[0023] 2接着进行拟合，首先，建立色散模型，本方法中采用的色散模型为柯西模型，用 介质的折射率η与波长λ的关系来描述色散规律，可以用一个级数表示： η(λ) =a+b/ λ ~2+c/ λ ~4,其中a，b，c均为需要拟合的参数，将两种标准干涉片未镀待测薄膜时的透射 光谱代入柯西色散公式进行拟合，得出光谱拟合图形。
[0024] 3测量标准干涉片的透射或者反射光谱并提取它们的折射率。利用光谱仪分别测 量干涉片的透射光谱或者反射光谱。通过薄膜光谱计算软件拟合薄膜光谱，提取薄膜折射 率和折射率。光谱计算软件可以是CODE、Macle 〇d、FDTD等利用传输矩阵法或者有限元差分 法作为算法的光谱计算软件。
[0025] 4生长待测薄膜。将折射率不同的两种标准干涉片同时作为检测陪片一起生长待 测薄膜，生长工艺可以是磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发、PECVD、溶胶凝胶法 等各种薄膜制备手段。为了验证本方法的准确性和测量精度，同时放入一片已经做好掩膜、 用来定标待测薄膜真实厚度的陪片，通过原子力显微镜（AFM)测量待测薄膜的实际厚度进 行比较。实际使用时并不需要放入含有掩膜、用AFM测量真实厚度的陪片，只需将两种标准 干涉片作为陪片共同镀制待测薄膜。
[0026] 测量含有待测薄膜的样品透射或者反射光谱，通过双光谱拟合法拟合其厚度和折 射率。利用可见波段光谱仪分别测量生长了待测薄膜的干涉片的透射光谱或者反射光谱。 利用薄膜计算软件对两个样品的光谱进行双光谱拟合，得出薄膜的折射率和厚度。
[0027] 本方法实际应用时，由于标准干涉片为统一制备，用户测试只需要操作步骤3和 步骤4即可。
[0028] 采用本发明方法之后具有以下有益效果：
[0029] 1同时测量薄膜厚度和折射率。引入干涉层后，通过拟合的方法可以同时获取薄膜 的厚度和折射率。
[0030] 2测量极限高。厚度超过Inm的薄膜可以运用本方法进行检测，对于传统全谱拟合 法难以精确测量的30nm厚度以下薄膜和与衬底折射率接近的薄膜检测特别有效。
[0031] 3测量精度高。对于超薄薄膜，厚度测量误差〈5%，折射率测量误差〈5%。
[0032] 4对测量系统要求低。该方法由于同时对两种标准干涉片进行拟合，可以极大地减 小测试系统本身的误差，显著降低对测试系统性能的要求，不仅可用于高精度的分光光度 计，也可以用于精度低的光纤光谱仪。
[0033] 5可在线检测。将光纤光谱仪集成到在线系统中，再利用本发明提出的方法，可以 在线实时监测薄膜厚度和折射率变化。
【附图说明】
[0034] 图1所示为双标准干涉片拟合法的基本结构示意图。
[0035] 图2中图（1)为传统模型、图（2)为单干涉片拟合法、图（3)为双干涉片拟合法中 待测薄膜厚度变化引起的光谱变化。
[0036] 图3中图⑴为实施例1标准干涉片五氧化二钽镀了 IOnm的SiO2薄膜前、后的 透射光谱图；图（2)为实施例1标准干涉片二氧化钛镀了 IOnm的SiO2薄膜前、后的透射光 谱图。
[0037] 图4中图（1)为实施例1未镀膜标准干涉片五氧化二钽的光谱拟合图形；图（2) 为实施例1未镀膜标准干涉片二氧化钛的光谱拟合图形；
[0038] 图5中图（1)为实施例1标准干涉片五氧化二钽的折射率拟合结果；图（2)为实 施例1标准干涉片二氧化钛的折射率拟合结果。
[0039] 图6所示为实施例1待测薄膜折射率拟合结果。
[0040] 图7所示为实施例2薄膜的拟合效果。
【具体实施方式】
[0041] 实施例1 :在可见波段，利用双标准干涉片拟合法测量5、10、30nm厚的SiO2薄膜的 厚度和折射率。
[0042] 以SiO^测薄膜为例，SiO^于弱吸收材料，因此衬底可以选择透明的玻璃或宝 石片，在本实施例中选用已经分别在两块K9玻璃上镀制好150nm厚的Ta 2O5薄膜和160nm厚 的TiO2薄膜的基片作为标准干涉片，由于这两种材料的折射率均与玻璃衬底的折射率相差 较大，较厚的厚度可以使标准干涉片在可见波段出现一级干涉，光谱图形有较大起伏（实 测的透射光谱如图3所示）。具体步骤如下：
[0043] 1、将Ta2O5和TiO 2两种标准干涉片一起作为陪片进行待测薄膜镀制。
[0044] 2、测试镀好待测薄膜后Ta2O5和TiO 2两种标准干涉片的透射或反射谱，通过色散 公式拟合拟合光谱即可得到干涉片折射率。图4为标准干涉片光谱拟合结果，图5为两种 干涉片的折射率拟合结果。同时代入色散公式进行拟合，即可获得待测薄膜的折射率曲线 (如图6所示），厚度为10. 5nm。对比AFM的测试结果可以看出，用精密光谱仪测试时，拟合 结果与实际测试结果误差与直接用单干涉片拟合的结果相当，验证了该方法测试5nm、10nm 和30nm等不同厚度Si〇d#测薄膜的结果，如下表所示。
[0045]
[0046] 依照此方法，如果采用测试精度低的光纤光谱仪，只采用其中一种标准干涉片拟 合则误差极大，根本无法测试30nm以下薄膜的厚度，但采用本专利的双标准干涉片拟合 法，则又可以精确拟合出待测薄膜厚度，使精度较低的光纤谱仪拟合结果精度极大提高，说 明采用双标准干涉片拟合法可以很好地消除测试系统本身的影响，大幅降低对测试系统的 要求。拟合厚度和真实厚度结果如下表所示，可以看出两者相差极小，均在10%以内，由此 可以说明本发明方法可以有效降低对光谱仪器性能的要求。
[0047]
[0048] 实施例2 :在可见波段，利用双干涉标准干涉片拟合法测量Inm厚的SiN薄膜。
[0049] 在本实施例中选用已经分别在两块宝石片上镀制好200nm厚的Y203薄膜和160nm 厚的Nb205薄膜的基片作为标准干涉片，由于这两种材料的折射率均与蓝宝石衬底的折射 率相差较大，较厚的厚度可以使标准干涉片在可见波段出现一级干涉。
[0050] 然后将两种标准干涉片同时放入真空镀膜系统当中，同时放入一片已经做好台 阶，用来定标待测薄膜厚度的陪片，镀制厚度大约为Inm的SiN薄膜，如此就在两种标准干 涉片上镀制上了同一个厚度的SiN待测薄膜。分别测量两种标准干涉片镀膜后的透射光 谱，
[0051] 代入色散公式进行拟合，厚度为I. 3nm，拟合曲线如图7所示。与AFM的测试结果 I. 5nm相比可知，拟合结果与实际测试结果误差只有13%。因此，该发明方法测量厚度极限 达到lnm。
【主权项】
1. 一种同时获取薄膜折射率与厚度的双标准干涉片拟合法，其特征在于包含以下步 骤： (1) 制备折射率不同的两种标准干涉片；在可见波段透明衬底上，应用磁控溅射、脉冲 激光沉积、离子束溅射、热蒸发或PECVD薄膜制备手段，制备出两片标准折射率不同的标准 干涉片；标准干涉片的物理厚度d应大于一级干涉厚度，即d 2 其中m为干涉级次， λ为干涉波长，η为干涉膜的折射率； (2) 测量标准干涉片的透射或者反射光谱并提取干涉膜的折射率； (3) 生长待测薄膜；通过磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、热蒸发、PECVD或溶胶 凝胶法薄膜制备手段沉积薄膜，制备时将步骤（1)中制备的折射率不同的两种标准干涉片 作为检测陪片在其上同时制备； (4) 测量含有待测薄膜的两种标准干涉片透射或者反射光谱； (5) 通过双光谱拟合法拟合获得待测薄膜的厚度和折射率，通过CODE、Macleod、FDTD 利用传输矩阵法或者有限元差分法作为算法的光谱计算软件对两种标准干涉片上镀待测 薄膜的透射或反射光谱进行同时拟合，得出薄膜的折射率和厚度。
【专利摘要】本发明公开了一种同时获取薄膜折射率与厚度的双标准干涉片拟合法，它只需将待测薄膜镀制在两种镀有一层已经形成干涉但不同折射率薄膜的标准干涉片上，即可通过同时拟合两种标准干涉片镀膜前后的透(或反)射光谱，同时精确地获取待测薄膜的厚度与折射率，膜厚测量极限高达1nm，相对于传统方法30nm测量极限具有很大提高。另外，该方法由于同时对两种标准干涉片进行拟合，可以极大地减小测试系统的误差，显著降低对测试系统性能的要求和成本。而且，本发明方法适用于镀膜系统的在线检测与监控，可以在工业生产或者科学研究中推广使用。
【IPC分类】G01B11/06, G01N21/45
【公开号】CN105157585
【申请号】CN201510606559
【发明人】王少伟, 刘星星, 冀若楠, 陈飞良, 陆卫, 陈效双
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月22日