镀膜玻璃的薄膜参数的反射光谱测量法.doc

镀膜玻璃的薄膜参数的反射光谱测量法
项目完成单位:国家建筑材料测试中心
项目完***:刘元新 鲍亚楠孙宏娟王廷籍
摘要本文提出从镀膜玻璃的反射光谱测量薄膜厚度、折射率和消光系数的方法,并从电磁波传播理论和两面镀导电膜玻璃的实验加以证实。本方法测量薄膜厚度的误差随着膜厚的增加而增加,几百纳米膜厚的测量误差不大于±10%。测量范围大约为100nm-5mm。
关键词薄膜、厚度、反射光谱、折射率、消光系数
前言
自洁净玻璃的自洁净性能、Low-E玻璃的低幅射性能都与其膜层的厚度、折射率和消光系数有着密切的关系[1]。近代微电子学装置,如成像传感器、太阳能电池、薄膜器件等都需要这些参数[2] 。这些参数的数据是薄膜材料、薄膜器件设计的必不可少的基础性数据。
通常都是单独测量这些参数,薄膜厚度用原子力显微镜、石英震荡器、台阶仪、椭偏仪、干涉法来测量。薄膜折射率的测量就比较麻烦,因为它是波长的函数,它可以用基于干涉、反射原理的方法测量。从薄膜的吸收谱就可测量其消光系数。显然,取得这些数据是很麻烦、很费时、成本也很高,特别是对于纳米级薄膜。
2000年,美国Princeton等大学提出[2] ,从物理角度建立透射光谱模型,调整模型中的未知的参数,即薄膜厚度、折射率、消光系数,使透射光谱的理论曲线同实验曲线重合,这就同时取得薄膜的厚度、折射率、消光系数等数据。他们用这种方法同时测量了“玻璃-薄膜”系统的薄膜的厚度、折射率、消光系数等数据。显然,这是取得这些数据的简便、快速、低成本的方法,也是这个领域的一个发展趋势。
薄膜参数的信息既包含在镀膜玻璃的透射光谱中,也包含在镀膜玻璃的反射光谱中,Mulato等人[2]是从镀膜玻璃的透射光谱中提取出薄膜参数的信息,本文尝试从镀膜玻璃的反射光谱中提取出薄膜参数的信息,建立导电聚苯***高分子聚合物薄膜参数的计算机模拟测量方法。
反射光谱
这里仅考虑两面镀膜玻璃,即“薄膜-玻璃-薄膜”系统,这系统有4个界面5个区域(图1) ,4个界面为:空气-薄膜、薄膜-玻璃、玻璃-薄膜、薄膜-空气界面;5个介质区域为:空气区(1)、薄膜区(2)、玻璃区(3)、薄膜区(4)、空气区(5)。
图1光波在空气中的“薄膜-玻璃-薄膜”系统中的传播
光波从空气正入射到两面镀膜玻璃上,在4个界面上会发生反射和折射,它们遵循Maxwell方程组的边界方程,比如在的空气-薄膜界面上,反射光波振幅为,折射光波振幅为,下一个界面的反射光波振幅满足如下的边界条件[3] :
这里是光波在介质j中的传播波复矢量,它与介质的折射率nj、消光系数kj有如下联系:
(1)
其中:为虚数单位。
在写其它边界条件方程时,应注意光波在介质区传播时将改变其传播因子[3] ,比如光波在进入薄膜区(2) 时的振幅为,在它们通过厚度为的薄膜区到达薄膜-玻璃界面时,光波振幅改变为。在注意到这点之后,就能写出4个界面附近的折射波和反射波的表达式,从而写出光波在4个界面上的8个边界条件方程。这8个边界条件方程构成的方程组中包含8个未知量:4个反射波振幅、、、,4个透射波振幅、、、,1个入射波振幅。用入射波振幅去除这8个方程,由于这方程组是线性齐次的,那么这方程组只剩下8个未知量:4个反射波振幅和入射波振幅之比,4个透射波振幅和入射波振幅之比。因此这8个未知的振幅比可以从这8个方程构成的方程组解出。具体求解过程参见附录1。
在这些未知的振幅比中,感兴趣的是反射波振幅和透射波振幅相对于入射波振幅的比值,因为系统的透过率T等于透射光波振幅的模的平方与其入射光波的模的平方之比,即:
(2)
系统的反射率R等于反射波振幅的模的平方与其入射光波的模的平方之比,即:
(3)
系统的吸收系数A等于1减去透过率和反射率;即:
(4)
公式(2)-(4) 就是两面镀膜玻璃的理论透射光谱、反射光谱和吸收光谱。这些理论光谱中包含薄膜参数,调整薄膜参数使理论光谱拟合其相应的实验光谱,在理论光谱和实验光谱吻合时的薄膜参数值就是我们要测量的薄膜参数值。
导电薄膜的反射光谱
对于导电薄膜,反射光谱公式(3) 可以大为简化。这是因为导电薄膜的折射率和消光系数是近似相等的[4] :
我们的计算证明[4] :在没有玻璃吸收的光谱区域,即:光谱区域,双面镀膜玻璃的反射率方程(3) 可以简化为:
(5)
其中:

、为玻璃的折射率和厚度,是已知的,未知量是薄膜参数:折射率(或消光系数) 和厚度t,它们包含在参数f中,因此两面镀导电膜的玻璃的反射率曲线形状随薄膜参数的改变而改变。调整薄膜参数使理论反射率曲线尽可能和实验反射光谱吻合,此时的薄膜参数值就是薄膜参数的真实数值,这项计算工作需要编制计算机程序。
薄膜参数测量实验
(1) 制备实验样品,