Nicu膜的制备及光学性质的研究毕业论文.doc

Ni-cu膜的制备及光学性质的研究 摘 要椭偏测量的基本原理是起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的状态变化（包括振幅和相位的变化），便可测定样品表面的许多光学特性。关键词：椭偏法；Ni-Cu膜；真空镀膜ABSTRACTThe measurement of the basic principle is a polarization of light through the orientation of the 1/ 4 after wave of a particular sphere of the polarization of light ,and put it on to the surface of the test samples of reflections line will be polarization. According to the polarization of light at the back of the state changes(including amplitude and phase change), it can determine the samples. Keywords：Partial method；Membrane of Ni-Cu；Vacuum coating目 录1 引言 51.1真空镀膜技术 .51.1.1真空镀膜技术. . 51.1.2常用的真空镀膜技术简介 .51.1.3真空蒸发镀膜技术中真空度对蒸发的影响 .51.1.4真空蒸发镀膜中应注意的几个问题 .71.2薄膜材料 .71.2.1薄膜材料发展 .71.2.2薄膜的应用 .81.3 椭偏法 .81.3.1椭偏法的简单介绍 .81.3.2椭偏法的基本原理 .81.3.3椭偏法的发展与应用 9 2 实验 .92.1实验原理.92.1.1椭偏法基本原理.92.1.2光度法的基本理论.112.2实验装置.132.3薄膜样品制备过程.132.4实验内容.142.5实验结果与分析.143 小结.17参考文献. 18致谢.191 引言1.1真空镀膜技术1.1.1真空镀膜技术早在一个多世纪以前，人们从辉光放电管壁上就观察到了溅射的金属薄膜。根据这一现象，后来逐步发展起真空镀膜的方法。真空镀膜技术，在现代工业和科学方面有着广泛的应用。例如，光学仪器上的各种反射膜，增透膜，滤光片等，都是真空镀膜的产物；电子器件中用的薄膜电阻，特别是平面型晶体管和超大规模集成电路也有赖于薄膜技术来制造；硬质保护膜可使各种经常磨损的器件表面硬化，大大增强耐磨程度；磁性薄膜具有记忆功能，在电子计算机中用作存储记录介质而占有重要地位。因此，真空镀膜技术目前正在向各个重要的科学领域中延伸，引起了人们广泛的注意1。1.1.2常用的真空镀膜技术简介真空镀膜中常用的方法是真空蒸发和离子溅射。真空蒸发镀膜是在一定真空度下，把要蒸发的材料加热到一定温度，使大量分子或原子蒸发和升华，并直接淀积在基片上形成薄膜。离子溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场的作用下高速轰击作为阴极的靶，使靶材中的分子或原子逸出而淀积到被镀工件的表面，形成所需要的薄膜。真空蒸发镀膜最常用的是电阻加热法。其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适合用于难熔金属和耐高温的介质材料。此外还有电子束加热法，它是利用聚焦电子束直接对被轰击材料加热，电子束的动能变成热能，使材料蒸发。阴极溅射技术与真空蒸发技术有所不同。充有稀薄气体的放电管的两极上加有直流电压时，开始只有很小的电流，即只有少数电子和离子形成电流。随着电压升高，电子和离子的能量变大，与气体分子碰撞使之电离，产生更多的离子。正离子在电场中以很高的速度轰击阴极靶，使靶的中性原子溅射出来，穿过工作空间而淀积到基片上2。1.1.3真空蒸发镀膜技术中真空度对蒸发的影响固体物质在常温和常压下，蒸发量极微。蒸发离开固体表面的分子因周围气体压强高又易于回到该物质中去，如果将固体材料放置于真空中，由于周围气体压强很低，将该物质加热至熔化温度，被加热材料的分子易于离开表面向四周散射。热蒸发材料的分子在散射途中如遇障碍物或真空室四壁，就积淀成一层该材料的薄膜。电阻加热蒸发镀膜属于PVD（物理气相淀积）工艺。在这里，薄膜是由飞抵基片的原子或分子在基片上凝聚而成的。在真空蒸镀中，薄膜的形成过程是：飞抵基片的气化分子或原子，初一部分被反射外，其余的被吸附在基片的表面上；被吸附的原子或分子在基片表面上进行扩散运动，一部分在运动中因相互碰撞而结合成聚团；另一部分经过一段时间的滞留后，被再蒸发而离开基片表面。聚团可能会与表面扩散原子分子发生碰撞时捕获原子分子而增大，也可能因单个分子原子脱离而变小。当聚团增大到一定程度时，便会形成稳定的核；核再捕获到飞抵的原子分子或表面扩散原子分子时会生长。在生长过程中核与核合成而形成的网络结构；网络结构被填实即生成连续的膜。蒸发淀积薄膜的厚度和质量与气体压强的大小、基片放置的位置、加热蒸发源温度等多种因素有关。真空室内的残余气体分子越少，固体物质蒸发的分子与气体分子碰撞的概率也就越小，反之越大。当真空度低到一定程度，由于碰撞概率大蒸镀就很难进行。例如以上的真空度时蒸镀ZnS，不会出现由于剩余气体分子的碰撞而使ZnS膜发生明显变化。但是，真空度在0.1pa一下时，蒸镀的ZnS膜便呈灰白色并趋于不透明；真空度降到10pa时，淀积物就便成为白色粉末了。为使蒸发物质的分子顺利到达基片的表面，必须尽可能减少与分子碰撞的机会，及应使真空室内气体分子的平均自由程 式中n为单位体积内的气体分子数，为分子有效直径。对空气分子，其有效直径可取=0.37nm。由理想气体状态方程可得压强的表达式为 式中p为压强，k为玻尔兹曼常量（），T为热力学温度。根据以上两式，气体的平均自由程决定于单位体积内的分子数n，而在T一定是n正比于压强p，即。取温度T为293K，并将其他量代入以上两式，可得式中p的单位用pa，的单位为m。当p=0.1pa时，=0.066m，当时，=1.32m。当平均自由程等于蒸发源到基片的距离时，约有63%的分子会在途中发生碰撞，当平均自由程10倍于蒸发源到基片的距离时，就只有9%左右的分子在途中发生碰撞。可见只有当d时，蒸发物质分子才能沿途无阻挡的、直线达到被镀基片或零件的表面。蒸发时一般要选择比d哒23倍，因为在蒸发过程中，真空室内温度升高后要放出大量气体，会使真空度降低。要得到足够大的，就要求p足够小。1.1.4真空蒸发镀膜中应注意的几个问题为了蒸镀到质量比较好的薄膜，还应该注意一下几个问题：（1）注意基片表面保持良好的清洁度。被镀基片表面的清洁程度直接影响薄膜的牢固性和均匀性。基片表面的任何微粒、尘埃、油污及杂质都会大大降低薄膜的附着力，改变薄膜的特性。基片必须在较大的温度范围内与薄膜有很强的附着力。为了使薄膜有较好的反射光的性能，基片表面应该平整光滑，镀膜前基片必须经过严格的清洗和烘干；基片放入镀膜室后，在蒸镀前有条件时应进行离子轰击，以去除表面上吸附的气体分子和污染物，增加基片表面的活性，提高基片与膜的结合力。（2）蒸镀前采取“预熔”的方法对蒸发物质进行提纯，预熔时用活动挡板挡住蒸发源，使蒸发材料中的杂质不能蒸发到被镀零件的表面。预熔时有大量的吸附在蒸发材料和电极上的气体放出，真空度会降低，故不能马上蒸发，影测量真空度并继续抽气，待真空度恢复后，方可移开挡板，加大蒸发电极加热电流，进行蒸镀。（3）注意使膜层厚度分布均匀。均匀性不好会造成膜的某些特征随表面位置的不同而变化。让蒸发源与工作的距离适当远些，如有条件还可以使工件在蒸镀时慢速转动，同时使工件尽量靠近转动轴线放置。1.2薄膜材料1.2.1薄膜材料发展随着光电技术以及微电子技术的快速发展，薄膜的应用领域越来越广，各种厚度只有几百甚至数十纳米的单层或多层功能薄膜成为当前材料研究的热点。薄膜的厚度d，以及光学常数( 折射率n 和消光系数k)决定了薄膜的透射、反射和吸收等各种光学特性，对于光学薄膜而言，折射率和消光系数的精确测定是进行光学设计的前提条件。对于半导体材料和器件，薄膜的吸收光谱() (吸收系数= 4k /)可用来研究电子能带结构、光学跃迁、声子行为等重要物理性质。尤其是诸如薄膜晶体管、太阳能电池和图像传感器等现代电子器件的性能，很大程度上取决于薄膜的光学性质.。因此，精确确定厚度与光学常数对于研究薄膜的性质具有重要意义。1.2.2薄膜的应用薄膜的应用非常广泛，下面简要介绍几种薄膜的应用。镀铝薄膜，它既有塑料薄膜的特性，又具有金属的特性。镀铝薄膜表面镀铝的作用是遮光、防紫外线照射，既延长了内容物的保质期，又提高了薄膜的亮度，从一定程度上代替了铝箔，也具有价廉、美观及较好的阻隔性能。因此，镀铝薄膜在复合包装中的应用十分广泛，目前主要应用于饼干等干燥、膨化食品包装以及一些医药、化妆品的外包装上。薄膜开关是触点开关的一种。薄膜开关有平面型、多层组合、密封式结构，是集按键开关，面板功能标记，读数显示透明窗，指示灯窗孔及电路为一体的电子整机操纵系统的总成。此外常见的薄膜还有：超薄高消光膜、TPU透明膜、高压聚乙烯微薄薄膜、扭结膜、标签膜、吸管包装膜、离型膜、低静电薄膜、抗紫外线膜、抗菌膜、耐温阻燃膜、磁性膜等。1.3 椭偏法1.3.1椭偏法的简单介绍椭圆偏振( 简称椭偏) 光谱测量是一种非接触、非破坏性的光学分析技术，是研究材料光学性质的重要手段。椭偏光谱测量技术自问世以来已有100多年历史，1887年，Drude 发现光与物质相互作用将导致光的偏振态发生改变，偏振态在相互作用前后所发生的变化与物质的属性、厚度和结构有关。Drude以此提出了椭圆偏振光测量的理论并建立了第1套实验装置，测量了18种金属的光学常数。随后，椭偏测量研究一直陷于停滞，直到Tronstad 将其应用于电化学的研究中，椭偏测量所具有的高精确度与非破坏性的优点才得以重视并广泛地应用在各个研究领域中3。自从1945年Rothen首次提出Ellipsometry (椭偏) ，将此测量技术从传统的偏振测量方法独立出来，至今椭偏测量技术已获得极大的发展，不论是测量理论的研究还是测量仪器的研发均取得大量的有价值成果。1.3.2椭偏法的基本原理椭偏测量的基本原理是起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的状态变化（包括振幅和相位的变化），便可测定样品表面的许多光学特性。应用最广的是反射式椭偏仪，即测量反射光相对于入射光偏振态的变化，其中依据测量方式又可分为消光式椭偏仪与光度式椭偏仪，消光式椭偏仪以寻找输出最小光强的位置为测量手段，光度式椭偏仪则以测定分析光强的输出变化为测量手段。1.3.3椭偏法的发展与应用随着椭偏测量理论的研究与实验技术的发展，现代椭偏仪已获得巨大的技术进步，典型的现代椭偏光谱仪其发展演化主要有如下3 个方向： 测量的光谱范围越来越宽，以满足各种不同材料的测量需求，尤其对于宽禁带的材料，广阔的波长范围才能获得完整的分析数据，同时对于一些特殊材料必须在紫外与红外波段进行测量，因而也出现相应波长范围的专用椭偏仪。 测量的自动化程度越来越高。这主要得益于计算机技术的进步并在椭偏技术中的应用。椭偏仪除被用于研究用途之外，又被大量、广泛地应用于工业生产当中，产量与产能上的需求促使椭偏仪技术向测量自动化、数据分析自动化的方向发展，当今知名的椭偏仪厂商均以自动化与系统集 成作为产品研发的重要方向。 测量的速度越来越快，以面阵CCD 探测器为主流的多通道探测技术以及并行测试模式使椭偏仪的响应时间越来越短，原来只能对样品进行离位测量的椭偏测量技术发展为可以实时监控的在线测量技术，极大地拓展了该技术在工业应用领域的发展空间。椭偏测量技术以其高精度、快速、简易以及对测量对象限制少等特点广泛地应用于科研与工业生产当中，其主要应用的领域包括： 材料的光学性质测量。被测的材料可以是固体或是液体，可以是各向同性也可以是各向异性，椭偏测量优点在于不用通过Kramers-Kronig 关系而直接获得材料的光学常数与介电函数谱。 界面及表面应用。椭偏测量技术可用于不同材料交界面的分析。 微电子与半导体产业。椭偏测量技术常用于半导体加工或微电子研究中薄膜生长的监控与分析，现代新材料的研究开发也常常使用椭偏技术作为研究手段。 生命科学。椭偏测量技术可用于细胞表面膜相互作用、蛋白质等大分子的测量。国内科研教学以及工业生产中也有多种型号的椭偏仪获得应用4。2实验2.1实验原理2.1.1椭偏法基本原理图1 椭偏测量的光路示意图(a)衬底背面为光学平面，(b)衬底背面为粗糙表面光线以一定角度入射到薄膜样品上，考虑光线在空气/薄膜界面和薄膜/衬底界面的多次反射，p偏振光和s 偏振光的复数反射系数(分别用和表示)可由光的干涉原理计算得到。定义反射系数比 = /，也是一个复数，它由空气的折射率，薄膜的厚度和光学常数，以及衬底光学常数，决定，可表示成 (1)式中， 和 为椭偏参数，由椭偏仪实际测量得到的，可表示为 （2） （3）其中，和分别为p 和s 偏振光的位相。方程(2)和(3)一般称为椭偏方程。因空气的折射率和衬底光学常数已知，椭偏方程实际只有三个未知数。传统单波长椭偏仪只能测量某一波长下的椭偏参数，此时有薄膜厚度、折射率和消光系数三个量未知，但仅有 和 的两个方程，显然无法解得光学常数。即使是k = 0 的理想无吸收薄膜，由于椭偏方程是复杂的超越方程，仍旧无法得到解析解，只能借助于计算机拟合的方法求解。光谱型椭偏仪(spectroscopic ellipsometry，SE) 能同时测量多个波长下的椭偏参数，可以得到光学常数随波长的色散关系。假设可同时测量N 个波长，则可得到2N 个椭偏方程，未知参数有N 个波长下的和，以及薄膜厚度，共2N + 1 个，仍然大于方程个数。如果薄膜在一部分波段是透明的，则可先用该波段的数据拟合来确定薄膜厚度，继而推得整个波长范围内的光学常数；否则，若薄膜无透明区域，要想直接得到光学常数会十分困难。拟合时，首先要建立物理模型，然后软件根据建立的模型计算出 和，并与测量值比较。采用均方误差(mean square error，MSE) 来评价模型计算值与实验测量值的符合程度。 椭偏参数的反演拟合实际上就是寻找 最小值的过程，越小，计算值与实验值误差越小，所得结果越可信. 定义为， （4）其中，N 为椭偏仪同时测量的波长数量，即获得的和 总对数;M 为所选取拟合参数的数目;和，和分别为测量和根据模型计算的 和 值; ;和;，为 与 值的测量误差，由仪器精度决定。用不同方法拟合时，参数个数M 可能不同，对有一定的影响，为了统一比较标准，我们定义 （5）评价一种拟合方法的好坏，主要标准是用该方法能否快速收敛得到最小的，所以的绝对大小并不是最重要的，还要考察拟合过程中不同假定厚度时的值相对于最小的大小，因此我们定义“归一化” (normalized )的概念，它等于除以最小值，显然1. 越接近1，该拟合与最佳拟合相差越小6。2.1.2光度法的基本理论 具有具有复折射率，位相厚度的薄膜，镀制在折射率为的衬底上，光从薄膜一侧的空气垂直入射时总反射率R 和透射率T可表示为：（6）（7）其中和分别是从空气侧入射和从衬底侧入射时薄膜的强度反射率，是薄膜的强度透射率( 均不计衬底背反射)。与其对应的振幅反射系数，以及振幅透射系数可由下列公式算得：（8）（9）（10）则强度反射率和透射率为，（11） （12）（13）(6)和(7)式中的Rb和Tb是衬底/空气界面的强度反射率和透射率，计算公式为（14）由此我们看出，R 和T 同样决定于薄膜的厚度与光学常数。2.2实验装置该实验是利用椭偏仪的透射式进行的， 所用椭偏仪是UVISEL椭偏仪。结构如图所示：图2 UVISEL椭偏仪的结构其中光源是150w的氙灯发出的自然光；单色仪的波长范围是190nm至1700nm。扫描间隔最小为0.01nm；精度优于0.050。该装置具有长期高效的准确度和可靠性5。2.3薄膜样品制备过程真空蒸发镀膜过程如下：1）清洗和烘干基片。2）清洗镀膜室。3）开机械泵，对钟罩抽真空，达到一定的真空度后，开扩散泵预热一段时间，借助机械泵和扩散泵，将镀膜室抽到的真空度时，进行预熔。4）预熔完毕移开挡板，加大电流进行蒸发，待蒸发材料完全蒸发后，转动挡板挡住蒸发源，迅速将电流减到零，断开蒸发电路。5）将低真空阀置于适当位置，停机械泵，对钟罩充气，开钟罩取出镀好的零件，清洗镀件，扣下钟罩，开机械泵，对钟罩抽低真空35分钟，维持机械泵对扩散泵抽气约30分钟。最后关机械泵、总电源和冷却水。最终得到Ni-cu膜7。2.4实验内容1）椭偏仪的调节，自然光经反射镜反射会聚成为平行光束，经起偏器得到线偏振光。光通过样品偏振状态将会发生改变，经调制器调制后通过检偏器，然后利用光纤把光束引入单色仪，在单色仪中分光后用探测器探测到光强变化，探测到的信号送入计算机处理，最后得到相位延迟量。整个系统调制由计算机控制。2）对样品的折射率n、复折射率k、反射率R进行测量. 测量时先旋转起偏器确定起偏零位，在后面加一检偏器，调整检偏器消光。然后把待测样品放置在两者之间的温控装置中，调节样品使光束垂直通过，旋转波片样品再次消光。这时，样品的快轴或慢轴就和起偏器的光轴平行或垂直。然后旋转起偏器的光轴为45°，拿掉后面的检偏镜，打开椭偏仪的控制软件，设定参数进行测量。3)由计算机导出不同波长下的样品的折射率n、复折射率k、反射率R数组8。2.5实验结果与分析由实验得出的数据如下：Wavelength n k R7000 1.7484 0.3980 0.0932 6900 1.7298 0.4467 0.0957 6800 1.7514 0.4073 0.0944 6700 1.7635 0.3807 0.0935 6600 1.7756 0.3667 0.0939 6500 1.7862 0.3661 0.0952 6400 1.7702 0.3822 0.0945 6300 1.7769 0.4040 0.0974 6200 1.8046 0.4228 0.1027 6100 1.8217 0.3139 0.0960 6000 1.8014 0.3605 0.0968 5900 1.8614 0.2587 0.0980 5800 1.8600 0.2812 0.0991 5700 1.8694 0.2937 0.1012 5600 1.8804 0.2669 0.1011 5500 1.8715 0.3438 0.1049 5400 1.8440 0.4508 0.1104 5300 1.8353 0.4233 0.1067 5200 1.8479 0.3750 0.1042 5100 1.8577 0.3642 0.1046 5000 1.8600 0.3791 0.1061 4900 1.8620 0.4091 0.1089 4800 1.8697 0.3888 0.1082 待添加的隐藏文字内容24700 1.8719 0.4106 0.1104 4600 1.8781 0.4221 0.1122 4500 1.8546 0.4952 0.1162 4400 1.8484 0.5365 0.1199 4300 1.8014 0.6406 0.1275 4200 1.7848 0.6570 0.1280 4100 1.7646 0.6550 0.1256 4000 1.7717 0.6426 0.1246 3900 1.7809 0.5009 0.1078 3800 1.7524 0.5068 0.1051 3700 1.7267 0.4778 0.0987 3600 1.6721 0.4727 0.0917 3500 1.6095 0.4276 0.0793 根据该组数据绘制图如下：图三样品Ni-cu膜折射率n随入射波波长变化示意图：图四样品Ni-cu膜的复折射率k随入射波波长变化示意图：图五样品Ni-cu膜反射率R随入射光波长变化示意图：由此得出样品Ni-cu膜的光学性质，其折射率n、复折射率k还有反射率R都随着入射光波长的增加而先增后减，基本上存在极值10。3小结随着光电技术以及微电子技术的快速发展，薄膜的应用领域越来越广，各种厚度只有几百甚至数十纳米的单层或多层功能薄膜成为当前材料研究的热点。 薄膜的厚度d，以及光学常数( 折射率n 和消光系数k)决定了薄膜的透射、反射和吸收等各种光学特性。而最常用的测定薄膜光学常数的方法椭偏法具有无损非接触、高灵敏度、高精度的特点，无需特别制备样品，能对数纳米厚的超薄薄膜测量，是目前精确测量薄膜光学常数最主要的方法。参 考 文 献1陈国平.薄膜物理与技术.东南大学出版社，1993：122尚石煊等编.近代物理实验技术（II）.高等教育出版社，19933F.A.Jenkins,H.E.White著.杨光熊，郭永康译.光学基础（上）.高等教育出版社，19904L.Eckertora.Physics of thin films.New York:plenum press,19775黄佐华，何振江，杨冠玲等.多功能椭偏测厚仪.光学技术，2001：86王晓栋等.椭偏光谱法研究溶胶􀀁凝胶TiO 8029 2 薄膜的光学常数.物理学报，2009年11月7周毅等,椭偏与光度法联用精确测定吸收薄膜的光学常数与厚度.物理学报，2010年4月8母国光，战元龄.光学.人民教育出版社，1978：99R.M.A.Azzam and N.M.Bashara.Ellipsometry and Polarized Light.North-Holland Publishing Company,197710吴思成，王祖栓.近代物理实验.高等教育出版社，200511 吴先球，熊予莹等编.近代物理实验教程M.科学出版社，2009.1214