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1、 SE Spectroscopic Ellipsometry 一 定义 椭圆偏振光谱测量是研究薄膜或块体材料 光学性能的重要手段 具有测量精度高 对 样品无破坏性 可原位测量以及对被测对象 及环境要求低等优点 可同时测量薄膜的厚 度 折射率和消光系数 二 原理 椭偏技术是一种测定入射光被样品 反射 或透射 后偏振状态变化的光 学方法 它通过测量被测对象 样 品 反射出光线的偏振状态的变化 情况来研究被测物质的性质 光波的偏振状态由两个参数描述 振幅和相位 在椭偏仪法中 采用 和 这两个参数描述光 波发射时的偏振态的变化 它们的取值范围为 0 2 0 2 只要测到样品的 和 根据待测薄膜样品的数
2、学模型 通过反演可求 得待测样品的光学参数 如薄膜厚度等 和 Rr Rs 的关系定义为总反射系数的比 值 如式 1 所示 Rp Rs tan ei 1 式中 tan 表示反射前后光波P S两分量的振 幅衰减比 p s表示光波P S两分量因 反射引起的相应变化之差 三 实验 结合XRD和原子力显微镜等方法 利用椭圆 偏振光谱仪测试了单层Hf02薄膜 K9基片 的 椭偏参数 利用离子束辅助电子束蒸发制备 Hf02薄膜 用宽光谱椭偏仪对薄膜样品进行 测试 选用Cauchy r i 色散模型拟合薄膜 光学参数 得到了它们随波长的变化规律 1 XRD分析 样品经X射线衍射仪检测后 对照HfO2的标 准X
3、RD数据知 HfO2薄膜 K9玻璃基片 为单 斜相结构 结果如图1所示 图1 2 AFM分析 HfO2薄膜的表面形貌如图2所示 图2 由图可见 HfO2薄膜由许多微小的颗粒组成 结构同样比较疏松 反映了电子束蒸发薄膜柱 状结构的本质特点 颗粒薄膜排列紧密 且大 小均匀 3 SE分析 为建立精确的椭偏模型结构 首先需要精确 测量基片的光学性能 样品采用K9玻璃基 片 为透明样品 所以测量时采用微光斑和 光学补偿器选项 椭偏仪提供两种方法对块 体样品的光学常数 n k 进行模拟 一种是 块体分析 另一种是数值模拟 建立结构 选择对应模型 利用winEli II软件计算得到 结果 块体模拟是针对理想
4、基片 不考虑表面氧化物 粗 糙度和入射角偏差 从椭偏的直接测量值 振幅 和 相位 和人射角 1得到的 如式 2 所示 n jk1 n0 sin 0 1 1 2 1 2 tan2 0 1 2 2 其中 n jk1为基片的光学参数 n0为媒质的光学常 数 通常为1 0为人射角 tan exp i 数值 模拟针对K9玻璃基片 选择Sellmeier色散模型 通 过WinEli一 软件拟合 找到适合该波段的参数值 A B C D E F 利用Sellmeier色散公式计算出对 应波长的光学常数 Sellmeier色散模型表达式如式 3 4 r A B 2 2 C 3 I D E 3 F 5 4 且 r
5、 n2 k2 i 2nk 基片拟合结果如图3所示 块体模拟和数值模 拟结果对比如图4所示 实线是测量的原始数 据 虚线是拟合曲线 由图3可知 测量结果 和拟合结果的吻合度达到95 以上 认为拟合 结果真实准确 由图4可见 相同的原始数据 数值模拟的结果比块体模拟的结果要高一些 因为数值模拟考虑入射角偏差带来的影响 相 对块体模拟而言 准确度更高 图3 图4 WinEli II软件模拟中的结构模型均按照相同原则建 立 即基片采用自行建立的K9基片NK模型 第一层 薄膜层则采用数据库中的相应材料的色散模型 大 致厚度从镀膜过程中的参数计算得出 第二层采用 数据库中空气层 层数由下至上 HfO2薄膜
6、拟合结果如图5 实线是测量的原始数据 虚线是拟合曲线 由图5可知 测量结果和拟合结果 的吻合度达到95 以上 认为拟合结果真实准确 得到HfO2薄膜的厚度为0 6102 m 图5 Hf02物理膜采用Cauchy r i 色散模型 表 达式如式 5 6 r A B 2 C 4 5 i D E 3 F 5 6 且 r n2 k2 i 2nk 薄膜的折射率拟合测量结果如图6所示 图6 四 结论 我们采用反射式宽光谱椭偏仪测量电子束蒸 发制备HfO2薄膜的椭偏光谱 利用Sellmeier 和Cauchy r i 色散模型对椭偏光谱进行拟 合分析 结果表明 在300 800nm波段范 围内Sellmeier和Cauchy r i 色散模型均能 较好地描述HfO2薄膜的光学性能 同时证实 了薄膜的光学常数大小与薄膜表面结构有关
