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     

薄膜椭偏测量的自适应混合反演算法

基于梯度的线性反演方法计算效率高,基于随机扰动的模拟退火方法寻找最优解能力强针对薄膜椭偏测量的多极值问题,综合两者的优点,提出一种求解薄膜椭偏测量问题的混合反演算法.模型每次扰动采用线性寻优方法搜寻局部最优解,叠代过程中采用均匀设计的模拟退火方法随机搜寻模型,使该算法有跳出局部最优解的能力,可以在较少的叠代次数内搜寻到全局最优解,从而提高求解薄膜椭偏测量非线性反演方法的计算效率.对反演过程控制参数进行讨论,该算法具有自适应的特点.计算表明,该算法可有效求解薄膜椭偏测量的多极值问题.     

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。     

与消光式兼容的光度椭偏仪的原理

在PQSA式消光型椭偏仪基础上,把原来方位固定的1/4波片改为旋转波片就可以构成与消光式兼容的新型光度椭偏仪。本文讨论了这种光度椭偏仪的工作原理和计算公式。理论分析指出,这是一种完全的椭偏仪,能唯一地确定的符号,并在测量线偏光的时精度不会下降。文中还报告了进行原理性实验的结果。     

过滤电弧沉积非晶金刚石薄膜的光谱椭偏研究

为了深入理解过滤阴极电弧沉积非晶金刚石薄膜的光学性质,利用光谱椭偏仪研究了薄膜光学常数随测试偏振光波长变化的谱学关系,进而分析了薄膜折射率、消光系数和光学带隙与沉积能量之间的变化规律。实验表明,非晶金刚石薄膜的折射率高于金刚石晶体的折射率,薄膜的吸收光谱在高吸收区可以用抛物线型函数描述,并由此计算Tauc带隙。随着波长向红外延伸,非晶金刚石薄膜的消光系数渐次降低并趋近于零,光学常数因沉积能量变化而实现的调整幅度也逐渐缩小。随着衬底偏压的增加,折射率和光学带隙都是先升高后减小,并在负偏压为80 V时有最大值;而消光系数却是先减小再升高,在负偏压为80 V时有最小值。     

现代椭偏光谱学的回顾与展望

本文回顾了独具特色的椭偏光谱学近一个世纪的历史发展,综述了椭偏光谱学的应用现状,指出了其前研究领域,并对这一古老又年轻的光谱学分支作了展望。     

用椭偏术研究与接触介质有关的贵金属的介电函数

为了研究接触介质对金属光学性质的影响，实验中使用具有不同折射率的梯形棱镜作为衬底，将金和银蒸发到棱镜底部，用椭偏术分别测量了薄膜在金属-空气、金属-衬底界面的介电函数.结果表明：无论在Drude区，还是在带间跃迁区，金属-衬底界面处薄膜介电函数不仅与金属-空气界面处的测量值不同，而且随衬底折射率改变而改变.在固体接触条件下获得的结果与其他作者在液体接触条件下获得的结果相一致，但尚难被现有机制所解释. 关键词：     

纳米厚度薄膜外差椭偏测量技术的研究

结合激光外差干涉法和透射式椭偏测量原理,研究了一种快速、高精度测量纳米厚度薄膜光学参数的方法。计算并分析了复灵敏度因子随薄膜参数和入射角度的变化规律、椭偏参数的选择及容许测量误差。两个声光调制器产生20kHz的拍频,采用简单的直接比相方法即可获得优于0.1°的相位分辨率,而且测量系统中没有使用任何波片和运动部件,抗干扰能力强且测量过程完全自动化,适用于工业现场在线连续测量。实验数据和理论分析表明,此方法可以达到亚纳米级测量精度。     

椭偏法测厚及折射率的计算机解算

WJZ型多功能激光椭圆偏振仪是在JJY型分光计上附加激光椭偏装置而组成。兼有分光计和椭偏仪的功能,可用于测量不同基底上介质薄膜的厚度和折射率;除作为高校中级物理实验外,亦可用于材料表面光学参数的分析研究。但是,与原椭偏装置相配用的椭偏仪数据表,只能适用于K_q基底上生长的氧化锆薄膜标准试样,这就实际上限制了椭偏仪的使用范围;另一方面,即使对上述标准试样测量,所获数据往往与数据表提供的数值偏离甚大,直接影响实验效果。经过多次实际试验,本文分析了三相椭偏方程解的特性,讨论了不同条件下椭偏法测厚及折射率的计算机解算。     

Effect of oxygen partial pressure on the structural and optical properties of ZnO film deposited by reactive sputtering

Effects of variation of the oxygen partial pressure on the structural and optical properties of zinc oxide (ZnO) thin films prepared by reactive radio-frequency sputtering were investigated. Measurements by X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM) indicated that the crystallinity and the surface morphology were sensitive to the oxygen partial pressure. The interfacial and optical properties of the targeted films were investigated by spectroscopic ellipsometry (SE) characterization. Based on Tauc-Lorentz (TL) model, the optical constants of ZnO films were tentatively extracted in the photon energy ranging from 1.5 to 6.0 eV. Analyses by XRD and SE revealed that the oxygen partial pressure had effect on the orientation of the ZnO films, the surface morphology, the packing density, and the interfacial layers. And the relationship between crystallinity and interfacial layer, as well as the relationship between surface roughness and packing density was discussed. All these had a significant impact on the optical properties illustrated by SE analysis.     

Ellipsometric analysis and optical absorption characterization of gallium phosphide nanoparticulate thin film

Gallium phosphide (GaP) nanoparticulate thin films were easily fabricated by colloidal suspension deposition via GaP nanoparticles dispersed in N,N-dimethylformamide. The microstructure of the film was performed by x-ray diffraction, high resolution transmission electron microscopy and field emission scanning electron microscopy. The film was further investigated by spectroscopic ellipsometry. After the model GaP+void|SiO₂ was built and an effective medium approximation was adopted, the values of the refractive index n and the extinction coefficient k were calculated for the energy range of 0.75 eV-4.0 eV using the dispersion formula in DeltaPsi2 software. The absorption coefficient of the film was calculated from its k and its energy gaps were further estimated according to the Tauc equation, which were further verified by its fluorescence spectrum measurement. The structure and optical absorption properties of the nanoparticulate films are promising for their potential applications in hybrid solar cells.     

氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究

用溅射法在Si片上制备了厚度为140nm的氧化铟锡(ITO)薄膜。X射线衍射研究表明所制备的薄膜为多晶结构。在1.5~4.5eV范围内对ITO薄膜进行了椭偏测量。分别用德鲁德-洛伦茨谐振子(Drude Lorenz oscillators)模型、层进模型结合有效介质近似模型对椭偏参量ψ、Δ进行了拟合,得到ITO薄膜的折射指数n的变化范围在1.8~2.6之间,可见光范围内消光系数k接近于零,在350nm波长附近开始明显变化,且随着波长的减小k迅速增加。计算得到直接和间接光学带隙分别是3.8eV和4.2eV。并在1.5~4.5eV段给出一套较为可靠的、具有实用价值的ITO介电常量和光学常量。     

Optical properties of aluminum-doped zinc oxide films deposited by direct-current pulse magnetron reactive sputtering

A series of （103）-oriented aluminum-doped zinc oxide （AZO） films were deposited on glass substrates via direct- current pulse magnetron reactive sputtering at different O2-to-Ar gas flow ratios （GFRs）. The optical properties of the films were characterized using the fitted optical constants in the general oscillator model （which contains two Psemi-Tri oscillators） through the use of measured ellipsometric parameters. The refractive index dispersion data below the interband absorption edge were analyzed using a single-oscillator model. The fitted optical energy gap obtained using the single- oscillator model clearly shows a blue shift, followed by a red shift, as the GFR increases from 0.9/18 to 2.1/18. This shift can be attributed to the change in the free electron concentration of the film, which is closely related to the film stress. In addition, the fitted β value indicates that the AZO film falls under the ionic class. The pbotoluminescence spectrum indicates a photoluminescence mechanism of the direct and wide energy gap semiconductor.     

Spectroscopic ellipsometric study of the optical properties of Ag2O film prepared by direct-current magnetron reactive sputtering

The Ag2O film, as-deposited by direct-current magnetron reactive sputtering at a substrate temperature of 150℃, clearly shows a preferential orientation (111), and is capable of lowering the threshold value of the thermal decomposition temperature to about 200℃, which is helpful to its application in optical and magneto-optical storage. This paper fits its optical constants in terms of a general oscillator model by using measured ellipsometric parameters. The fitted oscillator energy 2.487 eV is close to the optical direct interband transition energy value of the Ag2O film determined by Tauc equation; whereas, the fitted oscillator energy 4.249 eV is far from the fitted plasma oscillator energy 4.756 eV by single-oscillator energy. The photoluminescence spectrum centred at about 2.31 eV indicates a direct-energy gap photoluminescence mechanism of the Ag2O film.     

溅射功率对金属锰膜光学性质的影响

采用磁控溅射方法在Si（111）基片上制备金属锰膜,用椭圆偏振光谱在入射光子能量为2.0–4.0 eV范围内研究了溅射功率对薄膜光学性质的影响. 利用德鲁得-洛伦兹色散模型对椭偏数据进行拟合,结果表明在测量范围内随溅射功率增加薄膜的折射率减小;消光系数随入射光子能量增加先增加后减小,在3.0 eV附近处出现极大值,并且极大值所处的位置随溅射功率增加而向低能方向移动,这主要与溅射沉积的锰薄膜的质量有关,且随溅射功率的增加薄膜的消光系数逐渐趋近于金属锰的数值. 研究结果还表明溅射功率的增加减少了薄膜中的空隙,有利于薄膜的生长. 关键词： 磁控溅射 金属锰膜 椭圆偏振光谱 德鲁得-洛伦兹色散模型     

椭圆偏振技术研究VHF-PECVD高速沉积微晶硅薄膜的异常标度行为

采用VHF-PECVD技术高速沉积了不同生长阶段的微晶硅薄膜,通过椭圆偏振技术研究了生长过程中微晶硅薄膜表面粗糙度的演化.实验结果表明,沉积气压P_g=300 Pa时,β=0.81,其超出标度理论中β最大值为0.5范围,出现异常标度行为.这表明微晶硅薄膜高速生长中还存在其他粗糙化增加的因素,此粗糙化增加的因素与阴影作用有关. 关键词： 微晶硅薄膜 椭偏光谱法 生长机制 表面粗糙度     

射频磁控反应溅射制备的Ag2O薄膜的椭圆偏振光谱研究

Ag₂O薄膜在新型超高存储密度光盘和磁光盘方面具有潜在的应用前景.利用射频磁控反应溅射技术, 通过调节衬底温度在沉积气压为0.2 Pa、氧氩比为2:3的条件下制备了一系列Ag₂O 薄膜.利用通用振子模型(包括1个Tauc-Lorentz振子和2个Lorentz 振子)拟合了薄膜的椭圆偏振光谱.在1.5-3.5 eV能量区间,薄膜的折射率在2.2-2.7之间, 消光系数在0.3-0.9之间. 在3.5-4.5 eV能量区间,薄膜呈现了明显的反常色散,揭示Ag₂O薄膜的等离子体振荡频率在 3.5-4.5 eV之间. 随着衬底温度的升高,薄膜的光学吸收边总体上发生了红移, 该红移归结于薄膜晶格微观应变随衬底温度的升高而增大. Ag₂O薄膜的光学常数表现出典型的介质材料特性.     

SiO2和HfO2薄膜光学性能的椭偏光谱测量

结合XRD和原子力显微镜等方法,利用椭圆偏振光谱仪测试了单层SiO2薄膜（K9基片）和单层HfO2薄膜（K9基片）的椭偏参数,并用Sellmeier模型和Cauchy模型对两种薄膜进行拟合,获得了SiO2薄膜和HfO2薄膜在300-800nm波段内的色散关系。用X射线衍射仪确定薄膜结构,并用原子力显微镜观察薄膜的微观形貌,分析表明：SiO2薄膜晶相结构呈现无定型结构,HfO2薄膜的晶相结构呈现单斜相结构;薄膜光学常数的大小和薄膜的表面形貌有关;Sellmeier和Cauchy模型较好地描述了该波段内薄膜的光学性能,并得到薄膜的折射率和消光系数等光学常数随波长的变化规律。