测量薄膜厚度及其折射率的方法PPT.ppt

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1、薄膜厚度及其折射率的测量 方法 黄丽琳 2010级物理学 1 班 1 一 引言 v 近年来 非线线性光学聚合物薄膜及器件的研究已成为为非线线 性光学材料领领域的研究热热点 非线线性光学聚合物薄膜具有多种 优优点 如快速响应应 大的电电光系数 高的激光损伤阈值损伤阈值 小 的介电电常数 简单简单 的结结构 低损损耗和微电电子处处理的兼容性等 因此正逐渐渐成为为制造电电光调调解器和电电光开关的重要材料 1 v 薄膜技术是当前材料科技的研究热点 特别是纳米级薄膜 技术的迅速发展 精确测量薄膜厚度及其折射率等光学参数受到 人们的高度重视 由于薄膜和基底材料的性质和形态不同 如 何选择符合测量要求的测量

2、方法和仪器 是一个值得认真考虑 的问题 每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求 测量范 围 精确度 特点及局限性 在此主要介绍测量薄膜厚度和折 射率常用的几种方法 并分析它们的特点及存在问题 指出选 择测量方法和仪器应注意的问题 2 Date2 二 几种测量薄膜厚度及其折射率的方法 l 一 椭圆偏振法 椭偏法 l 椭圆偏振法是利用一束入射光照射样品表面 通过检测和分 析入射光和反射光偏振状态 从而获得薄膜厚度及其折射率的非 接触测量方法 根据椭偏方程 l 若ns na 和 已知 只要测得样品的 和 就可求得薄 膜厚度d和折射率nf 测量样品 和 的方法主要有消光法和光度 法 光路的形式有反射式

3、和透射式 入射面在垂直面和水平面内 两种结构 图1 a 是反射式消光法的一种典型结构 图1 b 是反射 式光度法的一种典型结构 2020 3 193 l 椭偏法具有很高的测量灵敏度和精度 和 的重复性精度 已分别达到 0 01 和 0 02 厚度和折射率的重复性精度可分别 达到0 1nm和10 4 且入射角可在30 90 内连续调节 以适应不 同样品 测量时间达到ms量级 已用于薄膜生长过程的厚度和折 射率监控 但是 由于影响测量准确度因素很多 如入射角 系 统的调整状态 光学元件质量 环境噪声 样品表面状态 实际 待测薄膜与数学模型的差异等都会影响测量的准确度 特别是当 薄膜折射率与基底折射

4、率相接近 如玻璃基底表面SiO2薄膜 薄 膜厚度较小和薄膜厚度及折射率范围位于 nf d 函数斜 率较大区域时 用椭偏仪同时测得薄膜的厚度和折射率与实际情 况有较大的偏差 因此 即使对于同一种样品 不同厚度和折射 率范围 不同的入射角和波长都存在不同的测量精确度 l 椭圆偏振法存在一个膜厚周期d0 如70 入射角 SiO2 膜 则 d0 284nm 在一个膜厚周期内 椭偏法测量膜厚有确值 若待 测膜厚超过一个周期 膜厚有多个不确定值 虽然可采用多入射 角或多波长法确定周期数 但实现起来比较困难 实际上可采用 其它方法 如干涉法 光度法或台阶仪等配合完成周期数的确定 Date4 二 棱镜耦合法

5、准波导法 棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜 将入 射光导入被测薄膜 检测和分析不同入射角的反射光 确定波导 膜耦合角 从而求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法 波 导模式特征方程为 l 在 2 和 3 式中 k为波数 m为膜数 Nm为m阶导模的有效 折射率 Np分别为耦合角 棱镜角和棱镜折射率 若测得 两个以上模式的耦合角 便可求出d 和nf 棱镜 薄膜 衬底就组成 一个单侧漏波导 亦称为准波导 准波导法名称 由此而来 Date5 l 棱镜耦合测量仪的光路如图2所示 棱镜耦合法的测量 精度与转盘的转角分辨率 所用棱镜折射率 薄膜的厚度和 折射率范围及基底的性质等因素有关 折射率

6、和厚度测量精 度分别可达到 10 3和 0 5 5 nm 实际精度还会高些 l 棱镜耦合法存在测量薄膜厚度的下限 测量光需在膜层 内形成两个或两个以上波导模 膜厚一般应大于300 480nm 如硅基底 若膜折射率已知 需形成一个波导模 膜厚应大于100 200nm 测量范围依赖于待测薄膜和基底 的性质 与所选用的棱镜折射率有关 但测量的薄膜厚度没 有周期性 是真实厚度 膜厚测量范围在0 3 15 um 折射 率测量范围小于2 6 某些情况可达2 8 l 待测薄膜表面应平整和干净 测量时间约20秒以上 不 适合于实时测量 棱镜耦合法不但可以测量块状样品和单层 膜样品 而且可以测量双层膜和双折射膜

7、的厚度和折射率 在有机材料 聚合物和光学波导器件等领域中有广泛应用 Date6 三 干涉法 l 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 膜厚度和折射率的 根据光干涉条纹方程 l对于不透明膜 l对于透明膜 l 在 4 和 5 式中 q为条纹错位条纹数 c为条纹错位量 e为 条纹间隔 因此 若测得q c e就可求出薄膜厚度d 或折射率nf Date7 l 干涉法主要分双光束干涉和多光束干涉 后者又有多光束 等厚干涉和等色序干涉 双光束干涉仪主 要由迈克尔逊干涉和 显微系统组成 其干涉条纹按正弦规律变化 测量精度不高 仅为 10 20 典型产品有上海光学仪器厂的6JA型干涉显 微镜 其

8、光路如图3所示 l 为了提高条纹错位量的判读精度 多光束干涉仪采用了一 个F P干涉器装置与显微系统结合 形成多光束等厚干涉条纹 其测量精度达到 100 1000 分为反射式和透射式两 种结构 如图4 a 和4 b 所示 等色序干涉仪也有类似两种结 构形式 l 干涉法不但可以测量透明薄膜 弱吸收薄膜和非透明薄膜 而且适用于双折射薄膜 一般来说 不能同时确定薄膜的厚 度和折射率 只能用其它方法测得其中一个量 用干涉法求另 一个量 有人对干涉法进行改进 3 使其能同时测定厚度和折 射率 但不容易实现 另外 确定干涉条纹的错位条纹数q比 较困难 对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低 会带来 测量误

9、差 而且薄膜要有台阶 测量过程调节复杂 容易磨损 薄膜表面等 这些都对测量带来不便 Date8 四 V 棱镜法 l V 棱镜法是近年来测量薄膜折射率的又一种简便易行的方法 它需要辅以准波导法才能测量并计算出薄膜的折射率 其基本实 验装置如图所示 l V 棱镜中所装为复合材料的溶液 由于其折射率nso不同于V 棱镜的折射率np 折射光将以角度 偏离入射光方向 可由角度 计测量得到 给定波长下的nso值可由Snell s law 确定 l 采用同样的方法可测得溶剂的折射率n so 于是聚合物薄膜的 折射率可由下式求得 Date9 l 其中 1 2 分别称为溶剂和溶液的体积分数 不依赖 于波长 并有

10、 1 2 1 需要首先确定 Fs Fs F是lorentz lorenz局域场函数 分别由下式确定 l 首先采用波导耦合法测定薄膜在某一给定波长下的折射率n 再将其代入公式 便可求得 1与 2的值 一旦 1 2已知 变换波源 利用公式就可以测量并计算出其他波长下薄膜的 折射率了 Date10 五 透射谱线法 l 透射谱线法是利用样品的透过率曲线谱测定薄膜光学常数的 一种方法 图为光通过薄膜材料的示意图 当薄膜的折射率大于 衬底折射率时 平行光经过折射率为n的薄膜之后发生干涉 在光 强极值处有 l 其中m为整数时为光强极大 半整数时为光强极小 薄膜透 过率曲线如图所示 干涉条纹的极大值和极小值的

11、透过率TM和Tm 分别为 l 其中 Date11 l 式中 d为薄膜厚度 ns为衬底的折射率 为薄膜的吸收系 数 在弱吸收区域 将上式中两方程取倒数分别相减可得 l 因此 可解得 其中 l 当衬底玻璃的折射率ns为已知时 由此便可求得薄膜的折射率 n了 假如波长 1 2处的折射率是相邻的两个最高峰 并且在这 两个波长处的折射率n 1 和n 2 已经求得 代入方程 可同时求 得薄膜的厚度 l 我们在进行数据处理时 把TM和Tm视为波长 的连续函数 也就是透过率曲线上极大值和极小值的包络线 根据这两条曲线 就可以得到和透过光谱波峰和波谷对应的波长处的最大透过率TM 和最小透过率Tm 再根据式子便可

12、求得n和d了 对所有的d值求 平均便可得到薄膜样品的厚度 Date12 三 比较几种方法的优缺点 方法 优优点 缺点 椭圆椭圆 偏振法 椭椭偏法 测量精度高 对样品无破坏性 特别 适合于较薄膜层光学参数的测量 该方法仅适合于各向同性介质的测量 另外 利用该方法对实验 数据进行处理时计算冗长 对样品的表面平整度也有较高要求 棱镜镜耦合法 准波导导法 只要求角度测量 而角度测量方便且精 度高 此法要求样品的折射率必须大于衬底的折射率 这使得一些折射率低的样品不能采用该方法 测量 干涉法 不但可以测量透明薄膜 弱吸收薄膜和 非透明薄膜 而且适用于双折射薄膜 不能同时获得薄膜的厚度和折射率 另外 确

13、定干涉条纹的错位条纹数q比较困难 对低反 射率的薄膜所形成的干涉条对比度低 会带来 测量误差 而且薄膜要有台阶 测量过程调节 复杂 容易磨损薄膜表面等 这些都对测量带 来不便 V 棱镜镜法 并非直接对薄膜进行测量 而是辅以 准波导法对复合材料溶液进行测量 该方法原理简单 操作易行 数据处 理也不复杂 测量精度不是很高 无法同时获得薄膜的厚度 透射谱线谱线 法 仅仅利用了样品的透过率曲线谱 实 验过程比较简单 计算过程可以通过 计算机编程来实现 也比较简单 快 速和准确 对样品的质量要求比较高 薄膜必须均匀且表 面平行 Date13 总结 n 上述介绍的五种测量薄膜厚度和折射率的光学方法都 存在

14、一定的测量精度 测量范围和局限性 且有一定的互 补性 此外 还有分光光度法 光电极值法和比色法等光 学方法以及表面台阶仪法 称重法 石英振荡法和x光散 射法等非 光学方法都可以测量不同种类和范围的透明或 非透明薄膜的厚度或折射率 因此 应根据待测薄膜的类 型 性质 膜厚及折射率变化范围和所测量参数的精度要 求及测量时间 合理选择测量方法和仪器 n 为了确保所测参数的准确度 最好采用两种或两种以 上方法对同一样品进行辅助测量或相互验证 并根据条件 和财力 选择适用的测试方法和仪器 4 以期达到我们所 要求的满意结果 Date 14 参考文献 n 1 孙香冰 任诠 杨洪亮等 测量薄膜折射率的几种方法 n 2 4 黄佐华 何振江 测量薄膜厚度及其折射率的光学方 法 2003 01 08 n 3 沈朝晖 王晶 马廷钧 用迈克尔逊干涉仪测量单层膜的 厚度和折射率 大学物理实验 1994 7 1 1 3 Date 15 谢谢 DateDate1616