiO₂薄膜的透明区域内任意位置，设入射角度为θ；

步骤3、将所述SiO₂薄膜等效为纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的混合物，基于Tauc-Lorentz介电常数模型，分别确定纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数；

步骤4、设纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数分别为ε_x和ε_y，其中亚氧化物薄膜的体积含量为f，基于Maxwell-Garnett关系得到SiO₂薄膜的介电常数与纯SiO₂薄膜和亚氧化物薄膜的介电常数满足的关系；

步骤5、基于步骤4得到的关系，根据薄膜光学原理，使用非线性优化算法从步骤2测试得到的基底-薄膜系统光谱中，反解出SiO₂薄膜的介电常数ε、折射率n_f和消光系数k_f，以及f。

优选地，步骤2中，利用椭圆偏振仪测量基底-薄膜系统的光谱。