（光学专业论文）biox和zro2氧化物信息功能薄膜制备及性质研究.pdf

论文题目：b i o x 和z r 0 2 氧化物信息功能薄膜制备及性质研究 焦! 鱼盘堂鱼壬堡鲎瞳塞叠堂鱼墨壁亟 2 0 0 8 届硕士研究生吴遐 指导小组：奎晶劐煎蕉；周堕耋竖；篮良叁筮撞； 塑至叠塾蕉；至拴查耋! 撞； 摘要 本论文主要工作是使用磁控溅射方法制备了一系列金属氧化物功能信息薄膜， 并在此基础上，研究了a g - b i 2 0 3 纳米颗粒复合薄膜的光学性质；分析了a l ，z r 0 2 a l 信息功能薄膜的i v 特征参数，并解释了其工作机制。 a g b i 2 0 3 纳米颗粒复合薄膜的光学性质十分依赖a g 的组分和退火的温度。我 们采用磁控共溅射的方法制备了不同a g 组分的a g - b i 2 0 3 纳米颗粒复合薄膜，并得 到了不同温度下退火的样品应用椭圆偏振光谱术等手段研究了它们在不同退火温 度及组分下的结构和光学性质。对于a g b i 2 0 3 纳米颗粒复合薄膜的光学性质的研究 具有实际的应用价值，具体的物理应用提供了可靠的实验数据及变化规律；系统分 析了该纳米颗粒复合薄膜的光学常数随着金属纳米颗粒组分和热处理温度的变化。 该分析包括两部分：第一，对每次相同退火温度下不同a g 组分的样品进行了光学 常数的测量与比较：第二，对不同退火温度处理下的相同a g 组分的样品进行了光 学常数的测量与比较。通过这两部分的研究分析，我们发现a g - b i 2 0 3 纳米颗粒复合 薄膜的光学性质会随着a g 的组分和退火温度呈现明显的改变，这种改变在经过 5 2 5 以上的退火处理后尤其明显；运用纯银模型和纯氧化铋模型，对镀制的复合薄 膜的光学性质进行了分析和解释。 利用l e y b o l d s p 6 0 0 磁控溅射系统的r f 、d c 靶溅射制备了基于z 巾2 的认m 信息功能薄膜样品。经过研究发现，这种r r a m 信息功能薄膜的结构简单，易于工 业制备，性能稳定，并有较大的高阻低阻比，能在实际应用中提供较大的容错比， h 并且能为未来的多级存储技术提供了一种可靠的解决方案：通过x p s 深度剖析发 现，z r 0 2 材料是符合完全化学计量比的。这种基于完全化学计量比材料的新型信息 功能薄膜能够为工业界如何有效的提高产率提供一种实际的解决方法。在低工作电 压范围内，由于在工作单元中形成了可导通的导电细丝( f i l a m 翩t a r y ) ，器件呈现出 欧姆电阻特性；在高工作电压范围内( v 。“v v 厶) ，器件的导电机制主要是受到 s c h o n k y 效应的影响a 忆r 0 2 ，a l 信息功能薄膜能够产生稳定的开关效应，是由伴 随大电流产生的焦耳热和a l 与z 帕2 薄膜的自发反应造成的。 关键词：信息功能薄膜；光学常数；退火；完全化学计量比；导电机制；开关效应 i i i 摘要 a b s t r a c t as e r i eo f m e 诅lo x i d ei i l f o m a t i o n c t i t l l i i lf i l i n s 唧d e p o s i t c db y s p 眦e r i n gs y s t e mi n 廿l i s 、v o r k n 圮0 p t i c a lc o 雌t a i l 乜o f a g - b i 2 0 3c 啪p o s i t ef i l i 璐 w e r ei n v e s t i g a t e d ；t t l er c s i s t 锄c es w i t c h i l l gc h 撇c t a 凼t i c so fs t o i c h i o m “c2 如 f i l m 锄dt l l es w i t c h i i l gm e c h a n i s mw e i n v 嚣t i g a t e d t h ea g - b i 2 0 3c o i n p o s i t e 矗l i i l sw e p r 印a r e db yu s i n gt h ec o - s p u 曲e r i n g m e t h o d a f t e r 籼e a i i n g a td i 丘- e r e n tt e m p 啪m r e s ，t l l es 锄p l e sw e r c m e a s u r c db ya s p e c h d s c o p i ce l l i p s o m c t 盯 觚das c a l l i l i n ge l e c n o n n l i c r o s c 叩e( s e m ) ， r e s p e c t i v e l y x - r a yd i 丑h c t i o n ( ) s p e c 咖o fb i o xp r 印a r e du n d e rd i 蜘 c o n d i t i o 璐a r e 西v e n a sar e s u kf o r 枷e a i i i l gt 锄p e m t i l r c s 矗o m1 5 0 t o 4 5 0 ，t h eo p t i c a lc o l l s 协n t so f a g b i 2 0 3a r cm a i l l l ya 行c c t c db ya gp a r t i c l es i z c s a th i g l l e rt e m p 咖嘴s ，a gc o n c e f l 仃a t i o n 锄da g g r e g a t i o nh a v ea 蓼e a ti l l l p a c to n t l l e o p t i c a lc o i l s t 锄t s h lt h cm e a m i m e ，t l l en e wp h 硒eo f 口一b i ：o ，( - 0 2 ) a l s o c t r i b u t e st o 廿l ec h a i l g e so f t h eo p t i c a lc o m t 锄t s t h er e s i s t a n c es w “c h i i l gc h a r a c t e r i s t i c so fs t o i c h i 啪e t r i cz r 0 2f i l mw e r e m 髂t i g a t e df o rn o n v o l 砌em e m o 够1 1 1 ea 忆向2 a ld e v i c ep r e s e n t sr c l i a b i e 锄d r 印m d u c i b l cs w i t c h i i l gb e h a v i o r s n eo i l ，o 行r a t i oo f 铆os t a b l es t a t c si sl 鹕e r m 锄2 1 0 3 ni ss u g g c s t e dt h ec u 玎e n t - v o h a g cc h a r a c t e r i s t i c sa r cg o v 锄e db yt h e s c h o t t l 哆c d u c t i o nm e c h a l l i s m i n h i g hv o n a g er e 百o nw h i l et h ef i l a m e m c o n d u c t i o ni ss u g g e s t e di i ll o wv o l t a g er e g i o n t h es w i t c h i n gp r o c e s si sc x p l a i l l e d i nt e f l n so ft h es p o n t 锄e o l l sr e v e r s i b l er e a c t i b 嘶c e ne l e c 仃o d e 锄d ：乙幻2f i l m s w i t ht l l ec o n t r i b u t i o no fj o u l eh e a t i n ge 髓c tb yt 1 1 ee x t 锄a lc u r r e m np m v i d e sa p o s s i b l es o l u t i o nf o rl o wd c v i c cy i e l do f n 一s t o i c h i o m e t r i co x i d c s i l ( e yw o r d s l i n f o 咖a t i f u n c t i 1 1 1 i n f i l m ；o p t i c a lp r o p e r c i e s ； 锄n e a l i n g ； s t o i c h i o m 砌c ；c d u c t i n gm e c h 锄i s m ；s w i t c h i n gb e h a v i 盯 v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：跹同期：笆丑丝：望 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名： 红胁纠 第一章绪论 第一章绪论 进入2 1 世纪，世界正在步入数字化和网络化时代。随着信息时代的到来，人们 日常工作和生活都离不开信息的产生、传输、存储和处理等。高容量和高速度的信 息发展，要求信息技术快速进步以满足这种日益增长的需求。而新材料往往是新技 术的基础和先导，这使得新型的信息功能薄膜成为目前的研究热点。 一方面，新型信息功能薄膜为基础科学提供了丰富的研究对象和研究渠道，例 如，对于金属介电复合信息薄膜材料( 即金属或半导体纳米颗粒镶嵌于介电材料之 中) 的研究。这种机制表现出独特的表面等离子共振现象，相当大的三阶非线性响应， 皮秒级开关效应，以及热稳定和化学稳定性。此类材料在全光开关器件及下一代的 纳米光予学等很多领域有着广阔的应用前景卜。l 。研究表明【4 叫，金属介电材料的性 质和很多因素有关，比如纳米颗粒的尺寸、形状、颗粒间的相互作用以及颗粒与基 质问的相互作用等。表面效应和尺寸效应在纳米材料中起着很重要的作用。金属微 粒在纳米级别时几乎都呈黑色，对可见光的反射率相当低，而介电材料在可见光波 段一般吸收较小，没有明显的吸收峰，例如s i 0 2 在可见光波段可以认为不存在吸收 = o ) 。利用两种材料的不同特性，以金属介电材料为基本骨架的纳米复合材料可 以用来设计可控性的吸收材料以用于不同领域。最近合肥固体物理所的蔡伟平m 等在a l l s i 0 2 复合材料中成功地实现了吸收带的可控移动。同时，利用介电材料可见 光无吸收以及一般贵金属颗粒在可见光区均有明显吸收的特性可以人工控制新材料 k 值，合成新型高k 材料。以往的研究大多关注于金属，介电材料的具体物理应用【州， 而对于材料基本介电常数和光学常数的研究同样重要，这些常数对于表征和应用此 类材料是必不可少的。 另一方面，信息功能薄膜技术可以提供更优质的信息功能材料和器件，满足信 息科学和技术发展所提出的向高效、低功耗、多功能、高集成器件发展的需要，尤 其是为下一代新存储技术的研究和发展，例如，基于信息功能薄膜材料的p o l y m e r r a n d o ma c c e s sm e m o r y ( p o r a m ) 【1 0 1 ，m a g i l e t i cr a i i d 咖a c c e s sm e m o f y ( m r a m ) 【l lj ， f l a s hm e m o 1 2 】和r e s i s t i v er 锄d o m a c c e s sm e m o r y 眦m ) 1 1 3 l ，开辟了广阔的领域。 在众多的新存储技术中，r e s i s t i v er 锄d 伽a c c e s sm 锄o r y ( r r a m ) 具有结构简单、 第一章绪论 低耗能、存储速度快以及集成密度高等优点，不仅如此，l 讯a m 技术还与目前的 c m o s 技术完全兼容。这种新的技术具有巨大的发展潜力，已经在全球范围内引起 了广泛的关注。 砌认m 的信息存储单元在施加脉冲电压后电阻值会产生很大变化( 高达几千 倍) ，而这一阻值在停止施加脉冲后仍能维持。利用信息功能材料在脉冲电压作用下 的高低阻值变化，即可轻松实现信息存储功能。目前应用在l u 认m 技术上的信息功 能薄膜材料主要有多元氧化物，例如s r z 田3 ，p b ( z r o5 2 n n 4 8 ) 0 3 ，( 耽c a ) m n 0 3 等等，以及 二元氧化物，如n i o x 【1 4 】【阍，币0 2 【1 卧【l 町，c u x o 【1 9 捌，h f 0 2 【2 1 】和z 帕2 【2 2 1 等。k k i n o s h i 诅 等【1 4 】采用了p t n i o ，册结构，利用溅射n i 然后在氧气中退火的方法制备了6 0n m 的 n i 0 。层。他们发现这种结构的r r a m 薄膜有稳定的开关效应，而且样品高阻态与低 阻态之间的变化发生在导电细丝的阳级端。s s e o 等【”】利用反应溅射的方法制备了 n i o x ，他们所利用的结构是p t n i o 。，p t 俄，s i 0 2 s i 。他们发现只有在n i o 屈中金属态 的n i 数量足够多，才能引起稳定的开关效应。最近韩国首尔国立大学的c h e o ls c o n g h w 锄g 等利用m o v c d 【1 6 1 、p e v c d 【1 7 和a l d 【1 8 肄实验方法制各了一系列基于t i 0 2 的剐姓m 薄膜。他们不仅发现这种结构的薄膜具有稳定的开关效应( 高电阻与低电 阻之比在l o o o 倍以上) ，而且对这种结构的薄膜进入了深入的研究，研究表明，这种 开关效应主要是由于在外加电场的作用下，啊0 2 层形成了高电导率的导电细丝，薄 膜呈低阻态；而这种导电细丝在一定电压作用下会破裂，薄膜又呈高阻态。他们还 发现这种开关效应受所加的脉冲电压的高低和脉冲时间的长短，以及脉冲电压的功 率的影响。但是与褂认m 技术相关的一些问题还没有得到很好的解决，尤其是r r a m 的导电机制，目前还没有很成熟的理论可以解释。与此同时，对于制备薄膜过程中 的工艺条件和参数以及应用时的外部电压参数的研究也是十分重要的。 2 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 第二章氧化物薄膜制备及性质测量系统介绍 2 1 样品制备系统原理 材料的光学性质很大程度上取决于材料的生长合成条件。即使是研究同种材 料，因为制备手段的不同，其表现出来的宏观光学性质也有很大差别。许多薄膜 材料的制备属于气相固相转变途径。基于气相固相转变的薄膜制备方法主要可 以分为物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 和化学气相沉积( c h e i i l i c a l v a p o rd 印o s i t i o n ) 实际应用最广泛的主要是真空蒸发、溅射( s p u t 矧n g ) 、 金属有机物化学气相沉积( m e t a lo r g a n i cc h e l n i c a lv a p o rd e p o 鲥) 、分子束 外延( m 0 l e c u l a rb e 锄e p i t a ) 【y ) 、激光脉冲沉积( p i l l s e dl 硒e rd e p o s i t i ) 、 分子自组装( m o l e c l l i a fs e l f 雒m b l y ) 、溶胶凝胶( s 0 1 g e lm e l o d ) 等。我们 在实验中主要采用了射频磁控溅射和直流磁控溅射两种方法来制各样品。 所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面( 靶) ，使固体原子( 或分子) 从表 面射出的现象。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且具有方向性。应 用这一现象将溅射出来的物质沉积到基片或工件表面形成薄膜的方法称为溅射 ( 镀膜) 法。溅射法属于物理气相沉积的一种，射出的粒子大多呈原子状态，称 为溅射原子；用于轰击靶的荷能粒子一般为离子，因为离子在电场下易于加速并 获得所需动能，而这些离子都来源予气体放电。 在溅射靶上加的射频电压类的溅射称为射频溅射，它是适用于各种金属和非 金属材料的一种溅射沉积方法。一般来说，在溅射中使用的高频电源频率已属于 射频范围，其频率区间为5 3 0 z 。国际上通常采用的射频频率多为美国联邦 通讯委员会( f c c ) 建议的1 3 5 6 m h z 。 在射频电场的作用下，电子在被阳极吸收之前，能在阴、阳极之间的空间来 回振荡，因而有更多的机会与气体分子产生碰撞电离，因此射频溅射可以在低气 压( 低到2 l o 。2p a ) 下进行。射频溅射的主要特点是可以溅射任何材料。 射频溅射不需要用次级电子来维持放电。但是，当离子能量高达数千e v 时， 绝缘靶上发射的次级电子数量也相当大，又由于靶具有较高负电位，电子通过暗 第二章氧化物薄膜制备及性质测量系统介绍 区得到加速，将成为高能电子轰击基片，导致基片发热，带点并损害薄膜的质量。 为此，需将基片放置在不直接接受次级电子轰击的位置上，或者利用磁场使电子 偏离基片。 磁控溅射是2 0 世纪7 0 年代迅速发展起来的一种高速溅射技术。在磁控溅射 中引入了正交电磁场，使气体的离化率提高了5 一6 ，对许多材料，溅射速 率达到了电子束蒸发的水平。 磁控溅射的原理如图2 。l 所示。 图2 1 磁控溅射原理图 溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速成为高能电子，但他们并不能直 接飞向阳极，而是在电场和磁场的联合作用下进行近似摆线的运动。在运动中高 能电子不断地与气体分子发生碰撞，并向后者转移能量，使之电离而本身成为低 能电子。这些低能电子沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，从而避免 了高能电子对工件的强烈轰击。同时，电子要经过大约上百米的飞行才能到达阳 极，碰撞频率大约为1 0 7 j ，因此磁控溅射的电离效率高。磁控溅射不仅可以得 到很高的溅射速率，而且在溅射金属时还可以避免二次电子轰击而使基板保持接 近冷态，这对使用单晶和塑料基板具有重要意义。 我们在实验中主要利用了德国莱堡光学( l c y b o l do p t i c s ) 公司生产的 l 姬6 0 0 s p 溅射系统。l a b 6 0 0 s p 溅射系统可以用作多层膜沉积，多材料共溅射， 离子束溅射刻蚀。 4 第二章氧化物薄膜制备及性质测量系统介绍 图2 - 2l e y b o l dl a b 6 0 0 s p 溅射系统俯视结构图 l a b 6 0 0 s p 溅射系统基本结构如图2 2 所示，左侧+ c p d ( m p d ，v d c ) 是系统 的高压电源和操作电源控制部分，右侧是系统的真空获得部分和样品生长部分。 图的最右端是系统r f 源的匹配箱( n l a t c h b o x ) 。我们所利用的r f 源是莱堡公司 的4 0 i n m 射频离子源，工作频率为1 3 5 6 m h z 。用来控制等离子体的射频源是经 过优化设计的。被等离子体吸收的射频功率可以写为 = 兰譬减 ( 2 1 1 ) 其中睇是等离子体中的电场趋肤深度，盯是等离子体传导率，是电流密度， r 和l 分别代表放电半径和长度。同时，等离子体阻抗r ，和感应三，可以写成 驴嚣 = 华 包屺， 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 压为 假设感应线圈数为n 主线圈与等离子体距离为b ，那么变压器主次级线圈电 感应矩阵元分别为 y = i l l i + i 越u i p = ，础2 l k + f 础2 2 ( 2 1 3 ) 和学 铲如学 铲铲华 ( 2 ) 因此，在主线圈而得到的等离子体的阻抗强度r ，与感应强度t 为： 咫崭署 t = 孚( 剖 眨， 由以上公式2 1 1 - 2 1 5 ，放电体的几何形状以及所得到等离子体的参数可以 精确计算并优化。系统r f 源优化后的物理参数如图2 3 所示，随着i 江溅射功 率的增加，加速电流和柬流不断增加。 6 r ”箩p o w c r w 】 图2 - 3l e y b o l dl a b 6 0 0 s p 溅射系统i 江源的优化参数图 l a b 6 0 0 s p 系统的主要性能参数如表2 1 所示 表2 1l a b 6 0 0 s p 部分性能参数表 靶材尺寸( 1 k g e td i a m e t e f ) 4 ”0 2 5 m m 靶材厚度( t a r g e tt h i c k n e s s ) 2 1 2 1 1 1 i n 最大直流功率( m a ) 【p o w e rd c )3 0 0 0 w 最大射频功率( m a xp o w e fr f )1 5 0 0 w 最大靶面电压( m a ) 【v 0 1 t a g e ) 1 5 0 0 v 最大靶面电流( m a xc u r r e m ) 2 0 a 射频离子源( r fi o ns o u r c e ) p f g 3 0 0 6 0 0 极限真空 ( u h i ma _ c ep r e s s u r e )5 1 0 “i n b a r 均匀性( u m f o m i t y ) 3 工作真空( w o r b n gp r e s s u r c )4 ( 1 ) 1 0 。3 m b a r 典型速率 ( d e p o s i t i o nr a t e ) c u 3 2 n i i l s 1 5 0 0 wd c 样品生长同时需要良好的背景真空和工作气压。l a b 6 0 0 s p 系统的背景真空 度为1 o x l 0 。7 m b 戤工作气压一般为4 o l o - 3 m b a r 。系统的真空获得如图2 - 4 所 7 一基一麓篓警。 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 不： 图2 4l e y b o l dl a b 6 0 0 s p 溅射系统真空系统图 系统中初级泵d 6 5 b c ，抽速为2 5 0 1 n 3 i l ；次级泵w s u 2 5 1 ，抽速为3 8m 3 m ； 以及1 b 0 1 6 0 0 分子泵，抽速为1 5 0 0 l s ，构成了u 出6 0 0 s p 系统的真空部分。 这些真空泵保证了系统真空度在4 0 分钟内可以到达5 1 0 击m b a r ，便于迅速开始 样品沉积。当使用a r 气作为工作气体时，被激发的等离子体成分比例如图2 5 所示。我们同时对于金属材料灿和介电材料s i 0 2 进行了定标工作，得到了d c 靶从2 0 0 w 到2 0 0 0 w 的典型工作速率。其中工作气压为5 xi o - 3m b a r ，靶面与衬 底距离为1 0 厘米。如图2 6 所示。 8 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 望 c 口 叱 m a s sf a m u 】 图2 - 5l e y b o l dl a b 6 0 0 s p 溅射系统工作气体成分图 d c ，r fp o w e r ( w a t t ) 图2 6l e y b o l dl a b 6 0 0 s p 溅射系统工作典型速率图 最后利用l e y b o l d6 0 0 s p 系统以纯铜( 9 9 9 9 ) 作为标准对各种材料的溅射速率 约为表2 2 ，其中r f 靶的速率可以用d c 靶速率的o 6 倍来折合。 9 【sb一该爱2篮h痨o 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 表2 2l e y b o l ds p 6 0 0d c 靶基本材料溅射速率 c u1 o o a 1 2 0 3 o 0 5s io 5 a g 1 4 8 s i 0 2 o 2 3p t o 7 0 a 1 2 2w0 2 6r uo 5 2 g e0 5 2vo 3 0a lo 5 2 同时溅射速率与靶面与衬底距离r 的关系为l 胪，当摆动角度为1 5 。时，沉积速率 约为原来的一半。 最后地，基本优化工作参数如表2 3 所示； 表2 3l e y b o l ds p 6 0 0d c 靶基本优化参数 ib e 锄v 。l 协g e 8 0 0 vb e 锄sf e q u e n c y1 0 o k h z a c c v 。l t a g e 2 0 0 vb e 锄p t l l s e3 0 o 1 0 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 2 2 光学特性测量与分析系统原理 在各向同性媒质中，一束自然光可以任意分解为振动方向相互垂直的两个振 幅相等而相位各自独立的偏振光。当一束偏振光射到两种均匀介质的分界面时， 可以分解为光矢量在入射面内的偏振光( p 光) 和光矢量与入射面垂直的偏振光 ( s 光) 。在反射和折射过程中，s 、p 两个分量的振动是相互独立的，但是两 个分量的振幅和相位都发生了变化，而且有各自不同的反射系数，和透射系数 f2 图2 7 反射示意图 ，：丝! ! ! 垒二笠! ! ! 垒 。9 lc o s 中o + o c o s q ，：些! ! ! ! q 二丝竺! 尘1 5 “c o s o o + l c o s o l ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 铲杀 ( 2 2 4 ) 5 玑c o s o o + lc o s l 、 ( 0 、1 分别是媒质o 和媒质1 的复折射率，中。、中。分别是入射角和折射角) 这就是著名的菲涅耳公式，还可以写成： 名= 怵。 ( 2 1 2 5 ) 一q 一 墅吼 2 一 m 第二章氧化物薄膜制备及性质测量系统介绍 定义： 其中 = h p ：垒：岛e 让 ， 岛：t a 棚：生 ，j = 吒一4 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 壬，即为椭偏参数，是可以从实验中测量的基本物理参数。 椭偏测量技术就是通过实验获得椭偏参数，然后进一步求得各种光学参数。 a 7 s u 咖 姆s b 铲 、迨 a 咤p) 图2 8r a p 型椭偏仪测量原理图 图2 8 是r a p 型椭偏仪的测量原理图，光源发出的光首先通过方位角与入射 面垂直的固定起偏器只，然后通过旋转起偏器p ，再经样品反射后到达检偏器 彳，最后进入探测器。其中，旋转起偏器和检偏器方位角p 和爿保持l ：2 的比例 关系同步旋转。这种方式称之为r a p 型( s y l l c h r o n o i l si b t a t i o no fa i l a l i z c r 觚d p o i 撕z e r ) 。从该布局的椭偏仪检偏器出射的偏振光的电场矢量可表达为： 弓= n 啦= ：琊点i 筹翻啦霉善葛砰 = 以c o 鲥c o 矿p + s i n 彳c o s p s i n d 岛 ( 2 2 1 0 ) 相应出射光强为： 1 2 第二章氧化物薄膜制备及性质测量系统介绍 ，芘阿1 2 = 嗄c 。疵。毒户+ 三磊s 留爿s 留2 p + 三岛c 。s 缸i 口4 s 诫u c 。毒d ( 2 2 1 1 ) 其中彳= 2 p = 才，珂是与光强相关的常数 整理后，光强可表示成方位角彳的余弦分频形式 j = 厶+ c o s + 厶c o s + 厶c o s o 句+ lc o s l 由( 2 2 1 2 ) 其中厶为直流成分， = 印( 3 + 岛c o s ) ( 2 2 1 3 ) 厶= 7 7 c 2 一岛2 )( 2 2 1 4 ) 厶= 须l 一岛c o s )( 2 2 1 5 ) 厶= 柙+ 虏一确 叫6 ) 实际测量中，r a p 型椭偏仪的旋转起偏器p 与旋转检偏器a 按比例同步旋 转( 1 0 0 0 0 步周) ，每转一步由微机控制探测器d 自动采集一次光强信号，在经 a d 、d ，a 转换，对采集的信号进行傅立叶分析，得出厶一厶的值，代入( 式 2 2 1 3 2 2 1 6 ) 即可求得岛和的值： 纠锵】 渊7 ) c o s a ：盟型k ( 2 2 - 1 8 ) 【2 ( 厶+ 厶) ( + l 一2 厶) 】2 或者 岛= 【黼】 叫9 ) c o s ：生业型鹄 ( 2 2 2 0 ) 1 8 ( l + 3 ) 【l + 3 2 2 ) j 7 2 由于p = 岛e n 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 云= s i i l 2 西+ 咖2 0 t a n 2 西【( 卜+ p ) 】2 岛 v 。p 7 ( 岛为空气的介电常数) 通过椭偏参数可以直接求得介电函数s 又因为 f = 岛+ i 毛= 7 2 = ( ，产一矿) + 渤七 把求得的占代入可以求出折射率以和七。 椭圆偏振光谱测量中，一种比较简单、且重要的情形是偏振光从镀有单层膜 的基片上的反射和折射。 图2 9 反射和折射示意图 如图2 9 所示，在理想界面的情况下，有一层厚度为4 的薄膜，夹在半无限 大环境媒质和基片之间。环境媒质、薄膜和基片都是均匀和光学上各向同性的。 它们的折射率分别为、m 和m 。在大多数情况下，环境媒质透明，是实 数。 一束线偏振光从媒质0 入射到o 一1 界面( 入射角哦) ，按照理想界面的菲涅 耳反射系数和透射系数公式，它的一部分在媒质0 中产生反射光，一部分光折射 进入薄膜中，然后在薄膜内1 2 和1 一o 界面处经受多次内反射，薄膜中的多次反 射光每次遇到l 一0 或1 2 界面时，都有一部分光分别漏泄至媒质o 或基片中，这 样将在媒质o 中产生一合成反射光，在基片中产生一合成透射光。如果用、f o l 1 4 第二章氧化物薄膜制备及性质测量系统介绍 ( o 、f l o ) 和，i 2 、f 1 2 表示o l ( 1 一o ) 和1 2 界面处的菲涅耳反射系数和透射 系数，则组成媒质o 中合成反射光的相继各分平面波的复振幅为， ，0 l f l 0 ，i 2 一妒，f o l f i 以0 ，i 2 2 e 一 ，f o ，f i 矾弘2 3 一卵，而组成基片中合成透射波的相 继各分平面波的复振幅为f o l f l ：e 邓，f 0 。娟而2 一驴，f 0 。f 1 2 ，乱2 2e - i 筇，这里假 设入射波振幅为l ，是薄膜内的多次反射波在从它的一个界面到另一个界面时 发生的相位变化( 即薄膜的相位厚度) ，其表达式为： ：2 石( $ l c o s 中。或者：2 石( 串( 研一o ：s i l l ：) ( 2 2 2 3 ) ( 名是自由空间波长，o 。是薄膜中的折射角) 将各分波相加便得到合成复振幅r r = l + 岛而0 1 鼋声+ f o l f l o 巧d 名芦“，+ 岛 o 纰硒卢+ + 嚣 ：堡! 量生竺 1 + 而尹邶 ( 2 2 2 4 ) 由于入射波的振幅是1 ，故式( 2 2 2 4 ) 给出了环境媒质一薄膜一基片系统总 的复振幅反射系数尺，它用环境媒质一薄膜( o 一1 ) 和薄膜一基片( 1 2 ) 界面 处的界面菲涅耳反射系数以及薄膜内的多次反射波在其上下界面处行进一次时 经受的相位变化声来表示，因此，可以加上角标p 和j 重新给出偏振情况的相 应表达式： 弓= 彩 卿s ， 足= 慧器 衄回 式中口对p 偏振和s 偏振都相同，由式( 2 2 2 3 ) 给出，而界面处的菲涅耳系数 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 则由以下式子给出： lc o s o 一oc o s o l ，。矿丽而； - 一2 c o s 巾l 一lc o s 西2 亿，2 苟忑本蕊 一“c o s 西。一i c o s m l j 2 矿面毒福 ( 2 2 2 8 ) ( 2 2 。2 9 ) ( 2 2 3 0 ) 在三种媒质中平面波传播方向与薄膜界面法线之间的三个角度哦、电和屯间 的相互关系由s m n 定律给出： s i n 吼= ms i n 电= ms i n 哆 ( 2 2 3 1 ) 为了分别研究倾斜入射的平面波从镀有薄膜的基片上反射或透射时振幅和相位 的变化，总的复振幅反射系数用其绝对值和相位角来表示： r ，= k l e ( 2 2 3 2 ) 兄= e ( 2 2 3 3 ) 由于p 偏振和s 偏振的界面菲涅耳反射系数和透射系数不同( 见式2 2 2 7 2 2 3 0 ) ，所以对于这两种偏振态，环境媒质一薄膜一基片系统的总反射系数和透 射系数也不同，这正是反射椭偏测量术的测量依据，通过测量入射波和反射波的 偏振态，便能确定环境媒质一薄膜一基片系统的总复振幅反射系数的比值 所= 惫 凹4 ， 用椭偏参量一和，来表示所，有 t a n 一= 斟 亿z 弼 ，= 。一。 ( 2 2 3 6 ) 1 6 毗一吼 s s一 生m 一一+ 吼一q 誊| | ； m = 亿 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 二协咿= 篙簪等拳 将式( 2 2 3 7 ) 分成一和，的两个实数方程 鼍= t a l f l i 厦，m ，4 ，嚷，列 ( 2 2 3 8 ) ，= a r g 【烈o ，l ，2 ，4 ，o ，伽 ( 2 2 3 9 ) 根据式( 2 2 2 3 ) 和s n e u 定律，0 1 ，、，j 2 ，、，o l ，和，1 2 ，与三种媒质的复折射率“、 l 、2 和入射角吼有关；相位厚度则与入射波长a 和薄膜厚度吐有关，所 以仃与九个宗量有关，很难得到解析解。在实际测量中，我们一般在主角附近 固定三个角度作为入射角进行测量，得到三组椭偏参量甲、测量数据，进行求 解，以得到我们所要需要的待测薄膜的光学参数。 1 7 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 2 3 电子输运特性测量与分析系统原理 实验中还采用了k e i t l l l e y 公司的4 2 0 0 s c s 型半导体特性分析系统对薄膜的 特性进行测量。4 2 0 0 s c s 型半导体特性分析系统用于实验室级的器件直流参 数测试、实时绘图与分析，具有高精度和亚俄级的分辨率。它提供了最先进的系 统集成能力，包括完整的嵌入式p c 机，w i n d o w sn t 操作系统与大容量存储器。 其自动记录、点击式接口简化并加速了获取数据的过程，这样用户可以更快地开 始分析测试结果。4 2 0 0 s c s 提供了很大的灵活性，其硬件选项包括开关矩阵、 k e i 伽e y 与a 百l e mc v 仪以及脉冲发生器等多种选择。 2 3 1 t e 用户界面 图2 1 0 t e 用户界面 t e 通过交互式测试模块( i t m s ) 和用户自定义测试模块( u t m s ) 进行测 试和执行。它主要包括以下几个功能组件： 1 8 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 1 p r o j c c t n a v i g a t 叱项目导航 2 s i 把n a v i 咖r ：节点导航 3 i ( i t ew o f l ( s p e ：t e 工作区 4 t ( 0 l b 盯a a ：工具栏 5 s t a n 玛b a r ：状态栏 6 m e s s a g ea 地a ：消息区 2 3 - 2 创建一个项目 1 从f i l e 菜单中单击n e w 喇e c t ，定义新项目( d e f h l e 吐圮n e wp r o j e 吐) ，出现下 面所对话框，根据测试条件填表。 2 选择项目导航中一个节点，在项目计划工具栏中( 州e c t p l 姐t o o l b 盯) ，单击 添加次节点计划按钮a d d s u b s 沁p l a i lb u 仕o n 在其下层插入次节点计划( i 璐e r t 圮s u b s i t ep l 觚) 3 选择项目导航中一个次节点计划，在项目计划工具栏中( p r o j e c tp l 觚t 0 0 l b a r ) ， 单击添加薪器件计划按钮a d dn e wd “i c cp l a nb u t t o n ，在其下层插入新器件计划 ( i n s e nt l l ed e v i c ep l a n s ) 2 3 3 配置1 1 m 或u t m 插入交互式测试模块( i n s e nt h ei n 如) 条件： 1 i i m 要求的端口数不能大于目标器件的端口数。 2 i t m 要求的端口名均存在于目标器件上。 步骤： 1 选择项目导航中一个新器件计划，双击之出现下面窗口，从4 2 0 0 s c sd e v i c e l i b r a r y 中选择l t m 2 在器件计划窗口( d “i c ep l a l l 谢n d o w ) ，单击复制( c o p y ) 按钮，添加i t m 到 测试序列表( t e s ts e q u e n c et a b l e ) 插入用户自定义测试模块( i 璐e r t t l l e u l m s ) 条件： 1 9 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 1 在h l i t i a l i z a t i s t l e p sa n dt 蹦n i n a l j o ns t e p s 下层可以并且只可以添加u 1 m ， 不能插入i t m 2 如果在同一个u 1 m 名字下面插入多个例子，它们的参数将保持一致 插入途经 路径c ：、s 4 2 0 心u s e t e s t sl i k 町中，或是个人文件夹中一个现成的u 1 m ，或 新建一个( 在器件计划，i i l i t i a i iz a _ d 吼印s ，a n d t e i 删。璐姊s 等的下层) 单击 a d dn e wi r r m ，添加新u 1 m 到项目对话框。 使用之前先要定配置u r m ，定义、配置好i t m 和u r i m 之后，就可以执行测试了。 2 3 4 测试 1 在一个节点进行一次测试 选中项目导航栏中相应i t m ，u 1 m 在节点导航栏中输入数字，选中对应节点。 单击绿色r i | l lt e g t p l 锄按钮，开始测量。 2 在一个节点进行一系列测试 在项目导航栏中单击选中要测试的器件计划或节点计划。 在节点导航栏中输入数字，选中对应节点。 单击绿色r 吼t e s 佃l a i l 按钮，开始测量。 3 重复测试( r e d c a t ) 单击下图第四个按钮，重复测试， 电子表格中的数据实时更新。 单击下图第二个按钮，跳出测试。 跳出后，电子表格中的数据以跳出时的测试为准。 2 3 5 数据输出 1 数据表单 第二章氧化物薄膜制各及性质测量系统介绍 设定节点导航栏数字对应测试所得数据对应的节点。 在项目导航栏中双击测试t e s t ，打开对应的d e 肋m o nt a b 单击s h c c tt a b ，得到数据表单。 2 测试图形 双击项目导航栏中的测试t c s t ，打开对应的i n l ，lm d 窗口 单击g n p h - t a b 标签即可 2 1 第三章a g ，b i o x 薄膜在光开关中的应用及光学性质研究 3 1 样品制备与表征 a g - b i 2 0 3 混合薄膜样品采用0 1 0 0 l n m 直流靶( d c m a g n e 的n ) 和射频靶( r f m a 驴e 虹d n ) 在l e y b o l dl a b 6 0 0 s p 多靶磁控溅射仪中共溅制备。靶材的纯度分别 为a g ：9 9 9 9 ，b i 2 0 3 ：9 9 9 溅射靶与样品台的夹角均为4 5 。制备过程中， 腔体内氩气气压为6 2 1 0 3i i 岫，所有样品均以单晶硅作为衬底。我们通过固 定射频靶的功率，调节a g 直流靶的溅射功率，改变金属和介电材料的组分比， 得到a ( a 和a 条件相同，但a 组作为预溅射和a 作对比) 、b 、c 、d 四组样 品。 表3 1 ：样品制备参数表 样品编号 a g 的溅射参数 b i o 。的溅射参数溅射时间工作气压 a 组样品 5 0 矿2 0s c c m2 5 0 矽1 0 船册5 0j6 2 xl o 一6 a r a 组样品5 0 矿2 0 卵册 2 5 0 形1 0s c c 掰5 0s6 2 l o - 3 肼6 口r b 组样品l o o 2 0 卵硎2 5 0 l o 删 5 0s6 2 1 0 一3 所6 讲 c 组样品 1 5 0 形2 0 蝴2 5 0 l o 蜘 5 0j6 2 l o 一掰6 ( 矿 d 组样品 2 0 0 矿2 0 船绷2 5 0 形1 0 阳册5 0j6 2 1 0 4 扰6 讲 ( 注：1 s c c m = 1 6 9 p 咖n j ) 然后，我们将制备的样品分别置于真空室中进行退火，退火温度分别为 1 5 0 、2 5 0 、3 5 0 、4 5 0 、5 2 5 、6 0 0 、7 0 0 ，加上制各态的样品一共 八片