（光学专业论文）制备条件对tio2薄膜光学特性影响的研究.pdf

曲阜师范人学硕一f ：研究毕业学位论文 摘要 随着科学技术日新月异的发展和薄膜产业的腾飞，不同的需要对薄膜技术和薄膜材料 提出了各种各样的要求。为了确定薄膜的性质，人们提出了各种各样的研究方法和测试手 段，椭偏测量因其具有很高的测量灵敏度和精度，广泛应用于光学薄膜性能的研究。 本文从研究制备条件对非晶态t i 0 2 薄膜的透射率及光学参数的影响出发，利用分光光 度计测量薄膜的透射率：椭圆偏振光谱仪作为确定薄膜光学参数的测试仪器。详细研究了 采用递进式拟合法对提高椭偏参数拟合精度；对采用n a f 色散模型对非晶念t i 0 2 薄膜进 行椭偏建模的合理性；以及不同制备条件对非晶态t i 0 2 薄膜光学特性的影响。其研究方法 和结果为利用椭圆偏振光谱仪确定薄膜的光学参数，以及制备高折射率的非晶态t i 0 2 光学 薄膜均具有实际的应用价值。全文主要包括以下四部分： 第一章绪论部分，对薄膜材料的应用和技术的发展，以及常用的几种确定薄膜材料光 学常数的方法就行了概述，并对本论文的工作进行了说明。 从第二章到第四章是本论文的核心部分。在第二章中，对非晶态t i 0 2 光学薄膜样品的 制备( 成都产z z s 6 3 0 真空镀膜机) 以及测试设备( 日本产岛津u v 31 0 1 p c 分光光度计和 法国产u v i s e l 椭圆偏振光谱仪) 进行了概述，并详细描述了薄膜样品的制备和性能测试 步骤以及注意事项。 在第三章中，对利用椭圆偏振光谱仪确定薄膜的光学参数的实验数据拟合阶段，以 s i 0 2 和t i 0 2 光学薄膜为例，详细研究了递进式拟合方法对椭偏参数拟合精度的提高，采用 该方法，使得均方差z 2 越来越小，从而得到薄膜光学参数更为准确。在椭偏建模阶段，选 用n a f 色散模型，对非晶态t i 0 2 薄膜进行椭偏建模，通过与c a u c h y 色散模型的拟合结果 进行对比，从而证明了选用n a f 色散模型的合理性。 在第四章中，研究了制备条件对非晶态t i 0 2 薄膜光学特性( 透射率及光学参数) 的影 响。基底温度和工作气压对非品态t i 0 2 薄膜光学特性的影响主要表现为： 1 、非晶态t i 0 2 薄膜的透射光谱随着基底温度的升高而降低，且极值点向短波方向漂移， 这说明薄膜的折射率随着基底温度的升高而增大。这种现象在椭偏仪的拟合结果得到了很 好的证明。 2 、 非晶态t i 0 2 薄膜的透射光谱随着工作气压的降低而降低，极值点也存在向短波方向 的漂移，这说明随着工作气压的降低薄膜折射率增大。且这种现象也在椭偏仪的拟合结果 中得到了证明。 因此，要获得大折射率的非晶态t i 0 2 光学薄膜可以通过升高基底温度或降低工作气压来制 备。 关键词：薄膜光学；椭圆偏振法；t i 0 2 薄膜；光学常数；透射率 曲申师范人学硕一卜研究毕业学位论文 a b s t r a c t 2 一 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n df i l mi n d u s t r y , d i f f e r e n tn e e d s h a db r o u g h tf o r w a r dt ot h ef i l mt e c h n o l o g ya n df i l mm a t e r i a lf o ra l lk i n d so fr e q u i r e m e n t s i n o r d e rt od e t e r m i n et h ep r o p e r t i e so ff i l m ，a l lk i n d so fr e s e a r c hm e t h o d s a n dt e s tm e a n sh a db e e n b r o u g h tf o r w a r d ，e l l i p s o m e t r yh a sh i g ht e s t i n gs e n s i t i v i t ya n da c c u r a c y ，w i d e l yu s e di nr e s e a r c h t h ep r o p e r t i e so ft h i nf i l m s t u d yf r o mt h ee f f e c to ft h ep r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so nt r a n s m i t t a n c ea n do p t i c a lp a r a m e t e r s o fa m o r p h o u st i 0 2f i l m ，t r a n s m i r a n c ea n do p t i c sp a r a m e t e r so ft h i nf i l ma r et e s t e db ys h i m a z u u v 一3101p cs p e c t r o p h o t o m e t e ra n dj o b i n y v o nu v i s e ls p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y , r e s p e c t i v e l y t h ep r o g r e s s i v ef i r i n gm e t h o di su s e dt oi m p r o v et h ee l l i p t i c a lp o l a r i z a t i o np a r a m e t e r sf i t t i n g a c c u r a c y ，a n a l y s i so fr a t i o n a l i t yo fan e wp h y s i c a lm o d e li sb a s e do nn e wa m o r p h o u sf o r m u l a ( n a f ) a n dt h ee f f e c to ft h ep r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so nt r a n s m i t t a n c ea n do p t i c a lp a r a m e t e r so f a m o r p h o u st i 0 2f i l ma r ed e t a i l e d l ys t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y t h i sw o r kh a sp r a c t i c a lv a l u ei nu s i n g s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r yo b t a i nt h eo p t i c a lp a r a m e t e r s ，a n dp r e p a r eh i g hr e f r a c t i v ei n d e xo f a m o r p h o u st i 0 2f i l m t h et h e s i si n c l u d e sf o u rc h a p t e r sa sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，i n t r o d u c t i o n st ot h ea p p l i c a t i o no ft h ef i l mm a t e r i a l ，t h ed e v e l o p m e n to ft h e f i l mt e c h n o l o g y , a n ds e v e r a lm e t h o d st od e t e r m i n et h eo p t i c a lc o n s t a n t so ff i l mm a t e r i a la r e e s t a b l i s h e d t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i si sa l s oi n v o l v e d c h a p t e r2 ，c h a p t e r3a n dc h a p t e r4a r et h em a i nb o d yo ft h et h e s i s i nc h a p t e r2 ，w e i n t r o d u c et h ei n s t r u m e n t si nt e s t i n ge x p e r i m e n ta n dt h ep r e p a r a t i o no fa m o r p h o u st i 0 2f i l m d e p o s i t e db ye l e c t r o n b e a me v a p o r a t i v ed e p o s i t i o n t h e nw ed i s c u s st h es t e p so fp r e p a r a t i o n s a n dp e r f o r m a n c et e s ta n dt h e s ep o i n t sf o ra t t e n t i o n i nc h a p t e r3 ，t h ep r o g r e s s i v ef i t t i n gm e t h o di sp r e s e n t e dw e l li nf i t t i n ge l l i p s o m e t r i cd a t at o t h ef i l m so p t i c a lp a r a m e t e r st a k ee x a m p l e so ft i 0 2a n ds i 0 2f i l m s i tp r o v e st h a tt h ep r o g r e s s i v e f i t t i n gh a dm e t h o dm i n i m i z e dt h ev a l u eo ft h er e s i d u ep a r a m e t e rz 2 ，w h i c hw a su s e dt od e s c r i b e h o wc l o s et h eg e n e r a t e dd a t af i tt ot h ee x p e d m e n t a lo n e s i no t h e rw o r d s ，t h eo p t i c a lp a r a m e t e r s o ft h ef i l m sg o tb yt h em e t h o da r em o r ea c c u r a t e l y a tt h es t a g eo fm o d e le s t a b l i s h m e n tf o r e l l i p t i c a lp o l a r i z a t i o np a r a m e t e r st a k et i 0 2f i l ma se x a m p l e ，an e wp h y s i c a lm o d e li sb a s e do n n e wa m o r p h o u sf o r m u l a ( n a f ) ，w h i c hi sp r e s e n t e dw e l li nf i t t i n gs p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r i c d a t at ot h ef i l mo p t i c a lp a r a m e t e r s a tt h es a m et i m e ，c a u c h ym o d e lw a sa p p l i e dt ot e s tt h er e s u l t o ft h i sn e wm o d e l t h e r e f o r e ，n a fd i s p e r s i o nf o r m u l ac o u l db ea p p l i e dt od e s c r i b et h et i 0 2 o p t i c a lt h i nf i l m i nc h a p t e r4 ，w es t u d yt h ee f f e c to ft h ep r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so nt r a n s m i t t a n c ea n do p t i c a l p a r a m e t e r so fa m o r p h o u st i 0 2f i l m i n f l u e n c eo fs u b s t m t et e m p e r a t u r ea n dw o r k i n gp r e s s u r eo n 曲申师范人学硕l 研究毕业学位论文 3 一 t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft i 0 2f i l ma sf o l l o w s ： 1 、a ss u b s t r a t et e m p e r a t u r er i s i n g ，t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo ft i 0 2f i l mg r a d u a l l yd e c r e a s e ， a n di t se x t r e m ep o i n t sa lem o v e dt ot h es h o r tw a v ed i r e c t i o n ，廿1 i sf u l l ye x p l a i n st h a t t h e r e f r a c t i v ei n d e xo ft h ef i l mi si n c r e a s e d 、 r i t ht h es u b s t r a t et e m p e r a t u r er i s i n g t h e s ep h e n o m e n a a l ep r o v e dw e l li nt h er e s u l t so fe l l i p s o m e t r y 2 、w i t ht h ew o r k i n gp r e s s u r ed e c r e a s i n g ，t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u m so ft i 0 2f i l mg r a d u a l l y d e c r e a s e ，a n di t se x t r e m ep o i n t sa l ea l s om o v e dt ot h es h o r tw a v ed i r e c t i o n ，i t ss h o w st h a tt h a t t h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ef i l mi si n c r e a s e dw i t hw o r k i n gp r e s s u r ed e c r e a s i n g a n dt h e s e p h e n o m e n aa r ea l s op r o v e dw e l li nt h er e s u l t so fe l l i p s o m e t r y t h e r e f o r e ，h i g hr e f r a c t i v ei n d e xo fa m o r p h o u st i 0 2f i l mi so b t a i n e db yi n c r e a s i n gt h e s u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s i n gt h ew o r k i n gp r e s s u r e k e yw o r d s ：f i l mo p t i c a l ；e l l i p s o m e t r y ；t i 0 2f i l m ；o p t i c a lc o n s t a n t s ；t r a n s m i t t a n c e 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“4 ) f 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士论文制备条件 对t i 0 ：薄膜光学特性影响的研究，是本人在导师指导下，在曲阜师 f 范大学攻读博士口硕士凶学位期间独立进行研究工作所取得的成 果。论文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对 本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：设豸 日期：沙7 厶2 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“”) 制备条件对t i 0 ：薄膜光学特性影响的研究系本人在曲阜师范 ， 大学攻读博士口硕士母学位期间，在导师指导下完成的博士口硕 士团洋位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研 究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于 保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的 复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学， 可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或 部分内容。 作者签名：溅劣日期：励罗百2 导师签名：曩扇吧耖仓日期：沙哆占、) - 曲阜师范人学硕士研究毕业学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1薄膜技术的发展及应用口。6 1 薄膜是一种物质形态，可使用的膜材十分广泛，可用单质元素或化合物，也可用无机 材料或有机材料来制作薄膜。薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、多晶态的和单晶态 的。作为特殊形态物质的薄膜，由于成膜过程中晶格的取向、晶粒的大小、杂质浓度、成 份的均匀性以及基底材料、温度、清洁度等因素的影响，使得薄膜的物理性能与块状材料 的物理性能有着诸多的不同，这引起了科研工作者们极为浓厚的兴趣并使之得到了广泛的 应用。薄膜技术己形成一门独立的应用技术，已成为微电子、信息、传感器、光学、太阳 能利用等的技术基础，并广泛渗透到当代科技的各个领域。特别是自上个世纪7 0 年代以 来，薄膜技术得到了突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成 果。薄膜技术和薄膜材料已成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域之一，在新 技术革命中，具有举足轻重的作用。薄膜材料、薄膜技术和表面物理的结合，更是推动了 薄膜产品的全方位开发与应用，近年来正日益发展成门类齐全的薄膜产业。现在，薄膜技 术和薄膜材料除大量用于电子器件和大规模集成电路外，还用于制取磁性膜及磁记录介 质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、光导膜、超导膜、传感器膜、装饰膜以及各种 特殊需要的功能涂层( 膜) 等。从发展趋势来看，人们对薄膜技术和薄膜材料的研究开发 也越来越重视，国内外薄膜产业方兴未艾，我们没有理由不相信它未来的发展将比过去更 激动人心。最早应用薄膜技术的要算光学领域，早在1 8 1 7 年夫琅和费( f r a u n h o f e r ) 就用酸 蚀的方法制成了光学上的减反射膜，1 9 3 0 年由于真空蒸发设备的出现，薄膜就开始大量 地用于光学领域。近代的彩色摄影、彩色电视、激光、太阳能电池、集成光学等都离不开 薄膜技术。甚至可以说，没有光学薄膜，许多现代光学装置便无法发挥应有的效能而失去 作用。无论在提高或降低反射率、吸收率与透射率方面，在使光束分开或合并方面，还是 在滤波方面，以及在使光束偏振和调整位相方面等等，光学薄膜均起着重要的作用。总之， 在光学器件的几乎全部功能方面，薄膜都扮演着关键角色。 1 2 薄膜参数的测试方法 随着科学技术同新月异的发展和薄膜产业的腾飞，各种特殊的需要对薄膜技术和薄膜 材料提出了各种各样的要求。从尺寸上讲，厚度从几纳米到几微米，长度从纳米、微米级 ( 如超大规模集成电路的图形宽度) 到成千上万米( 如磁带) ，有的要求严格控制厚度，有的要 求样品表面尺寸稳定；从成分上讲，包括金属、合金、非金属、半导体、化合物、陶瓷、塑 料，有些对纯度、合金的配比、化合物的组分比有严格的要求；从膜的结构讲，有多晶的、 单晶的、非晶态的、超晶格的、按特定方向取向的；从表面形貌讲，有的对表面凹凸有极 高的要求，如光导膜表面要控制在零点几纳米之内；同时，有的还要求膜层和基体的结合 曲阜师范大学硕十研究毕业学位论文 2 一 十分牢固，膜层质量高，并且对大型的零件、外形复杂的工件都能均匀涂覆等。为了满足 各种不同的要求和制取更高质量的薄膜，精确地测定薄膜的参数非常重要。标志薄膜物理 性能的参数很多，本文所测量的光学薄膜参数主要是薄膜的厚度和折射率以及消光系数。 由于光学薄膜种类的多种多样和其自身的特点，使得光学薄膜参数的测试工作变得异常复 杂。如何精确地测定光学薄膜的参数，一直是薄膜工作者非常关注的课题。过去人们提出 了很多种测试的方法，如外差干涉测量法嘲钏、干涉法呻2 1n 3 制、阿贝勒( a b e l e s ) 方法、光 谱法叭6 m 引、椭圆偏振测量法口m m 5 儿1 6 1 ，等等。这些方法有的只用来测量光学薄膜的厚度， 有的只用来测量薄膜的光学参数，有的可同时测量薄膜的厚度和光学参数，它们各有千秋， 可以满足不同的需要。下面分别作简单介绍： 1 2 1 外差干涉测量法 外差干涉测量法是用相移干涉技术测出两个不同入射角秒下待测薄膜反射光的p 偏振 和s 偏振态的位相差，再代入菲涅尔方程，得到联立方程组： j 红2 囊( 行，豇，q ( 1 - 2 - 1 ) 【唬= 欢( ”，k ，0 2 ) 继而用计算机进行数值分析求出薄膜的光学参数( 玎和k ) 。该方法解决了诸如光源的稳定 性、散射光、内部反射等因素对测量精度的影响，测量装置简单，易操作，测量精度高。 但不能用来测量薄膜的厚度。 1 2 2 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的厚度和折射率的。根 据光干涉条纹方程，对于透明膜，有： ca ? 刀2 ( g + i ) 互而( 1 - 2 - 2 ) 上式中，q 为条纹错位数，c 为条纹错位量，e 为条纹间隔。因此，若测得q 、c 、e 就可以求 出薄膜的折射率n 或厚度d 。 干涉法主要分为双光束干涉和多光束干涉，后者又有多光束等厚干涉和等色序干涉。 双光束干涉仪主要由迈克耳逊干涉仪和显微镜系统组成，其干涉条纹按正弦规律变化，测 量精度不高，仅为兄1 0 至名2 0 。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膜。一般来说，不能同时确定薄膜的厚度和折射率，只能用其 他方法测得其中一个量。另外，确定干涉条纹的错位纹数q 比较困难，对低反射率的薄膜 所形成的干涉条，对比度低，会带来测量误差，而且薄膜要有台阶，测量过程调节复杂， 容易磨损薄膜表面等，这些都对测量带来不便。 曲阜师范人学硕士研究毕业学位论文 1 2 3a b eie s 方法 a b e l e s 方法( 又称布鲁斯特法) 是基于薄膜的布鲁斯特( b r e w s t e r ) 角来进行测量的，即 基底的一部分镀有薄膜，如能找到一个入射角以，使之从膜表面和基底表面反射的p 偏振 光的反射率相等，就能根据布鲁斯定律求出薄膜的折射率。这个方法的优点在于求薄膜的 折射率时，与薄膜的几何厚度及基底折射率没有关系，其精度主要取决于布鲁斯特角位置 的判定。但这种方法一般只用于测量透明薄膜。 1 2 4 光谱法 光谱法又分反射光谱法和透射光谱法n 们n 。反射光谱法和透射光谱法都是用分光光度 计测出光在垂直入射条件下( 也有用斜入射光的，但一般用垂直入射光，因为此时可不必 考虑光的偏振态) 的反射或透射光谱曲线，然后再结合一些数学工具进行反演计算得出薄 膜的厚度和光学参数。这两种方法均因测试简单，操作方便，精度高而被广泛应用。但在 反射光谱法中利用分光光度计测量反射率时稳定性不好，实验数据不是很精确。这是因为 反射率对薄膜表面条件的依赖性很强，对入射角的变化很敏感。然而在测量透射率时这些 因素的影响要小得多，因为透射率的测量值稳定，测量数据精确。基于上述一些原因，所 以在过去几十年里，更多的报道则是采用透射光谱法n 力n 引。 1 2 5 椭圆偏振测量法 椭圆偏振测量法是通过分析光在被测样品上反射前后偏振状态的变化来测定薄膜的 参数的。该方法的工作原理基于经典的电磁理论，具有原子层级的灵敏度，并有非破坏性、 非扰动性、高灵敏度和高精度等诸多优点。故自这一技术产生以来，人们就在这一领域进 行了大量的研究，且发展迅速。椭偏测量技术在不断地向更高层次发展，发展趋势表现为： 不断提高仪器自动化程度和缩短单次测量时间，对快速工艺过程或变化进行测量；波 长范围不断扩展，分别向长波端和短波端发展；不断向更复杂的对象和更新的应用领域 进军；更多的自动化椭偏仪及实用软件将会不断投入市场，供工艺过程在线检验及其它 研究领域的研究和开发使用。解决椭偏测量术结构模型化和解决数据处理中的多值解问 题，使其得到更为广泛的应用。 1 3 本文研究的主要内容及意义 近年来，人们越来越重视运用椭圆偏振作为测试手段来研究光学薄膜特性。本文在对 国内外有关椭偏光谱仪应用的研究现况进行充分调研后，主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 主要运用j o b i n y v o nu v i s e l 相调制型椭圆偏振光谱仪作为主要的测试手段，岛 津u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计作为辅助测试手段，针对二氧化钛这种典型的光学薄膜，研究了 制备条件对该薄膜光学特性( 主要针对薄膜的光学常数及透射谱) 影响，重点研究了基底 温度和工作气压两个方面的影响。 曲阜师范大学硕上研究毕业学位论文 4 一 ( 2 ) 在椭圆偏振光谱仪的运用阶段，针对提高椭偏参数的拟合精度，提出了递进式拟 合法，能够更精确的获得薄膜的光学参数及几何厚度。 ( 3 ) 针对非晶态二氧化钛光学薄膜，深入研究- n e wa m o r p h o u sf o r m u l a ( n a f ) 色散 公式建立物理模型对确定二氧化钛光学薄膜光学常数的影响，与利用c a u c h y 色散模型所得 到的结果进行对比，从而证明了在椭偏参数拟合中选取该模型是合理的。 曲申师范大学硕i ：研究毕业学位论文 第二章薄膜样品制备及测试 2 1 薄膜样品的制备 目前，薄膜的制备方法很多，如气相生成法、液相生成法( 或气、液相外延法) 、氧 化法、扩散与涂布法、电镀法等等。而每一种方法里面又可以细分为若干种制备方法，参 见表2 1 1 。吲 制l l 物理气相沉积 1 离子束法 方1 法i 离子注入法 l 扩散法丁气相扩散 l 固相扩散 曲阜师范人学硕十研究毕业学位论文 真空室 j l 。放气阀 电子束 斗 i 低阀i 高阀机械泵 堕仁柑 油扩散泵l 预阀 l 光电倍增管 光放大仪 图2 - 1 - 1z z s 6 3 0 真空镀膜机结构简图 ( 2 ) 电子枪系统 电子枪的结构形式有很多种，主要有直式和电磁偏转式两种，其中电磁偏转式又分 为环枪( 电偏转) 和e 形枪( 磁偏转) ，z z s 6 3 0 采用的是e 形电子枪。高速的电子束轰击 膜料时会产生二次电子发射，二次电子轰击薄膜会产生严重的后果，导致膜层结构粗糙， 吸收增加，均匀性变差，并影响半导体材料的特性。直枪和环枪不能够有效的避免二次电 子的影响，而e 形电子枪就能克n - 次电子的影响，所以现在得到了广泛的应用。 e 形电子枪是由于其电子束轨迹成“e ”字形而得名的，又被称为2 7 0 0 磁偏转枪。此 外，1 8 0 0 和2 2 5 0 等形式的电子枪也属于此例。它由阴极灯丝、聚焦极、阳极、偏转磁场、 和无氧铜水冷坩锅组成( 图2 1 2 ) 。从灯丝发生的热电子经阴极与阳极间的高压电场加速 并聚焦，由磁场使之偏转到达蒸发材料表面。由于蒸发材料与阴极是分开的，并单独处于 磁场中，故二次电子因受到磁场的作用而再次发 生偏转，大大减少了向镀制基片发生的几率。 e 形电子枪的聚焦特性主要决定于灯丝、聚 焦极和阳极的相对位置。电子束偏转主要取决于 高压和磁场电流的大小。e 形电子枪能有效的抑 n - 次电子，方便地通过改变磁场大小调节束斑 位置，而且由于采用内藏式阴极，即防止了极间 等离子放电，又避免了灯丝污染。 图2 卜2e 形电子枪结构图 1 、灯丝2 、聚焦极3 、阳极 4 、磁场线圈5 、坩锅 电子束加热可以蒸发高温材料；如果以极大的功率密度实现快速蒸发，可以防止合金 分馏；水冷港的使用，加上蒸发仅发生在材料表面，有效地抑制了坩锅与蒸发材料之间的 反应；而且，由于蒸汽分子动能较大，能够得到比电阻加热法更牢固致密的膜层。 6 一 曲阜师范大学硕士研究毕业学位论文 ( 3 ) 测量控制系统 主要包括真空度的测量，沉积速率控制和膜厚控制等。 真空度的测量依靠的是各种真空计，但是没有一种真空计能够测量整个真空范围，在 不同的真空范围需要选用不同的真空计。真空计按原理和结构不同可分成许多种类，表 2 1 2 列出了其中的一部分。 表2 1 2 几种真空计的特性 7 一 反应时工作压力范围 名称原理精度其他 间( p a ) 作为校正标 u 形管根据液柱差 0 5 托数秒1 0 5 - - , 1 0 2准，与气体种 压强计 测量压强 类无关 作为校正标 麦克劳真空计 根据压缩后的液几几 数分l o 1 0 3 ( 1 0 - 4 )准，不适宜测 ( 压缩真空 柱差测压强 十 计)可凝性气体 皮拉尼真空计 ( 电阻真空利用气体分子的 1 0 以上数秒 1 0 3 1 0 2 计)热传导 ( 1 0 3 ) 灵敏度易变 热电偶真空计 肖鲁斯电离真 1 0 1 0 一2 空计灵敏度因气体 热阴极电离真 利用热电子电离 1 0 - 2 0 1 0 3 秒1 0 - 1 l o 一5 种类而变，对 空计残余气体电极和管壁除 b a 型真空 1 0 1 1 0 一l o 气极为重要 计 磁控放电真空 利用磁场中的放 几十 数秒 1 0 - 5 1 0 2 灵敏度因气体 计( 潘宁真空 电电流数分种类而变 计) 气体放电管 利用气体放电和 1 0 3 1 使用很方便 ( 盖斯勒管)压强相关的性质 沉积速率测量控制较有价值的方法是晶振法。其测量原理是利用石英晶体的压电效 应，将薄膜蒸镀在与振荡电路相连接的石英晶片上，根据石英晶体谐振频率的变化来测量 淀积速率。同时，这种方法也能够用于膜厚的测量控制。 对于光学薄膜来说，最适用的是光学控制方法。常用的方法有极值法和波长调制法。 曲争师范大学硕l ：研究毕业学位论文 1 、极值法 薄膜的透射光或反射光强度是随着薄膜厚的 的变化而变化的，图2 1 3 给出了光在单层膜中 l 的干涉，透射率和光学厚度的关系为： 2 丁= i n 2 = = t 疆2 ( 2 - 1 1 12 刀o + ，一，c o s 兰! ! ! ! ! 竺! a 图2 1 3 光在薄膜中的干涉 其中，t - - t l t 2 ，r - - r l r 2 。由( 2 1 1 ) 式看出，当n l d l 等于l 4 波长的整数倍时，透射率( 或 反射率) 便出现极值。如果我们在光路中置一单色仪或一窄带滤光片，则测量的透射率或 反射率将按针对选定波长的变化。利用蒸发过程中出现极值点的次数可以控制1 4 波长整 数倍膜层。在极值点附近，透射率或反射率对厚度的变化不灵敏，这是该方法原理所固有 的缺陷。 2 、波长调制法 极值控制方法的基本精度是5 左右，如果使用波长调制法，则控制精度能够得到 较大的提高。这个方法测量反射率( 或透射率) 对波长的导数。在极值点，反射率曲线的 导数为零；在极大值情况下，从正值到负值迅速的变化；在极小值的情况下变化则相反。 2 1 27 _ z s 6 3 0 镀膜机的实验操作步骤 。整个镀膜过程可以分为四个阶段：准备工作、抽真空、镀膜、冷却关机。 a 、准备工作： 准备所镀膜料、基底( s i 片及k 9 玻璃) 、比较片； 清洁蒸发室，包括坩锅和钟罩、基底架等； 检查并打开总电源，总水源和总气源； 打开高压直流电源，电流由0 调到4 5 a 左右，预热1 小时； 开光学膜厚控制仪，并将其模拟和数字显示信号调节到所需位置。 b 、抽真空：按照抽真空度的不同，一般分为抽系统真空，抽蒸发室低真空及抽蒸发室高 真空三个阶段。 抽系统真空：主要是抽前级真空系统。真空度不低于1 0 _ 3 帕； 开机械泵3 5 分钟后开预阀3 5 分钟后开扩散泵( 加热1 个小时) 开 放气阀，装入蒸镀工件及蒸发材料，关放气阀，关室门 抽蒸发室低真空：蒸发室真空抽至3 帕( 大约3 分钟) ； 关预阀开低阀开真空计读数到3 帕完成抽低真空 开工件转动装置，调电压到5 0 v 左右； 抽蒸发室高真空，使得本底真空度达到3 5x1 0 3 帕； 曲申_ 币范大学硕十研究毕业学位论文 关低阀开预阀开高阀 2 分钟后开工件烘烤装置，温度设定为2 2 0 0 c 。( 此过程要慢烘烤，慢升温) c 、镀膜( 镀膜过程中要严格按照以下过程进行，注意戴墨镜) 开扫描按钮，调x 位移，电流到0 4 0 5 a 时偏转灯亮； 开枪灯丝按钮，预热2 - - 3 分钟，调节到电流0 5 a ，电压调到5 0 - - - 6 0 v ； 开高压按钮( 遥控盒) ，开通灯盒相序灯亮。高压指示到8 0 0 0 v 左右，电子枪开始工 作； 调电子枪聚焦在坩锅内的膜料上，x 按钮( 遥控盒) 调光斑的前后方向，y 按钮调光 斑的左右方向； 开束流按钮( 遥控盒) ，调至需要的束流( 依膜料而定) ； 开挡板，开始镀膜( 镀膜过程中要注意调节光斑的位置，不要打到坩锅上，同时观察 膜厚控制仪表头的显示，达到极值时要迅速关闭挡板) 。 d 、冷却关机 镀膜完成后不能立刻关机械泵，要冷却一段时间后方可关机( 一般是真空室内温度低 于6 0 度以下) 。 e 、取样品 样品取出后，立刻放入干燥皿中，避免样品吸潮。 2 2 样品透射谱的测量 2 2 1 测试系统简介 样品的透射光谱采用岛津u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计测量，它能够测试固体、液体样品 的透射、反射及吸收光谱。测量范围1 9 0 3 2 0 0 n m ，仪器的基本结构包括光源、单色仪、 样品室、检测器、显示装置五部分。采用双光路测量方式，以使在宽波段上达到自动平衡。 测量系统框图如图2 2 1 所示。 图2 - 2 1 u v 0 31 0 1 p c 光学系统框图 9 一 曲阜师范大学硕十研究毕业学位论文 d 2 ：d e u t e r i u ml a m p w 1 ：h a l o g e nl a m p g1 加3 ：g r a t i n g so f f i r s tm o n o c h r o m a t o r g 4 - - g 6 ：g r a t i n g s2 n dm o n o c h r o m a t o r s 1 ：e n t r a n c es l i t s 2 ：i n t e r m e d i a t es l i t s 3 ：e x i ts l i t w l w 2 ： w 3 ： m l m 1 3 ： r e f s a m ： p b s ： 3 0n md i a w i n d o w sp l a t e s 4 0a md i a w i n d o w sp l a t e s m i r r o r s ( m 11 i sd e t e c t o r s w i t c h i n gm i r r o r ) r e f e r e n c ec e i l s a m p l ec e l l p b ss e i l l o _ 一 具体工作原理为：由氘灯( d 2 ) 或钨灯( w 1 ) 发出的光经过光源转换镜m l 汇聚， 通过一组滤光片，到达一具有固定高度和宽度的狭缝s l 。光源的转换自动进行，其中d 2 灯的范围：1 9 0 n m 转换波长，w 1 的范围：转换波长3 2 0 0 n m 。转换波长在2 8 2 3 9 3 n m 之间任意选定。分光光度计中，每次开启电源，光源转换镜的角度都自动设定在最大光强 位置。白光通过狭缝s 1 ，进入第一个包括由3 块凹面光栅( g 1 - - 4 3 3 ) 的预单色光栅( 详 细参数见表2 2 1 ) ，根据所选波长，其中一块光栅被自动选定，于是光束经g 1 、g 2 或 g 3 衍射，散射到狭缝s 2 ，单色光通过狭逢s 2 ，进入第二个由3 块平面光栅( g 4 - - g 6 ) 组成的主单色器( 详细参数见表2 2 2 ) ，然后进入离轴抛物面反射镜m 2 ，第二单色器光 栅的转换同第一单色器的波长范围。经第二单色器散射的光束被聚焦至出口狭逢s 3 ，从 狭逢出射的单色光束经m 3 反射，进入由m 4 m 6 和一遮光器c h 组成的双光束遮光部分。 在此，光束被遮光器c h 分为样品光束和参考光束( 被斩光器调制为5 0 h z ) ，然后通过样 品到达探测器。进入探测器的光束被光电倍增管p m ( 紫外区到可见光：1 9 0 n m - 8 0 0 n m ) 或硫化铅p b s 光电池( 近红外区8 0 0 n m - 3 2 0 0 n m ) 接收，探测器的转换由m 1 1 选择，转 换波长在7 5 0 n m - 8 9 5 n m 任意选定。系统除光源及转换镜外，所有光学元件的窗口材料( 石 英) 被密封，该材料在整个波长范围内有极好的透光性能。探测器的输出的电信号经放大 滤波等处理进入c p u 进行数据处理，给出测试曲线和结果。 表2 - 2 1预单色光栅详细参数 光栅槽数波长范围 g 1 1 0 0 0 线n m 19 0 n m 一探测器转换波长 g 22 5 0 线n m探测器转换波长一17 7 2 8 n m g 3 2 5 0 线n m 17 7 2 8 n m - 3 2 0 0 n m 表2 - 2 2 主单色光栅详细参数 光栅槽数波长范围 g 4 1 0 0 0 线n m1 9 0 n m 探测器转换波长 g 53 0 0 线n m探测器转换波长- 17 7 2 8 r i m g 63 0 0 线n m17 7 2 8 n m - 3 2 0 0 n m 曲阜师范大学硕1 ：研究毕业学位论文 岛津u v 一3 1 0 1 p c 分光光度计双光路测试的简图如图2 2 2 所示： 、 微 7 u 探 样品 测 器 机 图2 - 2 - 2 双光路测试示意图 2 2 2 实验测试注意事项及步骤 1 利用该仪器操作过程中应注意以下事项： 检查电源拨动开关是否在2 4 0 v 的位置上，确保电源拨动开关处于2 4 0 v 的位置； 打开电源壁上的总开关； 打开lr v - 一3 1 0 1 p c 电源； 打开计算机电源； 系统正常启动后应预热3 0 m i n 后，方可进行测试。确保系统的稳定和测量数据的 精度和准确度； 系统初始化过程中，一定要采用双光路空闲，保证样品室处于关闭状态，保证系统 初始化正常进行，系统初始化完成后，方可进行其他操作； 设备的设置参数不得修改： 测试完毕，关闭电源时，先退出i 一3 1 0 l p c 控制程序，退出w i n 9 x 系统； 关闭u v - - 3 1 0 1 p c 电源，关闭总电源。 2 薄膜透射谱的实验测试步骤： 选用s p e c t r u m 命令，系统进入光谱测量模式。在该模式下可以测量样品的透射， 反射和吸收光谱。该命令主要用来设定测量方式，记录范围，扫描波长的范围，扫描速度， 狭缝宽度，取样间隔等参数值，设定完后，点击o k ： 进行基线扫描，选择b a s e l i n e 按钮； 基线扫描结束后，选择a u t oz e r o 按钮； 放入样品，进行测试，选择s t a r 按钮； 测试结束，系统自动弹出数据保存对话框，保存测试数据，取出样品； 继续测试样品，重复步骤。 以镀制在k 9 光学玻璃上的t i 0 2 薄膜为例：利用岛津u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计测得的 基底( s u b ) 及样品( s a m p l e ) 的透射光谱如图2 2 - 4 所示： 曲阜师范大学硕上研究毕业学位论文 4 0 0 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 2 - 4 样品透射光谱 由于薄膜层的作用，透射光谱曲线规律的波动。 2 3 椭偏仪与椭偏测量术 1 2 _ 一 2 3 1椭偏仪的结构及其主要应用 2 3 1 1 椭偏仪的结构 最常见的椭偏仪有两类布局【7 1 ，一种是p c s a 布局，另一种是p s c a 布局。以p s c a 为例， 其结构如下图所示： 图2 - 3 1p s c a 布局的椭偏仪 其中p 为起偏器，s 为待测光学系统，c 为补偿器，a 为检偏器。只要把p s c a 布局中的s 、c 交换次序就即为p c s a 布局。 印 加 加 。 曲申j 师范人学硕- l - 谚f 究毕业学位论文 2 3 1 2 椭偏仪的主要应用口儿1 钉 1 椭偏仪在薄膜测量中的应用 椭偏测量是研究薄膜光学特性