測量薄膜厚度及其折射率的方法

1、26.03.2021,1,薄膜厚度及其折射率的測量方法,26.03.2021,2,一、引言,近年來,非線性光學(xué)聚合物薄膜及器件的研究已成為非線性光學(xué)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。非線性光學(xué)聚合物薄膜具有多種優(yōu)點(diǎn)，如快速響應(yīng)、大的電光系數(shù)、高的激光損傷閾值、小的介電常數(shù)、簡單的結(jié)構(gòu)、低損耗和微電子處理的兼容性等，因此正逐漸成為制造電光調(diào)解器和電光開關(guān)的重要材料【1】 。 薄膜技術(shù)是當(dāng)前材料科技的研究熱點(diǎn)，特別是納米級薄膜技術(shù)的迅速發(fā)展,精確測量薄膜厚度及其折射率等光學(xué)參數(shù)受到人們的高度重視。由于薄膜和基底材料的性質(zhì)和形態(tài)不同，如何選擇符合測量要求的測量方法和儀器，是一個值得認(rèn)真考慮的問題。每一種測量方法和

2、儀器都有各自的使用要求、測量范圍、精確度、特點(diǎn)及局限性。在此主要介紹測量薄膜厚度和折射率常用的幾種方法，并分析它們的特點(diǎn)及存在問題，指出選擇測量方法和儀器應(yīng)注意的問題【2】。,26.03.2021,3,二、幾種測量薄膜厚度及其折射率的方法,（一）橢圓偏振法(橢偏法) 橢圓偏振法是利用一束入射光照射樣品表面，通過檢測和分析入射光和反射光偏振狀態(tài)，從而獲得薄膜厚度及其折射率的非接觸測量方法。 根據(jù)橢偏方程： 若ns ，na，和已知，只要測得樣品的和，就可求得薄膜厚度d和折射率nf 。測量樣品和的方法主要有消光法和光度法。光路的形式有反射式和透射式，入射面在垂直面和水平面內(nèi)兩種結(jié)構(gòu)。圖1(a)是反射

3、式消光法的一種典型結(jié)構(gòu)；圖1(b)是反射式光度法的一種典型結(jié)構(gòu)。,26.03.2021,4,橢偏法具有很高的測量靈敏度和精度。和的重復(fù)性精度已分別達(dá)到0.01和0.02，厚度和折射率的重復(fù)性精度可分別達(dá)到0.1nm和10-4,且入射角可在3090內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同樣品；測量時間達(dá)到ms量級，已用于薄膜生長過程的厚度和折射率監(jiān)控。但是，由于影響測量準(zhǔn)確度因素很多，如入射角、系統(tǒng)的調(diào)整狀態(tài)，光學(xué)元件質(zhì)量、環(huán)境噪聲、樣品表面狀態(tài)、實(shí)際待測薄膜與數(shù)學(xué)模型的差異等都會影響測量的準(zhǔn)確度。特別是當(dāng)薄膜折射率與基底折射率相接近(如玻璃基底表面SiO2薄膜)，薄膜厚度較小和薄膜厚度及折射率范圍位于(nf，d

4、)(，)函數(shù)斜率較大區(qū)域時，用橢偏儀同時測得薄膜的厚度和折射率與實(shí)際情況有較大的偏差。因此，即使對于同一種樣品、不同厚度和折射率范圍，不同的入射角和波長都存在不同的測量精確度。 橢圓偏振法存在一個膜厚周期d0(如70入射角， SiO2 膜，則d0=284nm)，在一個膜厚周期內(nèi)，橢偏法測量膜厚有確值。若待測膜厚超過一個周期，膜厚有多個不確定值。雖然可采用多入射角或多波長法確定周期數(shù)，但實(shí)現(xiàn)起來比較困難。實(shí)際上可采用其它方法，如干涉法、光度法或臺階儀等配合完成周期數(shù)的確定。,26.03.2021,5,（二） 棱鏡耦合法（準(zhǔn)波導(dǎo)法）,棱鏡耦合法是通過在薄膜樣品表面放置一塊耦合棱鏡，將入射光導(dǎo)入被測

5、薄膜，檢測和分析不同入射角的反射光，確定波導(dǎo)膜耦合角，從而求得薄膜厚度和折射率的一種接觸測量方法。波導(dǎo)模式特征方程為 在(2)和(3)式中，k為波數(shù)，m為膜數(shù)，Nm為m階導(dǎo)模的有效折射率，Np分別為耦合角、棱鏡角和棱鏡折射率。若測得兩個以上模式的耦合角，便可求出d 和nf。棱鏡-薄膜-襯底就組成一個單側(cè)漏波導(dǎo)， 亦稱為準(zhǔn)波導(dǎo)， 準(zhǔn)波導(dǎo)法名稱 由此而來。,26.03.2021,6,棱鏡耦合測量儀的光路如圖2所示。棱鏡耦合法的測量精度與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角分辨率、所用棱鏡折射率、薄膜的厚度和折射率范圍及基底的性質(zhì)等因素有關(guān)，折射率和厚度測量精度分別可達(dá)到10-3和(0.5 +5 nm )，實(shí)際精度還會高些。

6、 棱鏡耦合法存在測量薄膜厚度的下限。測量光需在膜層內(nèi)形成兩個或兩個以上波導(dǎo)模，膜厚一般應(yīng)大于300-480nm(如硅基底)；若膜折射率已知，需形成一個波導(dǎo)模，膜厚應(yīng)大于100200nm；測量范圍依賴于待測薄膜和基底的性質(zhì)，與所選用的棱鏡折射率有關(guān)。但測量的薄膜厚度沒有周期性，是真實(shí)厚度。膜厚測量范圍在0.315 um，折射率測量范圍小于2.6，某些情況可達(dá)2.8。 待測薄膜表面應(yīng)平整和干凈，測量時間約20秒以上，不適合于實(shí)時測量。棱鏡耦合法不但可以測量塊狀樣品和單層膜樣品，而且可以測量雙層膜和雙折射膜的厚度和折射率。在有機(jī)材料、聚合物和光學(xué)波導(dǎo)器件等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。,26.03.2021,7

7、,（三）干涉法,干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉條紋的原理來確定薄膜厚度和折射率的。根據(jù)光干涉條紋方程， 對于不透明膜： 對于透明膜： 在(4)和(5)式中，q為條紋錯位條紋數(shù)，c為條紋錯位量，e為條紋間隔。因此，若測得q，c，e就可求出薄膜厚度d 或折射率nf。,26.03.2021,8,干涉法主要分雙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。雙光束干涉儀主要由邁克爾遜干涉和顯微系統(tǒng)組成，其干涉條紋按正弦規(guī)律變化，測量精度不高，僅為/10/ 20，典型產(chǎn)品有上海光學(xué)儀器廠的6JA型干涉顯微鏡，其光路如圖3所示。 為了提高條紋錯位量的判讀精度，多光束干涉儀采用了一個F-P干涉

8、器裝置與顯微系統(tǒng)結(jié)合，形成多光束等厚干涉條紋，其測量精度達(dá)到1001000。分為反射式和透射式兩種結(jié)構(gòu)，如圖4(a)和4(b)所示。等色序干涉儀也有類似兩種結(jié)構(gòu)形式。 干涉法不但可以測量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且適用于雙折射薄膜。一般來說，不能同時確定薄膜的厚度和折射率，只能用其它方法測得其中一個量，用干涉法求另一個量。有人對干涉法進(jìn)行改進(jìn)【3】 ，使其能同時測定厚度和折射率，但不容易實(shí)現(xiàn)。另外，確定干涉條紋的錯位條紋數(shù)q比較困難，對低反射率的薄膜所形成的干涉條對比度低，會帶來測量誤差，而且薄膜要有臺階，測量過程調(diào)節(jié)復(fù)雜，容易磨損薄膜表面等，這些都對測量帶來不便。,26.03.20

9、21,9,（四）V-棱鏡法,V-棱鏡法是近年來測量薄膜折射率的又一種簡便易行的方法,它需要輔以準(zhǔn)波導(dǎo)法才能測量并計算出薄膜的折射率。其基本實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。 V-棱鏡中所裝為復(fù)合材料的溶液，由于其折射率nso不同于V-棱鏡的折射率np，折射光將以角度偏離入射光方向。可由角度計測量得到，給定波長下的nso值可由Snells law 確定， 采用同樣的方法可測得溶劑的折射率nso，于是聚合物薄膜的折射率可由下式求得。,26.03.2021,10,其中，1、2 分別稱為溶劑和溶液的體積分?jǐn)?shù)，不依賴于波長，并有1 +2 =1，需要首先確定，F(xiàn)s、Fs、F是lorentz-lorenz局域場函數(shù)，分別由

10、下式確定 首先采用波導(dǎo)耦合法測定薄膜在某一給定波長下的折射率n，再將其代入公式，便可求得 1與2的值。一旦1 、2已知，變換波源，利用公式就可以測量并計算出其他波長下薄膜的折射率了。,26.03.2021,11,（五）透射譜線法,透射譜線法是利用樣品的透過率曲線譜測定薄膜光學(xué)常數(shù)的一種方法。圖為光通過薄膜材料的示意圖，當(dāng)薄膜的折射率大于襯底折射率時,平行光經(jīng)過折射率為n的薄膜之后發(fā)生干涉，在光強(qiáng)極值處有： 其中m為整數(shù)時為光強(qiáng)極大，半整數(shù)時為光強(qiáng)極小。薄膜透過率曲線如圖所示。干涉條紋的極大值和極小值的透過率TM和Tm分別為： 其中：,26.03.2021,12,式中，d為薄膜厚度，ns為襯底的

11、折射率，為薄膜的吸收系數(shù)。在弱吸收區(qū)域，將上式中兩方程取倒數(shù)分別相減可得： 因此，可解得： 其中 當(dāng)襯底玻璃的折射率ns為已知時，由此便可求得薄膜的折射率n了。假如波長1、2處的折射率是相鄰的兩個最高峰，并且在這兩個波長處的折射率n(1)和n(2)已經(jīng)求得，代入方程，可同時求得薄膜的厚度： 我們在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，把TM和Tm視為波長的連續(xù)函數(shù)，也就是透過率曲線上極大值和極小值的包絡(luò)線，根據(jù)這兩條曲線就可以得到和透過光譜波峰和波谷對應(yīng)的波長處的最大透過率TM和最小透過率Tm，再根據(jù)式子便可求得n和d了，對所有的d值求平均便可得到薄膜樣品的厚度。,26.03.2021,13,三、比較幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn),14,26.03.2021,總結(jié),上述介紹的五種測量薄膜厚度和折射率的光學(xué)方法都存在一定的測量精度、測量范圍和局限性，且有一定的互補(bǔ)性。此外，還有分光光度法、光電極值法和比色法等光學(xué)方法以及表面臺階儀法、稱重法、石英振蕩法和x光散射法等非 光學(xué)方法都可以測量不同種類和范圍的透明或非透明薄膜的厚度或折射率，因此，應(yīng)根據(jù)待測薄膜的類型、性質(zhì)、膜厚及折射率變化范圍和所測量參數(shù)的精度要求及測量時間，合理選擇測量方法和儀器。 為了確保所測參數(shù)的準(zhǔn)確度，最好采用兩種或兩種以上方法對同一樣品進(jìn)行輔助測量或相互驗(yàn)證，并根據(jù)條件和財力，選擇適用的測試方法