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1、-范文最新推荐- TPY-2椭偏法测量薄膜厚度的实验研究 摘要随着薄膜技术在信息存储、电子元器件、航天技术以及光学仪器等方面越来越广泛的应用，薄膜光学特性和表面形态的准确测量逐渐成为薄膜研究的重要方向。本论文介绍了测量薄膜厚度的几种方法，详细研究了椭偏法的测量原理，使用TPY-2自动椭圆偏振仪进行了实验，并使用干涉原理做了对比实验，综合比较了两种仪器的优缺点，提出了减小系统误差的建议。10277关键词薄膜厚度测量方法椭偏仪毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleExperimental study of the ellipsometric measurement of film thickne
2、ssAbstractWith thin film technology more widely used in information storage, electronic components, aerospace technology, and optical instruments,the accurate measurement of thin film optical properties and surface morphology gradually become an important direction of study of the thin films. This a
3、rticle describes several methods for measuring film thickness，Studied in detail the measurement principle of ellipsometry，Use of TPY-2 automatic ellipsometry experiments，And made a comparative experiment using the interference principle，comprehensive comparison the advantages and disadvantages of th
4、e two instruments, Put forward the proposal to reduce systematic errors.KeywordsFilm thicknessMeasurement methodsEllipsometer目次1 绪论11.1 测量薄膜厚度的意义11.2 测量薄膜厚度的方法11.3 椭偏测量术32. 干涉法测量薄膜厚度的原理63. 椭偏法测量薄膜厚度的原理7 1.2.1光谱法光谱法的基础是光的干涉理论，依据薄膜与基底，再到薄膜界面上的光束的透射或反射，引起双光束或多光束干涉效应，具有不同特性的薄膜具有不同的光谱反射率或透射率，而且在全光谱范围内和薄膜
5、厚度有着唯一的对应关系。因此，便可以通过测量薄膜的光谱特性来计算薄膜的厚度和其他光学常数 。光谱法的优点在于测量精度较高、速度快 ，能同时测定薄膜的多个参数，且有效地排除方程解得多值性，测试简单且精度高，具有非接触性和非苛刻性，并可以测试多种类型的薄膜 。但是光谱法也有一定的局限性。不论是透射光谱还是反射光谱，均由分光计测量得到，而反射率和透射率对薄膜表面条件的依赖性很强，且对入射角的变化很敏感，这样测量反射率和透射率的稳定性就很差，因而不能够达到很高的测量精度 。而且利用光谱法测量时，针对不同类型的待测薄膜需要使用不同波段的光谱对其进行测量，特定的光谱波段范围在实际测量过程中往往是很难保证的
6、。目前，这种测量方法主要用于测量有机薄膜的厚度和监测气体、液体的浓度 。1.2.2干涉法基于经典干涉理论和现代相干理论的光干涉法，是目前最有发展前景的薄膜厚度测量的方法。这种测量方法直观性好，测量精度高、抗空气扰动性强、稳定性高 、测量仪器简单便捷、成本低、方便实用性强。白光扫描干涉法可以测到的最小厚度为50nm，若能再采用相移、傅立叶变换等辅助方法，就可测量10nm厚的薄膜 。这种干涉测量的方法已被广泛用于半导体工业中的刻蚀技术领域 。随着纳米技术和对纳米材料的不断深入研究，如何快速准确地测量纳米级薄膜的厚度成为人们研究的重点。王恩实等人用迈克尔逊干涉仪和计算机技术以及图像处理技术相结合的方
7、法测量了纳米级薄膜厚度，测量分辨率达到6nm 。但是，干涉法测量也有其缺点。这种方法不适合用于黑色的不透明薄膜的测量。但是对于反光率较高的不透明薄膜，光干涉法可以很灵敏的测得其厚度 。 在前人实验和发现的基础上，人们进一步从理论上研究光的偏振性并将光的偏振理论应用于生产实践。椭偏测量所依据的物理学基本原理正是光与物质表面或界面运动电荷相互作用时其偏振态变化的规律，为了研究其状态的变化，人们研制了专门用于测量光的偏振态的仪器即椭圆偏振仪，简称椭偏仪。椭偏测量术分为反射椭偏测量法、透射椭偏测量法和散射椭偏测量法。反射椭偏测量法有两种测量方法:光度法和消光法，因此，反射式椭偏仪可以分成两大类:消光式
8、椭偏仪和光度式椭偏仪。它们各有优缺点，消光式椭偏仪测量速度较慢，但是椭偏参数Ψ和Δ的值具有很高的测量精度，适合有精密测量。光度式椭偏仪受到光学器件的影响较大，测量精度不如消光式椭偏仪，但是测量速度快，可以用于表面和薄膜的快速变化的过程。1.3.2椭偏测量术的发展随着人们对光的偏振性的不断加深，各国的研究者们相继开展椭偏方面的研究。1901年，Drude在出版的书中描述了目前已知的第一部以人眼作探测器的椭偏装置。1945年，A.Rothen设计和描述了第一台椭圆偏振测量仪，并正式命名了“椭偏术”一词。20世纪60年代研制了马达驱动自动消光椭偏仪和利用电
9、光效应的自消光椭偏仪，后来经过改进实现了与计算机相连进行数据处理。1969年，Jasperosn根据椭偏调制原理研制了自动椭偏仪。20世纪70年代，微型计算机的迅速发展给椭偏测量术的发展带来了新的生命力。椭偏术向更高层次发展，表现在(1)测定和研究更复杂的对象；(2)缩短测量时间，对快速过程实行实时测量；(3)从单波长测量向多波长的光谱测量发展。1975年，美国贝尔实验室的Aspnes利用光栅单色仪产生可变波长，测量了不同波长下固体材料的光学特性，由此揭开了椭圆偏振光谱学(SE)测量的序幕。1988年，Ferrieu等提出了一种旋转起偏器的椭偏仪(RPE)，1996年，Tachibana等利用
10、相位调制反射吸收光谱仪，光栅偏振片和红外探测器组装了一台傅立叶变换红外位相调制椭偏光谱仪。而近几年发展起来的椭偏光学显微成像 是一种超薄膜及表面结构的显示技术，该系统采用扩展平行光束代替传统的窄光束，通过透镜成像系统在CCD摄像机上成像，CCD摄像机采集到的模拟信号由视频监视器显示，并进一步经过图像采集卡进行A/D变换成数字图像文件进入计算机。它将传统的光学椭偏术CCD摄像，计算机采样和图像处理技术相结合，不仅可以测量光波的幅值变化，而且对于相位引起的光波的位相变化具有极高的灵敏度，测量的薄膜厚度分辨率达0.1nm，横向分辨率可达µm量级，测量面积可达数 ，且取样速度快。目前，国外
11、的椭偏仪已商品化和小型化，自动化程度高，既可实现快速的在线测量，也有光谱型的椭偏仪。波长范围已包括紫外、可见和红外，时间分辨率已达1msec甚至1usec，并发展了多通道检测技术及实时测量等技术和大量相应的软件，研究了提高空间分辨率、观测表面膜层的空间图象等。典型的产品有美国的瓦拉姆(Woo1lam)公司的M-44/M-88型属于多波长回转检偏器(RPE)型椭偏仪和变角度光谱椭偏仪(VASE)系列两类；法国若屏-伊洪(Jobin-Yvon)公司的UVISEL超快光谱椭偏仪；法国的索泼拉(SOPRA)公司的ES4G光谱椭偏仪；美国Rudolph Research公司的463 Ellipsomet
12、er和SE，Gaertner Seientifie Corporation公司的Stocks椭偏仪，其中Woollam、法国Jobin-Yvon和Sopra公司都推出了VASEFTIR型光谱椭偏仪，配置有一台FTIR(Fourier Transform Infra-Red)光谱仪，使椭偏测量光谱范围扩展到2-12 ；德国SENTECH公司的SE400型和SE500型椭偏仪和SE85O型光谱仪；德国的NFT公司最近推出的新一代EP3椭圆偏振成相系统；英国的Aquila公司NKD系列NKD7O00/8000系列薄膜分析系统；以及韩国Nano View公司的SEMF 1000和SEMDG 1000椭
13、偏仪 。 TPY-2椭偏法测量薄膜厚度的实验研究(3): 国内的椭偏测量术最早始于20世纪70年代，在著名物理学家黄昆院士的建议下，由中山大学莫党教授等开展研究。70年代中期，由莫党教授等设计制造出我国第一台椭偏仪TP-75型 ；1982年莫党教授等又研制成TPP-1型椭偏光谱仪 ；1989年实现了椭偏光谱仪的自动化 ；1992年进一步提高了自动化程度及测量精度，并采用了快速变换入射角系统 ；西安交通大学于1987年研制出了单波长固定入射角的光度式自动椭偏仪 ；1993，1998年上海复旦大学的陈良尧教授负责研制出了一种全自动椭偏光谱仪 ；华南师范大学和重庆大学于1996年初开始对消光式自动椭
14、偏仪进行研究，并于1997年4月完成系统的安装和调试，在此基础上华南师范大学研制成功HST-1型消光式椭偏仪；2000年中科院力学研究所勒刚研究员负责研制出我国第一台椭偏光显微成像仪 ，该仪器可以进行纳米级测量和对生物分子动态变化及其相互作用实时观测。国内多家大学和科技单位相继开展了椭偏光谱仪器的研制和生产，目前己形成批量生产的有杭州光学仪器厂的WJZ型手动椭偏仪，华南师范大学生产的HST-1型智能椭偏仪和复旦大学物理系生产的自动椭偏光谱仪。其中复旦大学的自动椭偏光谱仪的不少性能还优于美国Rudolph Research的商品椭偏光谱仪；另外2005年天津港东科技推出了SGC-2型自动椭圆偏振测厚仪。总的来说，我国在SE方面的研究虽然起步较晚，但发展迅速。目前，部分领域己走在世界前列。1.3.3椭偏测量术的应用椭偏光谱测量法的蓬勃发展迎来了第一届国际椭偏光谱会议，1993年，第一届国际SE会议在法国巴黎召开。到1997年在美国南卡罗来纳州举办了第二届国际SE会议时，SE的发展已经是多种多样了，出现了超快SE 、反射差别SE 等，应用也扩展到各种实时测量椭偏光谱。目前，椭偏测量涵盖的范围已经包括了半导体制造业、电子工业、光学工业、金属材料、化学纤维、化工、生物学、医药学等行业。具体可分为: 9 / 10
