椭偏与光度法联用精确测定吸收薄膜的光学常数与厚度

介绍了一种同时利用椭偏仪和分光光度计精确测量薄膜光学常数的方法, 并详细比较了该方法与使用单一椭偏仪拟合结果的可靠性.采用可变入射角光谱型椭偏仪（VASE）表征了250—1700 nm波段辉光放电法沉积的类金刚石薄膜,研究发现当仅用椭偏参数拟合时,由于厚度与折射率、消光系数的强烈相关性,无法得到吸收薄膜光学常数的准确解.如果加入分光光度计测得的透射率同时拟合,得到的结果具有很好的惟一性.该方法无需设定色散模型即可快速拟合出理想的结果,特别适合于确定透明衬底上较薄吸收膜的光学常数. 关键词： 光学常数 光谱型椭偏仪 吸收薄膜 透射率     

光谱型椭偏仪精确表征非晶吸收薄膜的光学常数

采用光谱型椭偏仪(SE)和分光光度计分别测量了超薄类金刚石(DLC)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜的椭偏参数(y和D)和透射率T。由于薄膜的厚度与折射率、消光系数之间存在强烈的相关性,仅采用椭偏参数拟合,难以准确得到薄膜的光学常数。如果加入透射率同时进行拟合(以下简称SE+T法),可简单、快速得到薄膜的厚度和光学常数。但随机噪声、样品表面的轻微污染或衬底上任何小的吸收都可能影响SE+T法拟合的光学常数的准确性。因此将SE+T法和光学常数参数化法联用,实现DLC、a-Si薄膜光学常数的参数化,以消除测量数据中的噪声对光学常数的影响。结果显示,联用时的拟合结果具有更好的唯一性,而且拟合得到的光学常数变得平滑、连续且符合Kramers-Kronig(K-K)关系。这种方法特别适合于精确表征厚度仅为几十纳米的非晶吸收薄膜的光学常数。     

光谱型椭偏仪精确表征非晶吸收薄膜的光学常数EI北大核心CSCD

采用光谱型椭偏仪(SE)和分光光度计分别测量了超薄类金刚石(DLC)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜的椭偏参数(y和D)和透射率T。由于薄膜的厚度与折射率、消光系数之间存在强烈的相关性,仅采用椭偏参数拟合,难以准确得到薄膜的光学常数。如果加入透射率同时进行拟合(以下简称SE+T法),可简单、快速得到薄膜的厚度和光学常数。但随机噪声、样品表面的轻微污染或衬底上任何小的吸收都可能影响SE+T法拟合的光学常数的准确性。因此将SE+T法和光学常数参数化法联用,实现DLC、a-Si薄膜光学常数的参数化,以消除测量数据中的噪声对光学常数的影响。结果显示,联用时的拟合结果具有更好的唯一性,而且拟合得到的光学常数变得平滑、连续且符合Kramers-Kronig(K-K)关系。这种方法特别适合于精确表征厚度仅为几十纳米的非晶吸收薄膜的光学常数。     

椭偏精确测定透明衬底上吸收薄膜的厚度及光学常数

椭偏仪难以精确测量透明衬底上吸收薄膜光学常数的原因:1)衬底的背面反射光为非相干光, 它的存在会极大的增加拟合难度; 2)衬底光学常数(折射率和消光系数)的差异会影响测量的准确性, 而且会在吸收薄膜的光学常数中表现出来, 需要单独测量其光学常数; 3)厚度与光学常数之间呈现强烈的关联性. 针对以上三个问题, 选择石英玻璃、载玻片、盖玻片和普通浮法玻璃作为研究对象. 采用折射率匹配法消除上述衬底背面反射光的影响. 结果显示, 折射率匹配法能够有效消除折射率在1.43-1.64、波长范围为190-1700 nm波段的石英、浮法玻璃等透明衬底的背面反射光. 之后, 通过拟合椭偏参数ψ和垂直入射时的透过率T₀ 分别得到以上衬底的折射率和消光系数. 拟合得到的结果与文献报道的趋势一致. 最后, 采用椭偏参数和透过率同时拟合的方法(SE+T法)得到类金刚石薄膜(沉积在石英玻璃上)和非晶硅薄膜(沉积在载玻片、盖玻片上)光学常数和厚度的准确解.     

采用椭偏法结合分光光度法研究极薄银的光学常数

极薄银在滤光片、高反射镜等中有广泛的应用,其光学常数严重影响着膜系的特性。在室温条件下,采用电阻热蒸发技术分别在硅和玻璃基底上沉积5.3 nm~26 nm不同厚度的极薄银薄膜,用TalySurfCCI非接触式轮廓仪测量了薄膜的厚度,研究了不同厚度银薄膜的光学常数n和k。镀制厚度5.3 nm、7.9 nm、14.1 nm、26.0 nm的银薄膜,结果显示极薄银的光学常数与块状银光学常数不同,当膜厚小于14.1 nm时,折射率n在380 nm~600 nm随波长增加而增加,在600 nm~1 600 nm随波长增加缓慢减小至趋于稳定值2.6;消光系数k在380 nm~500 nm随着波长增加而增加,在500 nm~1 600 nm随波长增加而缓慢减小至趋于0不变;当膜厚大于14.1 nm时,折射率随波长增加而增加,消光系数随波长近似呈线性增加。整体上,膜厚增加时折射率减小且趋于块状银的折射率,k随厚度增加而增加并最终趋于块状膜。用此拟合的光学常数代入TFc膜系设计软件计算其透射率,发现与分光光度计测得的透射率吻合较好。     

椭偏仪测薄膜厚度实验存在的问题

薄膜科学与技术是当前高科技中的一个领域,在目前各高等院校开设的近代物理实验课程中均有用反射型椭偏仪测量薄膜厚度及折射率的内容。然而,本实验内容的安排却存在一个问题,只能确定膜厚在第一周期以内的值而不能由实验数据本身确定膜厚的周     

UBMS技术制备DLC薄膜的光学常数椭偏分析

采用宽光谱变角度椭圆偏振仪对非平衡磁控溅射（UBMS）技术沉积的类金刚石（DLC）薄膜的光学常数进行了测量与分析。在建立模型时,根据DLC薄膜成膜特性,分析和调整了模型结构;综合考虑了表面粗糙度、薄膜与基底表面及界面因素对测试结果的影响,将表面层和界面层分离出来,并采用有效介质方法对它们的影响作了近似处理。结果表明：硅基底上采用UBMS技术制备DLC薄膜的椭偏数据,经该模型拟合后均方误差（MSE值）从37.39下降到4.061,提高了测量精度。     

合金钢材料光学常数的椭偏测量及其修正

用椭偏法测量了入射光波长0.632μm、入射角50°至85°时某合金钢的光学常数。考虑材料表面的粗糙度,用Ohlidal-Lukes理论对所测光学常数值进行修正,发现椭偏参量的修正量随入射角增大而增大。结果表明,用椭偏法测量合金钢光学常数时采用较小入射角能获得更精确的样片光学常数。     

紫外可见吸收光谱仪与椭偏测厚仪联用测量透明光电子薄膜的厚度

采用椭偏测厚仪测量薄膜的折射率,用来修正紫外可见吸收光谱仪极值法测量膜厚的数据.通过制备掺铝氧化锌(ZAO)薄膜及SEM断口观察进行实验验证,证实该修正方法有助于提高膜厚测量精度.联用这2种常规仪器,可以方便地获得0~20μm宽范围的透明光电子薄膜的厚度,数据采集与处理简单快捷,可满足大部分薄膜工艺研究和生产的需要.     

不同厚度溅射Ag膜的微结构及光学常数研究

用直流溅射法在室温Si基片上制备了4．9nm-189.0nm范围内不同厚度的Ag薄膜，并用X射线衍射及反射式椭偏光谱技术对薄膜的微结构和光学常数进行了测试分析。结构分析表明：制备的Ag膜均呈多晶状态，晶体结构仍为面心立方；随膜厚增加薄膜的平均晶粒心潮6．3nm逐渐增大到14．5nm；薄膜晶格常数均比标准值（0．40862nm)稍小，随膜厚增加，薄膜晶格常数由0．40585nm增大到0.40779nm。250nm-830nm光频范围椭偏光谱测量结果表明：与Johnson的厚Ag膜数据相比，我们制备的Ag薄膜光学折射率n总体上均增大，消光系数k变化复杂；在厚度为4．9nm-83.7nm范围内，实验薄膜的光学常数与Johnson数据差别很大，厚度小于33．3nm的实验薄膜k谱线中出现吸收峰，峰位由460nm红移至690nm处，且其对应的峰宽逐渐宽化；当膜厚达到约189nm时，实验薄膜与Johnson光学常数数据已基本趋于一致。     

椭偏透射法测量氢化非晶硅薄膜厚度和光学参数

针对多角度椭偏测量透明基片上薄膜厚度和光学参数时基片背面非相干反射光的影响问题,报道了利用椭偏透射谱测量等离子增强化学气相沉积法(PECVD)制备的a-Si:H薄膜厚度和光学参数的方法,分析了基片温度T_s和辉光放电前气体温度T_g的影响.研究表明,用椭偏透射法测量的a-Si:H薄膜厚度值与扫描电镜(SEM)测得的值相当,推导得到的光学参数与其他研究者得到的结果一致.该方法可用于生长在透明基片上的其他非晶或多晶薄膜. 关键词： 椭偏测量 透射法 光学参数 氢化非晶硅薄膜     

金刚石薄膜的红外椭圆偏振光谱研究

采用红外椭圆偏振光谱对微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）和热丝化学气相沉积法（H-FCVD）制备的金刚石薄膜在红外波长范围（2.5—12.5μm）的光学参数进行了测量.建立了不同的光学模型，且在模型中采用Bruggeman有效介质近似方法综合考虑了薄膜表面和界面的椭偏效应.结果表明，MPCVD金刚石膜的椭偏数据在模型引入了厚度为77.5nm的硅表面氧化层、HFCVD金刚石膜引入879nm粗糙层之后能得到很好的拟合.最后对两种模型下金刚石薄膜的折射率和消光系数进行了计算，表明MPCVD金刚石薄膜的红外 关键词： 金刚石薄膜 红外椭圆偏振光谱 光学参数 有效介质近似     

Thermally tunable optical constants of vanadium dioxide thin films measured by spectroscopic ellipsometry

Smart materials with reversible tunable optical constants from visible to near-infrared wavelengths could enable excellent control over the resonant response in metamaterials, tunable plasmonic nanostructures, optical memory based on phase transition and thermally tunable optical devices. Vanadium dioxide (VO₂) is a promising candidate that exhibits a dramatic change in its complex refraction index or complex dielectric function arising from a structural phase transition from semiconductor to metal at a critical temperature of 70 °C. We demonstrated the thermal controllable reversible tunability of optical constants of VO₂ thin films. The optical/dielectric constants showed an abrupt thermal hysteresis which confirms clearly the electronic structural changes. Temperature dependence of dielectric constants as well as optical conductivity of sputtered VO₂ thin films was also reported and compared to previous theoretical and experimental reports.     

Improved SPR technique for determination of the thickness and optical constants of thin metal films

A novel method with single-wavelength light is developed to determine the optical constants and the thickness of a thin metal film. It bases on a new geometry that consists of a coupling prism, a transparent coating layer directly deposited onto the prism base, a thin metal film to be detected, and the air. The attenuated total reflection technique is employed in our configuration to excite two different kinds of surface plasmon waves simultaneously. As a result, the reflection curve shows two obvious surface plasmon resonant dips. Using the Chen's et al. (Opt. Soc. Am. 71 189, 1981) method, we can obtain two sets of () and thickness of the thin metal film through one resonant dip (surface plasmon), then the real value can be determined through the other resonant dip (modified long-range surface plasmon). Compared to conventional double wavelength method and the double-medium technique (Yang et al. Appl. Opt. 27 11, 1988), the present single-scan method avoids both the ambiguity of different conditions caused by two-scan technique, and the dispersion problem with different light wavelength.     

磁控溅射不同厚度银膜的微结构及其光学常数

用直流溅射法在室温K9玻璃基底上制备了8.2nm—107.2nm范围内不同厚度的Ag薄膜，并用X射线衍射及计算机辅助优化程序对薄膜的微结构和光学常数进行了测试分析. 结构分析表明：制备的Ag薄膜均呈多晶状态，晶体结构均呈面心立方；随着膜厚的增加，薄膜的平均晶粒尺寸逐渐增大，晶面间距逐渐减小. 计算机辅助优化编程计算的薄膜光学常数分析表明：在波长550nm处，当膜厚小于17.5nm时，随着膜厚的增加，折射率n快速减小，消光系数k则快速增大；当膜厚大于17.5nm时，n和k逐渐趋于稳定. 关键词： 直流溅射镀膜 银膜 微结构 光学常数     

The accuracies of photometric, polarimetric and ellipsometric methods for the optical constants of thin films

The inherent accuracies of various techniques for determining the optical constants of thin films have been assessed by computing the errors produced in n and k by known experimental errors in the optical functions being measured. The results are presented as arrays of error parallelograms in the n–k plane covering d/λ from 0.001 to 0.20 and θ from 5° to 85°.The largest regions of accuracy, in the form of annular quadrants, were obtained using the mixed photometric and polarimetric functions at small angles of incidence. Ellipsometry gives similar results at large angles of incidence but for photometry and for polarimetry the accurate regions were in the form of two lobes.The effects of errors in x and θ were also considered.     

La掺杂浓度对PLZT薄膜红外光学性质的影响

采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了不同La掺杂浓度PLZT(x/40/60)薄膜- x射线衍射分析表明制备的PLZT(x/40/60)薄膜是具有单一钙钛矿结构的多晶薄膜- 通过红外椭圆偏振光谱仪测量了波长为2-5—12-6μm范围内PLZT薄膜的椭偏光谱，采用经典色 散模型拟合获得PLZT薄膜的红外光学常数，同时也拟合获得PLZT薄膜的厚度- 随着La掺杂浓 度的增大，折射率逐渐减小- 而消光系数除PLZT(4/40/60)薄膜外，呈现逐渐增大的趋势- 分析表明这些差异主要与PLZ 关键词： PLZT薄膜 红外光学性质 红外椭圆偏振光谱     

Thickness dependence of the optical constants of oxidized copper thin films based on ellipsometry and transmittance

Thin oxidized copper films in various thickness values are deposited onto quartz glass substrates by electron beam evaporation. The ellipsometry parameters and transmittance in a wavelength range of 300 nm–1000 nm are collected by a spectroscopic ellipsometer and a spectrophotometer respectively. The effective thickness and optical constants, i.e.,refractive index n and extinction coefficient k, are accurately determined by using newly developed ellipsometry combined with transmittance iteration method. It is found that the effective thickness determined by this method is close to the physical thickness and has obvious difference from the mass thickness for very thin film due to variable density of film.Furthermore, the thickness dependence of optical constants of thin oxidized Cu films is analyzed.