薄膜光学参数测试详解.ppt

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1、Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,薄膜光学参数的测量,从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数 其它的薄膜光学常数测试方法 薄膜波导法 光学薄膜厚度的测试,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,一、从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数 透明薄膜的光学常数测试 弱吸收薄膜光学常数的确定,单层、多层

2、光学薄膜的基本测试,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1、透明薄膜的光学常数测试“理想”透明薄膜的假设：1）薄膜具有均匀的折射率；2）不考虑薄膜的色散影响；3）薄膜在各波长处的消光系数为零。R+T=1,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,对于“理想”光学薄膜 在光学厚度为/2的整数倍处

3、，透射率T和反射率R 等于光洁基板的值；在光学厚度为/4的奇数倍处，反射率R正好是极值，如果薄膜折射率nf小于基板折射率ns，反射率R将是 极小值，反之，如果nf ns，则反射率R极大值。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,我们知道，极值反射率为：,上式中n0是空气的折射率。,从上式中解出nf就得到：,从样品光谱透射曲线上求出对应于/4的奇数倍波长处的极值透射率T，然后用1-T=R换算至极值反射率R。考虑基板背表面反射的影响，代入上式，就

4、可以求得薄膜的折射率。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,如果薄膜的厚度较厚，可以从两个相邻的极值波长中进一步求得薄膜的几何厚度：,考虑到在较短的波段中有几个干涉极大、极小值。目前，国际上趋向于选择5至7个/4 膜厚作为用光度法测量光学常数时的薄膜样品标准厚度。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家

5、重点实验室.,考虑玻璃基板背表面的影响：厚度：几个毫米（mm）处理思路：非相干表面前后表面之间的光强是以 强度相加而不是矢量相加 具体方法：空白基板（双面）透射率T0 有膜样品（双面）透射率T,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,此外，还可以利用下列公式从单面透射率极值Tm（即薄膜透射率Tf对应于/4 奇数倍的极值）中直接求解折射率：,考虑薄膜材料的色散对反射率和透射率曲线的影响：当薄膜有色散时，在光学厚度为/4 奇数倍的波长处不再是极值；

6、但是，光学厚度为/2 倍数的波长处仍然是极值，而与没有色散时关系一样。一般薄膜材料的折射率均有些色散，及存在色散关系。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,常用薄膜材料的“色散关系”1）Cauchy方程 折射率和消光系数可以展开为波长的无穷级数，适 用于透明材料如：SiO2,Al2O3,Si3N4,BK7,玻璃等，折射率 的实部与消光系数可表示为：,其中：多项式的系数是6个拟合的参量。,Schl.of Optoelectronic Info

7、rm.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2）Sellmeier方程 适用于透明材料和红外半导体材料，是Cauchy方程 的综合，原始的Sellmeier方程仅仅用于完全透明的材料（k=0），但是有时也能用于吸收区域：,同理，多项式的系数是6个拟合的参量。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,3）Lorentz经典共振模型,其中：0是共振的中心波

8、长，A是振荡强度，g是阻尼因子。第一个方程组中，等式右边代表无限能量（零波长）的介电函数，大多数情况下用拟合参数 来代替更加符合实际情况，代表远小于测量波长的介电函数。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,4）Forouhi-Bloomer色散关系,一般只用于模拟材料的间带光谱区域的色散，也能被用于次能带隙区域以及常规的透明区域，且能处理一些带有弱吸收的薄膜的折射率色散。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探

9、测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,5）Drude模型,该模型主要是针对金属薄膜与金属材料。电介质函数由自由载流子决定，当p为等离子体频率（p=4ne2/m）和为电子散射频率时，Drude介电方程为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,对于不少材料，所有的色散方程在一个相当大的光谱区 域都能得到很好的结果；试验测得的透射率光谱和色散方程计算所得的光谱，

10、需 要进行优化拟合，这是数学公式应用的前提；所有的色散方程都是波长的函数，在大范围内得到良好 的拟合是十分困难的；薄膜光学常数的确定方法，可以应用到具有光学监控设 备的薄膜制备系统中。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2、弱吸收薄膜光学常数的确定 实际透明薄膜在接近短波吸收带时，消光系数会增 大。在多数情况下，可视为弱吸收（k1）薄膜处理。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防

11、重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,k=10-3,10-2,0.1 三种情况对透射率T和反射率R影响 消光系数对透射率的影响要大于对反射率的影响；对于较薄的薄膜，当k小于10-2时，对透射率、反射率的 影响不是十分明显，但大于10-2之后，影响十分显著；吸收的影响在半波长的位置最为明显。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1）Hall 方法,该模型主要是针对弱吸收透明薄膜。从T/

12、2计算薄膜的消光系数，从T/4处计算薄膜的折射率。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,入射介质为空气（折射率为 1），r1,r2位空气与薄膜和薄膜与基板界面的菲涅尔反射系数，1,2为薄膜弱吸收对反射与透射的位相的影响。此处没有考虑基板背面的影响。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2

13、）透射率轮廓法,该方法利用/2处和/4处透射率的值，来计算微弱吸收薄膜的折射率和消光系数，有较强的实用性。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室

14、State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key La

15、b.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,3）从透射率或反射率曲线求多波长数值的反演法,用数值计算的方法，拟合测试获得的薄膜光谱透过率曲线，反演得出薄膜的光学常数。借助 F-B 色散模型，利用改进的单纯形方法拟合薄膜的透过率曲线，从而获得薄膜厚度、折射率和消光系数。可以测量各种薄膜的光学常数，特别适用于较薄的、在可见区具有很大吸收的半导体薄膜。由测量得到的透过率曲线，确定薄膜光学常数和厚

16、度是一个反演工程，由已知薄膜系统的响应来确定系统的参数。初始值迭代传播矩阵最小化透过率差目标函数,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,二、其它的薄膜光学常数测试方法 表面等离子激元法 阿贝法检测薄膜的折射率 椭圆偏振法（单独列出）,薄膜厚度很薄、甚至一个透射率或反射率极点值也没有，或仅仅出现一个极值点。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.o

17、f ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1、表面等离子激元法 用于测量金属薄膜的光学常数或金属薄膜表面的介质薄膜的光学常数，也可以用来研究薄膜表面受各种环境因素影响产生的变化。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,产生表面等离子波的条件：三层结构的介电常数的色散关系满足下列公式：式中：j表示相邻介质的介电常数，m为金属的介电常数，ksp是波失的切线分量，是入射光的频率，Re表示取复数的实部。入射光的色散关系：式中：kx是入射光

18、在x方向上的波失分量，是入射波长，0是入射角。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,当两者的色散关系满足：kx=ksp 产生等离子体共振,例如：对于波长=632.8nm，当棱镜1=3.19、金属Ag厚 度d=50nm、介电常数m=-18+0.5i、3=1。p偏振光入射角为 35.2时，产生表面等离子体共振，反射光能量急降，形成一个极小峰。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实

19、验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2、阿贝法检测薄膜的折射率 又称布儒斯特角法。是基于光波在界面上的布儒斯特效应而建 立的薄膜光学常数测试方法。,Schl.of

20、 Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,基本工作原理：当一束平行光以某一角度入射时，空白基板表面与镀膜表面对p偏振光的反射是相同的。这个特殊的入射角叫做膜层的布儒斯特角（iB）。当p偏振光以iB从n0媒介入射到n1媒介时（折射角为1），空气/膜层界面消失，振幅反射系数为零，即：于是：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国

21、家重点实验室.,因而，只要测试出当p偏振光在薄膜表面的反射率消失时的角度，就可以计算出薄膜的折射率。这种方法只适合于测试薄膜的折射率，而无法获得薄膜的物理厚度。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,3、椭圆偏振法 椭圆偏振法存在一个膜厚周期d0（如70

22、入射角，SiO2膜，则d0=284nm），在一个膜厚周期内，椭偏法测量膜厚有一个确定值。若待测膜厚超过一个周期，膜厚有多个不确定值。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,三、薄膜波导法,在光学薄膜的应用中，光波被反射或透射穿过薄膜器件，同时光束在光谱强度、偏振或位相上被器件所调制；当光波在薄膜波导中传播时，光波是在薄膜内部传播，传播方式的不同，光波与薄膜媒介的作用方式也不一样。因此，可将利用薄膜波导原理来进行薄膜光学常数的测试的方法，称为薄

23、膜波导法。最简单的薄膜波导就是一个三层结构的波导系统。在薄膜中稳定传播的条件是：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,其中：m为该导波的模式数，为大于等于的整数。2fs与2fs为光坡在薄膜/基板界面以及薄膜/空气界面发生全反射时的反射位相，可以表示为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.

24、,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,棱镜偶合法的优点：1）只需要测量角度一个量，具有很高的精度；2）如果薄膜足够厚，在同一偏振光入射下，有两个以上的模式的时候，折射率和厚度就可从两个独立的方程中解出，提高了测量精度；3）是一种非破坏性测量，测量的薄膜

25、厚度没有周期性，是真实厚度。棱镜偶合法的不足：1）薄膜必须足够厚，承载两个或两个以上的传导模式；2）测量某一波长下的折射率，需要单色激光源；3）测量时，薄膜与棱镜接触要良好，不能实现非接触测量；4）测量耦合角度需要一定的技巧；5）对于损耗大的薄膜，测量难度较大。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,四、光学薄膜厚度的测试 这里指直接测试，而非数值反演测试。,1、干涉法测量薄膜厚度：干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜的厚度

26、和折射率。对于不透明薄膜，有 对于透明薄膜，有,式中：q为条纹错位条数，c为条纹错位量，e为条纹间隔。若测得q,c,e，就可以求出薄膜厚度d和折射率n。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2、轮廓法测试薄膜厚度：也就是现代微电子光电子工业使用的“台阶仪”。,