3.3薄膜光学参数测试详解

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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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.,“,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,）从透射率或反射率曲线求多波长数值的反演法,用数值计算的方法，拟合测试获得的薄膜光谱透过率曲线，反演得出薄膜的光学常数。,借助,F-B,色散模型，利用改进的单纯形方法拟合薄膜的透过率曲线，从而获得薄膜厚度、折射率和消光系数。,可以测量各种薄膜的光学常数，特别适用于较薄的、在可见区具有很大吸收的半导体薄膜。,由测量得到的透过率曲线，确定薄膜光学常数和厚度是一个反演工程，由已知薄膜系统的响应来确定系统的参