[发明专利]含氢类金刚石薄膜的全光谱段光学常数表征方法

说明书

本发明涉及一种含氢类金刚石薄膜的全光谱段光学常数表征方法，属于光学薄膜技术领域。本发明从短波吸收区开始计算然后加入振动吸收区特性，有效避免了使用单一介电常数模型无法精确外推光谱区常数的问题。该方法可以直接应用于含氢DLC或者含杂质吸收的DLC薄膜光学常数的测试与表征。

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种含氢类金刚石薄膜的全光谱段光学常数表征方法。

背景技术

类金刚石碳膜(DLC)是具有高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀性和良好的光学透过性的一种硬质薄膜材料，在机械刀具模具、微电子系统、光电探测、光学成像技术等领域内得到广泛应用。在光学技术领域中，类金刚石薄膜作为光学元件表面的保护膜，一方面具有显著增透效果，另一方面提高了表面的耐磨强度。尤其是在红外成像制导导引设备中，类金刚石薄膜作为窗口的增透保护膜是目前最佳的选择。

DLC薄膜的制备方法主要分为物理气相沉积和化学气相沉积两大类，诸如化学气相沉积、双离子束溅射、离子束增强沉积、离子镀、激光脉冲沉积、射频溅射、直流辉光放电等。无论基于物理气相沉积还是化学气相沉积，如果在成膜过程中使用氢气或者碳氢化合物(如CH4,C2H:等)作为反应气体，所形成的DLC薄膜或含有一定的H元素，一般被称为含氢DLC薄膜。由于氢的存在，DLC薄膜在3.4μm附近存在碳氢键伸缩振动吸收峰，该峰值一般用于评价含氢量的大小，并且该峰的存在影响到DLC薄膜的光学常数(折射率与消光系数)。

薄膜光学常数是薄膜设计中的关键参数，决定了光学多层膜设计与实际性能。薄膜光学常数测量不同于块体材料，目前主要有光度测量法、光谱测量法、椭圆偏振测量法、外差干涉测量法和移相干涉法等，但是基于全光谱或椭偏光谱的反演计算方法具有快捷方便等优点，是目前发展的主要趋势。

DLC薄膜的光学常数计算与介电常数模型直接相关，目前常用的DLC薄膜介电常数模型有Sellmeier-Cauchy模型、Lorentz振子模型、Rayleigh三参数模型和Forouhi-Bloome五参数模型等。由于含氢的DLC薄膜的两个重要特点，一是薄膜的无定形结构，其在短波吸收区没有特征吸收峰；另一方面，在红外吸收区内存在的C-H吸收峰；目前没有报道关于DLC薄膜全光谱介电常数模型。

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：如何设计一种从短波到长波全谱段的含氢DLC薄膜光学常数表征方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种含氢类金刚石薄膜的全光谱段光学常数表征方法，包括以下步骤：

步骤1、获取双面抛光的熔融石英和单面抛光的石英，以及双面抛光的硅或者锗，作为基底材料，三种基底的表面粗糙度均优于1nm；

步骤2、在三种基底上分别制备单层类金刚石DLC薄膜，控制薄膜厚度为200nm至1μm之间；

步骤3、测量双面抛光石英的光谱透过率曲线和单面抛光石英的光谱反射率，波长范围覆盖190nm-2600nm；

步骤4、测量双面抛光的硅或锗的光谱透过率，波长范围覆盖2600nm-25000nm；

步骤5、使用Cody-Lorentz模型作为短波介电常数模型表达介电常数；

步骤6、根据薄膜光学原理中介电常数分别与光谱透过率和反射率的关系，基于全光谱反演计算的方法获得短波介电常数模型表达的介电常数的系数，以及薄膜物理厚度d；

步骤7、固定Cody-Lorentz模型的系数和薄膜物理厚度，计算出在硅或锗基底上制备的薄膜的光谱透过率，与步骤3中实际测试的光谱透过率曲线对比，找到吸收峰的数量m和每个吸收峰的位置ω_j；