薄膜光学参数测试解析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,薄膜光学参数的测量,从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数,其它的薄膜光学常数测试方法,薄膜波导法,光学薄膜厚度的测试,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,一、从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数,透明薄膜的光学常数测试,弱吸收薄膜光学常数的确定,单层、多层光学薄膜的基本测试,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,1,、透明薄膜的光学常数测试,“,理想,”透明薄膜的假设：,1,）薄膜具有均匀的折射率；,2,）不考虑薄膜的色散影响；,3,）薄膜在各波长处的消光系数为零。,R+T=1,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,对于“理想”光学薄膜,在光学厚度为,/2,的整数倍处，透射率,T,和反射率,R,等于光洁基板的值；,在光学厚度为,/4,的奇数倍处，反射率,R,正好是极值，,如果薄膜折射率,n,f,小于基板折射率,n,s,，反射率,R,将是,极小值，反之，如果,n,f,n,s,，则反射率,R,极大值。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,我们知道,，极值反射率为：,上式中,n,0,是空气的折射率。,从上式中解出,n,f,就得到：,从样品光谱透射曲线上求出对应于,/4,的奇数,倍波长处的极值透射率,T,，然后用,1-T=R,换算至极值反射率,R,。考虑基板背表面反射的影响，代入上式，就可以求得薄膜的折射率。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,如果薄膜的厚度较厚,，可以从两个相邻的极值波长中进一步求得薄膜的几何厚度：,考虑到在较短的波段中有几个干涉极大、极小值。目前，国际上趋向于选择,5,至,7,个,/4,膜厚作为用光度法测量光学常数时的薄膜样品标准厚度。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,考虑玻璃基板背表面的影响：,厚度,：几个毫米（,mm,）,处理思路,：非相干表面,前后表面之间的光强是以,强度相加而不是矢量相加,具体方法,：空白基板（双面）透射率,T,0,有膜样品（双面）透射率,T,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,此外，还可以利用下列公式从,单面透射率极值,T,m,（即薄膜透射率,T,f,对应于,/4,奇数倍的极值）中直接求解折射率：,考虑薄膜材料的,色散对反射率和透射率曲线的影响,：,当薄膜有色散时，在光学厚度为,/4,奇数倍的波长处不再是极值；但是，光学厚度为,/,2,倍数的波长处仍然是极值，而与没有色散时关系一样。,一般薄膜材料的折射率均有些色散，及存在色散关系。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,常用薄膜材料的“,色散关系”,1,）,Cauchy,方程,折射率和消光系数可以展开为波长的无穷级数，适,用于透明材料如：,SiO,2,Al,2,O,3,Si,3,N,4,BK7,玻璃等，折射率,的实部与消光系数可表示为：,其中：多项式的系数是,6,个拟合的参量。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,2,）,Sellmeier,方程,适用于透明材料和红外半导体材料，是,Cauchy,方程,的综合，原始的,Sellmeier,方程,仅仅用于完全透明的材料,（,k=0,），但是有时也能用于吸收区域：,同理，多项式的系数是,6,个拟合的参量。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,3,）,Lorentz,经典共振模型,其中：,0,是共振的中心波长，,A,是振荡强度，,g,是阻尼因子。第一个方程组中，等式右边代表无限能量（零波长）的介电函数，大多数情况下用拟合参数,来代替更加符合实际情况，代表远小于测量波长的介电函数。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,4,）,Forouhi-Bloomer,色散关系,一般只用于模拟材料的间带光谱区域的色散，也能被用于次能带隙区域以及常规的透明区域，且能处理一些带有弱吸收的薄膜的折射率色散。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,5,）,Drude,模型,该模型主要是针对金属薄膜与金属材料。电介质函数由自由载流子决定，当,p,为等离子体频率（,p,=4,ne,2,/m,）和,为电子散射频率时，,Drude,介电方程为：,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,对于不少材料，所有的,色散方程,在一个相当大的光谱区,域都能得到,很好的结果,；,试验测得的透射率光谱和色散方程计算所得的光谱，需,要进行优化拟合,，这是数学公式应用的前提；,所有的色散方程都是,波长的函数,，在大范围内得到良好,的拟合是十分困难的；,薄膜光学常数的确定方法，可以应用到具有光学监控设,备的,薄膜制备系统,中。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,2,、弱吸收薄膜光学常数的确定,实际透明薄膜在接近短波吸收带时，消光系数会增,大。在多数情况下，可视为弱吸收（,k,1,）薄膜处理。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,k=10,-3,10,-2,0.1,三种情况对透射率,T,和反射率,R,影响,消光系数对透射率的影响要大于对反射率的影响；,对于较薄的薄膜，当,k,小于,10,-2,时，对透射率、反射率的,影响不是十分明显，但大于,10,-2,之后，影响十分显著；,吸收的影响在半波长的位置最为明显。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,1,）,Hall,方法,该模型主要是针对弱吸收透明薄膜。从,T,/2,计算薄膜的消光系数,，从,T,/4,处计算薄膜的折射率,。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,入射介质为空气（折射率为,1,），,r,1,r,2,位空气与薄膜和薄膜与基板界面的菲涅尔反射系数，,1,2,为薄膜弱吸收对反射与透射的位相的影响。此处没有考虑基板背面的影响。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,2,）透射率轮廓法,该方法利用,/2,处和,/4,处透射率的值，来计算微弱吸收薄膜的折射率和消光系数，有较强的实用性。,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点实验室,.,Schl.of Optoelectronic Inform,Schl.of Optoelectronic Inform.,“,光电探测与传感集成技术,”,教育部国防重点实验室,State Key Lab.of ETFID,“,电子薄膜与集成器件,”,国家重点