反射干涉光谱法测量固体薄膜的光学常数和厚度-

1、第20卷,第3期光谱学与光谱分析V ol.20,No.3,pp 283-2852000年6月S p ectrosco py and S p ectral a nal y sis June ,!2000反射干涉光谱法测量固体薄膜的光学常数和厚度杨鹏徐志凌徐雷复旦大学物理系,三束材料改性国家重点实验室,200433上海摘要本文报道一种简单的方法,从平面介质薄膜的反射干涉光谱来计算薄膜的光学常数和厚度。当一束光照射在基板上的介质膜上时,由于膜上下界面反射光的相干,会使反射光谱的曲线有一定的波动。我们对反射相干光谱进行理论分析,给出计算公式,从测量曲线中的实验值得出薄膜的光学常数7、a 以及厚度等参数

2、。此种方法简单可行,而且易于编程处理。主题词薄膜,反射干涉光谱,折射率,厚度 1999-09-06收,2000-01-22接受;杨鹏,1970年生,复旦大学研究生引言对于薄膜厚度和折射率的测量,现在通常利用的是棱镜耦合导模法和椭偏法。棱镜耦合导模法通过测量波导内传播模式的耦合角度获得膜厚及折射率,利用耦合模来测量,测量精度与耦合模数目有关,一般要求做到厚膜以形成多个光导模;椭偏法由于对膜厚的均匀性要求比较高,测量和计算比较复杂,所以人们一直在探讨用简便可行的方法来测量薄膜的厚度及光学常数。早在五十、六十年代,H all 1等通过测量薄膜在红外的反射和透射谱来计算薄膜厚度和光学常数。M anif

3、 acie 2等用测量薄膜透射谱的方法来计算膜厚和光学常数,已经有文献报道了对这种方法的应用,并得出了较为可信的结果3。本文报道从薄膜的反射干涉光谱出发,测量薄膜的光学常数7、a 及厚度。同M anif acie 的方法相比,对于基板上的薄膜反射率的测量考虑了基板吸收以及基板表面反射的影响,比较适于高反射率基板上薄膜的测量。随着集成光学的发展,要求利用硅基上玻璃薄膜制备各种无源及有源光波导器件,薄膜的光学常数7、a 及厚度是光波导制备及研究中非常重要的一组参数,采用一种简易而有效的方法测量以上参数是人们一直在探索的,所以研究薄膜的反射干涉光谱具有实际意义。本文报道的方法可有效方便地测量硅基玻璃

4、薄膜的7、a 及厚度,此方法也可用于其他具有高反射率的基板上的薄膜材料的厚度及折射率的测量。1理论模型如图1所示,在折射率为71的基板上镀有复数折射率为T 、厚度为d 的一层薄膜,放在折射率为70的空间。假定薄膜的复数折射率T =7+i a ,当一束光以幅度A 从70空间垂直入射( =0 到膜表面时(为便于分析,图中入射光有一定角度,实际测量中此角度一般很小,对测量的影响可以忽略不计,由于多次反射,在膜上表面有一系列的反射光,它们的幅度分别为A 1、A 2、A3。A R =ATH S i ex p (-4i d / +T 1+TTH S i ex p (-4 id / (1我们得到反射率R =

5、T 2+ 2+2Tcos (47 d / 1+T 2 2+2Tcos (47 d / (2其中a =TH S i ex p (-4ad / (3此公式是在待测薄膜层的吸收较小的情况下推出的,T =(7-70/(7+70,如果精确计算,7应用 来代替,我们对此作过详细推导,在吸收很小的情况下,其对计算结果的影响很小,并最后能得到方程(2。由于薄膜在吸收很小的区域,7、a 的变化不是很大,所以方程的极大和极小值出现在4 7d / =m (4处。m =0,1,2,我们得到的方程的极值点为R m ax =(T + 2(1+T 2(5R m i n =( -T 2(1-T2(6通常情况下,由于薄膜的吸收

6、很小,一般我们有 !T 。从以上方程可以得到7=701+N1-NN =2-2R m ax R "m i n -R m ax R "m i n -(12-4R "m ax -R "(m i n "22R "m ax -R "(m i n (7把7的值带入方程(5或( 6中,可以计算出 。我们对这个方法进行进一步简化处理,即认为R m ax 和R m i n 是 的连续函数,对于每一个 都有与其相对应的折射率7( 和 ( 。图2是一个典型的硅基板上玻璃薄膜的反射光的干涉图谱。图中虚线部分即为R m ax ( 和R m i n (

7、 的包络曲线。这样针对每一波长我们皆可计算其对应的7( 和 ( ,而不是仅局限于极值点。(8这里,M 为两个极大值或极小值之间的干涉条纹数(M =1,表示相邻的两个极大值或极小值,7( 1、7( 2、 1、 2为相应的折射率和波长。知道d 、 以后,据方程式(3,又知TH =72-7172+71,对于实验中使用的硅片,其吸收和折射率随波长的变化曲线能够测量出来,这样对每一波长我们可以计算出a 。当基板的吸收较大、反射率较小,或者薄膜有较强的吸收时,使得 #T ,根据方程(5和(6式,同样可以得出符合物理意义的7和 。由于这些因素影响干涉条纹幅度的大小,故将对计算结果的精度造成影响。2实验与讨论

8、为了验证这种测量方法的正确性,我们用含G eO 250%m o l 的G eO 2-S i O 2薄膜做实验,样品是用溶胶凝胶(so l-g el 方法制作。把G e (OC 254和S i (OC 254溶液发生水解反应,最后缩聚为G e 、O 、S i 链结而成的空间网状大分子聚合物,将配制好的溶液提拉在硅片上,在650C 下烘干。测量的反射谱曲线如图2所示。在样品上选取不同的点测量样品的反射干涉图谱,重复性良好。选取不同的极值点,对薄膜的厚度及光学常数进行计算,我们得到d =0.371 0.004 m ,用椭偏法测量6的结果为:d =0.3728 m 。表1列出了在不同波长下两种方法所测

9、的折射率。折射率的测量误差小于0.005。Tab.l R efractive i nd ices of a t hi n g eO 2-s i O 2fil m m easured b y reflection i nterference m et hod and b y usi n g elli p som etr y1.5311.5211.5151.507由于此理论计算是在薄膜吸收很小的区域进行的,所以应用此方法应考虑其应用的范围。从方程(3可以看出,对于基板有一定吸收的情况下,!S i 的大小影响了膜吸收的情况下,可以不考虑基板的反射和吸收,直接计算出膜厚和折射率。如果薄膜的反射率很小,

10、会使干涉条纹的幅度很小,计算值的误差较大。此种方法可用于硅基上薄膜的厚度以及光学常数的测量。我们在用溶胶凝胶法制备玻璃薄膜时,对不同的掺杂和制作工艺制作的薄膜,可以用反射干涉光谱法计算薄膜的厚度及光学常数。对于有些需要初步了解折射率的薄膜,也可把它们镀在高反射率基板上,进行折射率的测量。致谢:作者感谢陈良尧教授和赵海斌同学在椭偏法测量上大力帮助和有益的讨论。482光谱学与光谱分析第20卷 反射干涉光谱法测量固体薄膜的光学常数和厚度作者:杨鹏, 徐志凌, 徐雷, Peng YANG, Zhiling XU, Lei XU作者单位:复旦大学物理系,三束材料改性国家重点实验室,200433,上海刊名: 光谱学与光谱分析英文刊名:SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS年,卷(期:2000,20(3被引用次数:14次参考文献(6条1.L Y Chen;X W Feng查看详情 19942.赵凯华;钟锡华光学 19843.章志鸣;沈元华;陈惠芬光学 19954.J C Manifacier查看详情外文期刊 19775.J C Manifacier查看详情 19766.J F Hall查看详情外文期刊 1955引证文献(14条6.洪伟铭掺铝对ZnO薄膜光学常数的影响期刊论文-半导体光电 2007(28.