测量薄膜厚度及其折射率的方法.ppt

薄膜厚度及其折射率的测量方法黄丽琳2010级物理学(1)班020/1/20、引言近年来,非线性光学聚合物薄膜及器件的研究己成为非性光学材料领域的研究热点。非线性光学聚合物薄膜貝有多种优点,如快速响应、大的电光系数、高的激光损伤阈值、小的介电常数、简单的结构、低损耗和微电子处理的兼容性等,因吡正逐渐成为制造电光调解器和电光开关的重要材料心薄膜技术是当前材料科技的研究热点,特别是纳米级薄膜技术的迅速发展精确测量薄膜厚度及其折射率等光学参数受到人们的高度重视。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同,如何选择符合测量要求的测量方法和仪器,是一个值得认真考虑的问题。每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求、测量范围、精确度、特点及局限性。在此主要介绍测量薄膜厚度和折射率常用的几种方法,并分析它们的特点及存在问题,指出选择测量方法和仪器应注意的问题。2020/1/20、几种测量薄膜厚度及其折射率的方法(一)椭圆偏振法(椭偏法)椭圆偏振法是利用一束入射光照射样品表面,通过检测和分析入射光和反射光偏振状态,从而获得薄膜厚度及其折射率的非接触测量方法。4=f(d根据椭偏方程:v若n。,na,θ和λ已知,只要测得样品的ψ和△,就可求得薄膜厚度d和折射率n。测量样品ψ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内两种结构。图1(a)是反射式消光法的一种典型结构;图1(b)是反射式光度法的一种典型结构。L:光源:P:起偏;A:检儡;S:灣膜样品:Q:1/4波片;D:探测器图1椭圆偏振测量仪椭偏法具有很高的测量灵敏度和精度。和△的重复性精度已分别达到±°和±°,厚度和折射率的重复性精度可分别达到01nm和104且入射角可在30°90°内连续适应不同样品;测量时间达到ms量级,已用于薄膜生长过程的厚度和折射率监控。但是,由于影响测量准确度因素很多,如入射蹇待麒都会影响测量的准确度写基底折射率相接近如玻璃基底表面S⊙2薄薄膜厚度较小和薄膜厚度及折射率范围位(,一,2函数斜率较大区域时,用椭偏仪同时测得薄膜的厚度和折射率与实棼鞏大单筒的入射角和波长都存在不同的测量精确度粉偏差。因此则d6=284,在一个膜厚周期内,偏法测量膜厚有确值若待测膜厚超过一个周期,膜厚有多个不确定值。虽然可采用多入射角或多波长法确定周期数,但实现起来比较困难。实际上可采用其它方法,如干涉法、光度法或台阶仪等配合完成周期数的确定(二)棱镜耦合法(准波导法)棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜,将入射光导入被测薄膜,检测和分析不同入射角的反射光,确定波导膜耦合角,从而求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法。波导模式特征方程为kd(n2-N2)2=(m+1)N=sindone+(Na-sin8)sine3)在(2)和(3)式中,k为波数,m为膜数,Nn为m阶导模的有效折射率,θ,ε,N分别为耦合角、棱镜角和棱镜折射率。若测得两个以上模式的耦合角,便可求出d和n1。棱镜薄膜衬底就组成一个单侧漏波导,亦称为准波导,准波导法名称D由此而来。(棱镜耦合测量仪的光路如图2所示。棱镜耦合法的测量度与转盘的转角分率、所用棱镜折射率、薄膜的厚度和踅棼勞奇题的#连素有关折数和度迷要需些棱镜耦合法存在测量薄膜厚度的下限。测量光需在膜层内形成两个或两个以上波导模,膜厚一般应大于30048onm(如硅基底);若膜折射率已知,需形成一个波导模,膜厚应天于100~200nm;测量范围依赖于待测薄膜和基底的性质,与历选有周期性現腺釐镜折射率有关。~15um,,,测量时间约20秒以上,不适合于实时测量。棱镜耦合氵法不但可以测量块状样品和单层翟材和聚公沏霜尧晏發挐器#對缵晕答和芟甭(三)干涉法●干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折射率的。根据光干涉条纹方程,对于不透明膜:d=(q+)仝对于透明膜十在(4)和(5)式中,q为条纹错位条纹数,c为条纹错位量,e为条纹间隔。因此,若测得q,c,e就可求出薄膜厚度d或折射率nL光源:凵扩束镜:L:准直镜:L3:显懒物镜:Bs:分東板;P1-干涉及薄臏样品】:反射镜;F:针孔图4多光束干涉仪干涉法主要分双光束干涉和多光束干涉,后者又有多光束等厚于涉和等色序于涉。双光束干涉仪主‘要由迈克尔逊微镜,其光路如图3所示。为了提高条紋错位量的判读糙度,多光束于涉仪采用个F-P干涉器装置与显微系统结合,形成多光束等厚干涉条纹其测量精度达到入100~A/1000。分为反射式和透射式两构,如图4(a)和4(b)所示。等色序千涉仪也有类似两种结构形式。干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜,而且适用于双折射薄