（光学工程专业论文）类金刚石薄膜光学参数的椭偏法测试研究.pdf

类金刚石薄膜光学参数的椭偏法测试研究 学科：光学工程 研究生签字： 指导教师签字 巷建趣 勃娣 摘要 类金刚石( d l c ) 薄膜是二十世纪七十年代发展起来的新型材料，困其在力学、电学、 光学和化学等领域所具有许多独特的性质而得到广泛地应用。d l c 薄膜用于红外窗1 2 的增 透保护膜时，要求必须获得薄膜准确的光学参数，以便进行膜系设计与制备。为此，人们 尝试了多种方法来确定薄膜的光学参数。 本文对利用磁控溅射和脉冲真空电弧镀技术镀制的d l c 膜光学参数进行了测试研究。 通过对大量不同工艺镀制的类金刚石薄膜进行拟合处理，得到相应的光学参数，构建了较 系统的拟合模型库：用v b 编制了模型选用软件；并应用所构建的拟合模型库研究了工艺参 数与光学参数的关系；通过求解椭偏反演方程，用模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 求解拟 合值，解决了部分模型拟合对初值要求较高的问题。在研究了模拟退火算法原理的基础上 提出了改进算法，用m a t l a b 编写了退火程序，并利用该程序对实验室镀制的类会刚膜进行 了数据拟合，得到了可靠的结果。 研究结果表明：非平衡磁控溅射模式下沉积薄膜当氩气流量大于1 6 0 s c c m ( 标准状 态下升分钟) 时，吸收较小，可以用基底+ 柯西层+ 粗糙层、基底+ 柯西层1 + 柯西层2 + 粗糙层等模型拟合；当氩气流量小于1 2 0 s c c m 时，吸收较大，可以用基底+ 洛仑兹层+ 粗 糙层，拟合；脉冲电弧离子镀条件下，可以用基底+ 混合层+ 柯西层+ 粗糙层、基底+ 布鲁 默( f b ) 层+ 粗糙层，拟合；在退火参数的选取上：a 、较合适的初始温度为1 5 0 0 。b 、衰 减函数正+ = 嵋中的参数口根据不同的接受概率选择了不同的参数，p 0 8 时a = o 7 ； 0 8 p 0 3 时掰= 0 9 ；0 3 p 0 时口= 0 9 9 。c 、每一个温度下的扰动次数l 至少应取为 3 0 0 m ，其中m 代表待求参数的个数。d 、终止规则上采用：某温度进行了1 5 次的扰动后， 产生的新的结果没有变化或扰动次数达到了设定的马尔科夫链长时进行下一温度；当连续 下降5 个温度后，得到的拟合参数没有变化或温度达到设定的终止温度终止整个拟合过程。 非平衡磁控溅射沉积的类金刚石薄膜折射率约在1 8 2 4 之间：脉冲电弧离子镀沉积的 类金刚石薄膜的折射率约在2 4 - - 2 7 之间。 关键词：类金刚石( d l c ) ：薄膜；光学参数；椭圆偏振；模拟退火算法 a b s t r a c t s t u d y o ft h ed l cf i l mo p t i c a lc o n s t a n tm e a s u r e m e n tb y e u i p s o m e t r y m e t h o d d i s c i p l i n e ：0 m i c a l e n g 迫e e r i s t u d e n ts i g n a t u r e ：i l o d ；o a n 8 s 叩。眺o r s i g n ：跏脚 s u p e r v i s o rs i g n a n 雌：x 呻弘y ， a b s t r a c t d i a m o n d 1 i k ec a r b o n ( d l c ) f i l m si s an e wm a t e r i a l e m e r g e n c e di n 1 9 7 0s t h e ya r e a p p l y i n gi nm a n yf i e l d s s u c ha sm e c h a n i c s ，e l e c t r i c i t y , o p t i c sa n dc h e m i s t r yb e c a u s eo ft h e i r u n i q u ec h a r a c t e r s i no r d e rt o a c ta sa d d i t i o np e r m e a t i o n - p r o t e c tf i l m si ni n f r a r e d ，r e q u i r e dt h e a c c u r a t eo p t i c a lc o n s t a n to f t h ef i l m s b e c a u s eo f t h i s ，l o t so f w a y h a v eb e e n a t t e m p t t om a k es u r e t h eo p t i c a lc o n s t a n to f t h ef i l m s s t u d yt h eo p t i c a l c o n s t a n to fd l cf i l m s p r e p a r e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g a n dp u l s e d v a c u u ma r cd e p o s i t i o ni nt h i sp a p e r t h r o u g hag r e a td e a lo ff i t t i n gf i l m sp r e p a r e db yd i f f e r e n t t e c h n i c s g a i n t h e c o r r e s p o n do p t i c a l c o n s t a n ta n de s t a b l i s hm o d e ls t o r e r o o m ；c o m p i l et h e p r o g r a mi nv b ：u t i l i z et h ee s t a b l i s h e dm o d e ls t o r e r o o ms t u d i e d t h er e l a t i o na i l o n gt h et e c h n i c s a n d o p t i cp a r a m e t e r ；a i m a tt h ei n i t i a l i z a t i o nv a l u ew h e n f i t t i n gu s i n gaa b r o a dw a y t h a ts o l v et h e o p t i m i z e dc o m p l e xs y s t e m - - s i m u l a t e da n n e a l i n g t o s o l v et h e e q u a t i o n i nr e v e r s ec o u n t ， i n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fs i m u l a t e da n n e a l i n ga n da m e l i o r a t ei t ，c o m p i l et h ep r o g r a mi nm a t l a b ， f i tt h ed a t a ，o b t a i nt h et r u s t i n e s sr e s u l t t h er e s u l ts h o w s ：1 1 1 ed l cf i l m sp r e p a r e db yu n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n d a r g o n f l u x g r e a t t h a n1 6 0 s c c m t h et h i nf i l m a b s o r b i n g i ss m a l lc o u l du s et h e s u b s t r a t e + c a n c h y + s c r o u g h 、s u b s t r a t e + c a n e h y l + c a u e h y 2 + s c r o u g hm o d e lf i t t i n g ；w h e na r g o n f l u xl e s st h a n1 2 0 s c c m ，也et h i nf i l ma b s o r b i n gi sg r e a t c o u l df i t t i n gu s et h es u b s t r a t e + l o r e n t z + s c r o u g hr o o d e l ：t h ed l cf i l m sp r e p a r e db yp u l s e dv a c u u ma r cd e p o s k i o nc o u l du s et h e s u b s t r a t e + e m a + c a u c h y + s c r o n g h 、s u b s t r a t e + f ，b + s c r o u g hm o d e lf i t t i n g ：a 、i nc h o o s i n gs a p a r a m e t e r ：( 1 ) t h ea p t i t u d e i n i t i a t e t e m p e r a t u r e i s15 0 0 b 、i na t t e n u a t i o n f u n c t i o n 疋+ i = 口瓦 a c c o r d i n g d i f i e r e n t a c e e p tp r o b a b i l i t yt o c h o s ed i f f e r e n t 口i fp 0 8 t h e n 口= 0 7 ，i f 0 8 尸 0 3t h e na = o 9 ：i f0 3 p 0t h e n d = o 9 9 。c 、e v e r yt e m p e r a t u r et r o u b l et i m e i s3 0 0 m ，mi sp a r a m e t e rq u a n t i t y d 、t h ep r o g r a md e c l i n et h en e x t t e m p e r a t u r ew h e n t r o u b l et i m ei s 15t h er e s u l ti sn o t c h a n g e o rt r o u b l et i m eh a sb e e nm e e tt h el o n g n e s so f m a p k o b t h ep r o g r a mi s s t o p p e dw h e nt e m p e r a t u r ed e c l i n e5t i m ec o n s t a n t l yt h er e s u l ti sn o tc h a n g eo rt e m p e r a t u r eh a s r e a c h e dt e r m i n a t ev a l u e t h ed l cf i l m sr e f r a c t i v ei n d e xp r e p a r e db yu n b a l a n c e dm a g n e t r o n s p u t t e r i n gi sa b o u t1 8 2 4 ：t h ed l c f i l m sr e f r a c t i v ei n d e xp r e p a r e db yp u l s e dv a c u u ma r c d e p o s i t i o ni sa b o u t2 4 2 7 k e y w o r d ：d i a m o n d l i k ec a r b o n ( d l c ) ；t h i n f i l m s ；o p t i c a lc o n s t a n t ；e l l i p s o m e t r y ；s i m u l a t e d a n n e a l i n ga r i t h m e t i c 西安工业学院硕士学位论文 较高，电阻率随工艺条件有很大变化。测试手段落后。目前测试薄膜厚度的方法主要有 干涉法和台阶法，这两种方法都需要在基片表面制作一个良好的台阶，不仅制作台阶极不 方便，同时还破坏了薄膜表面的完整性，不利于实现实时监控，给薄膜镀制带来一定的困 难。测量薄膜折射率的方法主要有光度法、光谱法和椭偏法。这几种方法对于透明薄膜 比较有效，而对于吸收薄膜往往难以得到满意的结果。采用椭偏法对d l c 膜的光学常数进 行研究，根据制备薄膜的不同工艺条件，建立起相应的系列数学模型，就可以准确测定薄 膜的光学常数。 类金刚石薄膜的沉积方法，大体可以分为化学气相沉积法( c v d ) 和物理气相沉积法 f p v d ) 两大类。c v d 方法在成膜过程中一般需要氢气和碳氢化合物( 如c h 3 、c 2 h 2 等) 作为反 应气体，所形成的d l c 膜为非晶态碳氢膜( a c ：h ) 。这种方法镀膜面积较大且较均匀，可 对形状较复杂的工件镀膜，但成膜所需温度较高( 一般在1 0 0 0 。c 左右) ，会对某些待镀工件的 结构产生不良的影响，且成膜致密性较差，同时薄膜中含有大量的氢成份，有时甚至达3 0 以上。由于氢的存在，这种薄膜有三个主要缺陷：3 4 1 m a 处有吸收峰。这是由于碳氢键1 申 缩振动引起的，影响了其在3 - 5 9 m 红外窗口的使用；膜层性能不稳定。因为非晶碳氢膜 的性能与氢的含量有关，而氢的含量随时间而变化。摩擦系数不稳定。含氢的d l c 膜， 其摩擦系数随温度的升高而增大【”。p v d 法可制备非晶态碳氢膜，又可制备不舍氢的d l c 膜( 简称n c ) ，这种薄膜中s p 3 键全部是由碳原予组成的，在结构上比含氢碳膜更加稳定， 应用范围也更加广泛。因此，为了获取高质量的d l c 薄膜，p v d 法为人们提供了广阔的思 路。 在众多的p v d 制备方法中，脉冲真空电弧离子镀沉积和非平衡磁控溅射是近几年发展 起来的新技术，被认为是较有前途的沉积方法。脉冲真空电弧沉积方法制备的d l c 膜具有 纯度高、不含氢等杂质、红外透过性能好的优点。这一方法也存在膜均匀性差、散射大、 内应力高、牢固度差等缺点。非平衡磁控溅射在镀制大面积均匀的薄膜方面有优势且膜层 纯度高、不含氢等杂质、红外透射率高，越来越多地受到科学工作者的关注。 1 2 研究内容 本文要解决的主要问题是：对脉冲真空电弧离子镀和非平衡磁控溅射方法在各种工艺 条件下沉积的类金剐石薄膜，寻求相应合适的拟合模型并编制拟合模型选用软件，以方便 准确测定薄膜的光学参数；编制数据处理软件以减少拟合模型初值对拟合结果的影响。 1 3d l c 膜的发展现状 1 3 1 概况 类金刚石薄膜是一种主要由s p 3 和s p 2 键组成的混合亚稳态非晶碳材料，膜的性质主要 是由两种键的比率决定的a n d e r s o n 和m o i l 等人对不同方法制备的d l c 膜进行透射电子衍 射( t e d ) _ 乖l qr f l i l a n 光谱研究，证明了这种膜是一种非晶结构，其中存在金刚石相，是包含 s p 3 和s p 2 键结构的材料。1 9 7 1 年，美国的s 0 1 a i s e n b e r g 和r o n a l d c h a b o t 用离子束沉积( 1 0 n 2 西安工业学院硕士学位论文 b e a md e p o s i t i o n ，即i b d ) 在室温下沉积出了绝缘碳膜，命名为d l c ，并用其进行了构造薄 膜晶体管的尝试。此后前苏联、美、日等国家广泛地开展了在低温低压下制备碳膜的方法。 7 0 年代中期，美国的w h i t e m e n 和h o l l a n d 等人分别用直流和高频放电方法沉积了坚硬碳膜。 1 9 8 5 年，n a g e l 首次用激光沉积技术制备了类金刚石膜。后来，w e i s s m e n t a 等人利用双离子 束溅射和离子镀的方法，在钢、玻璃等多种基片上获得了坚硬碳膜。经过近几十年来的发 展，又出现了离子束增强沉积( i b e d ) 、射频溅射( r f s ) 、磁控溅射( m s ) 、真空阴极电弧离子 镀( v c a d ) 、直流辉光放电( d c p c v d ) 、激光等离子体沉积( l p d ) 等制备方法p 1 。这些方法， 其核心都是用化学或物理的方法在低压下将碳源物质离化，获得较大能量的碳离子，在一 定的条件下，将碳沉积在特定的基体上，形成类金刚石薄膜。我国于上世纪8 0 年代开始研 究d l c 膜的制备工艺，经过多年的努力，在应用基础研究方面，昆明物理所、清华大学材 料学院、西安近代光学研究所、西北工业大学材料学院等单位均已取得了一定的进展。 1 3 2d l c 膜的性质和应用 d l c 膜具有优良的物理性质，又有良好的化学稳定性，其性质和应用主要表现在下述 几个方面【9 】【0 1 。 ( 1 ) 具有较高的硬度和优异的抗磨损性能，因而非常适合作为硬质工具涂层，沉积在 轴承、刀具等表面，不仅可以延长工具的寿命，而且还可以提高工效； ( 2 ) 电阻率高( 1 0 2 1 0 “q c m l 、介电常数大、击穿电压高。利用这些特点，可将它制 成理想的超高频和微波波段的介质材料； ( 3 ) 具有高掺杂性。由于其带隙宽，有利于高集成化电子器件在高温条件下使用，因 此该薄膜有望成为半导体行业的首选材料之一； ( 4 ) 具有良好的高频、高音速( 达1 8 3 0 0 m s ) 特性。用d l c 涂层制作的高频扬声器振动 膜频带宽，其频率特性最高达6 0 k h z ，远远覆盖了人耳的听力范围( 2 0 h z 2 0 k h z ) ； ( 5 ) 在红外到紫外的波长范围内，具有良好的透光性，可作为航天器或其它仪器的红 外窗口上极好的红外增透保护膜材料： ( 6 ) 耐腐蚀( 防酸、碱、盐) 性能好，不仅可作为光学元件的增透膜和保护膜，防止 光学元件被飞砂擦伤或被酸、碱、盐溶液腐蚀，还应用于光盘、手表玻璃、眼镜片( 玻璃、 树脂) 以及汽车挡风玻璃的保护膜等； ( 7 ) 热导率高，约为铜的6 倍，热膨胀系数小，具有优良的抗热冲击性能，可用来制 作大功率晶体管的散热镀层，减少传统散热器的面积； ( 8 ) 具有良好的化学稳定性和生物相容性，在医学方面也有广泛的应用。涂镀在人工 关节上转动部位的d l c 膜不会因摩擦产生磨损，更不会与肌肉发生反应，可大幅度延长人 工关节的使用寿命； ( g ) 其它应用。通过调整工艺参数及膜层成份，人们已经能够制备出黑、青、灰等不 同颜色的d l c 膜，可广泛用于装饰工业。 1 4 光学参数检测的发展现状 描述固体的光学参量可以有许多个，但是独立的光学参量只有两个。当物性参数n 和k 己知后，其光学性质便确定下来。 薄膜光学参数测量方法很多，一般可以分为三大类：一是光学测量方法，二是机械测 量方法，三是电学测量法。常用的薄膜参数测量方法有台阶仪、称重法、石英振荡法、等 厚干涉条纹法、布儒斯特角法、光度法，椭圆偏振光法，波导耦合法。 台阶仪法、称重法、石英振荡法、等厚干涉条纹法由于只能测量薄膜的厚度，有很大 的局限性；布儒斯特角法无需知道基片折射率及薄膜的厚度即可独立测量出薄膜的折射率， 但由于膜和空气的界面不是很理想，加之有背景杂光影响，使得临近布儒斯特角时的光强 变化不灵敏，影响判别精度。为减小测量误差，常采用光调制法、偏振法等技术来提高御 儒斯特角的定位精度。光调制法测量折射率的精度可达o 0 0 1 - 4 ) 0 0 2 ，但对样品有一定的限 制；光波导法的优点是测量精度高，对样品具有非破坏性，膜层的不均匀性对测量精度的 影响也很小。缺点是要求膜层足够厚，以保证两个以上的传播模式，另外，膜层存在较大 的吸收损耗时，测量精度也会降低；光度法是根据分光光度计测量出薄膜的透过率曲线或 反射率曲线等特征来计算薄膜光学参数的方法，这种方法精度不是很高，如果需要更精确 的结果，还需对计算值进行修正；椭偏仪测量薄膜光学参数具有极高的灵敏度，例如：测 量极薄膜层厚度( 2 m ) 的准确性约为0 1 n m ，重复性达到o o l n m ；折射率测量的准确性可 以达到小数点4 位。但是，它也有一定的局限性，这主要来源于模型的任意性、变量之间 的相关性、数据分析过程的复杂性、以及最终结果取决于操作者的分析判断能力等。随着 计算机的普及应用，在很大程度上解决了椭圆偏振测量中的计算问题，这种测量方法越来 越显示出它的优越性。有以下几方面的原因使椭偏法成为目前测定薄膜性质的一种首选方 法：非破坏性。在椭偏法测试中。对样品均是非接触和非破坏性的。非扰动性。测量 结果与光束波长和强度之间的依赖性不强。非苛刻性。椭偏法测量对被测对象及周围的 环境条件要求不高，样品可以是固相、液相或气相；可以是体样品或薄膜样品；适合不均 匀样品、各向异性样品、有复杂界面的样品；样品尺寸可较小，因为椭偏测量只须较小的 反射面积( 1 m m 2 左右) ；测试环境条件可以在空气、真空或特定条件下，对那些在电场、磁 场以及其它电子检测手段无法应用的场合，采用椭偏法方法是很方便的：测试所需的环境 温度范围较宽。测量的灵敏度和精度高。通常，可见光透入样品的深度为0 1 1 u m 数量 级，据此可推论，表面单层原子的信息仪占反射光束所含信息的千分之一至万分之一。s e 测量具有原子层级的灵敏度，其较理想的研究厚度范围为1 一1 0 0 0 n m 。可以同时测量到材 料的光学参数和厚度n 、k 、d 的值。 椭圆偏振光谱技术是2 0 世纪7 0 年代中后期随着计算机技术发展起来的一种新颖的光 学常数测试方法，它是通过光波与物质相互作用前后偏振状态的改变来测定样品的光学常 数。其中，椭偏术测量具有原子层级的灵敏度，是目前测量材料光学常数精度最高的方法 之一。此外，椭偏测量还具有对样品非破坏性、可进行原位测量以及对被测对象及测试环 境要求不高等优点。国内外研究人员开展了大量的研究工作【1 1 1 2 1 。在可见光区，最适合这 种研究方法的对象是具有较高光学吸收和反射系数的村料，如金属，半导体等。因此，椭 偏法正在取代传统的方法而成为紫外至近红外光谱区域内定量研究材料光学常数的主要手 4 段。 用于椭圆偏振光谱测量的椭偏仪是一种集光、机、电、计算机等多学科综合的、用于 薄膜无损分析的智能化仪器。目前国际市场上占主导地位的则有：美国w o o l l a m 公司的 m 4 4 m - 8 8 多波长r a e 型回转检偏器椭偏仪、v a s e 型变角度光谱椭偏仪；法国j o b i n y v o n 公司的u v i s e l 超快位相调制型光谱椭偏仪、以及法国s o p r a 公司生产的用于实验室的 e s 4 g 型、e s 4 g o m a 型、4 l 4 g 型，和用于在线的e s 4 型、e s 4 o m a 型、e l 4 型两大系 列。近年来，上述公司都推出了v a s e - - f t i r 型光谱仪，使椭偏测量范围扩展到2 1 2um 。 1 5 本文内容安排 针对耍解决的主要问题，本文针对不同工艺方法镀制的类金刚石薄膜建立了合适的数 学模型，研究了薄膜光学常数的变化规律，建立模型库，编制了应用软件。主要从以下几 个方面进行了论述： ( 1 ) 绪论。描述论文写作的背景、目的、意义，类金刚石薄膜及薄膜光学常数检测的 发展概况。 ( 2 ) 光学常数检测技术简介。介绍了光学常数检测方法，椭圆偏振测量的发展、分类、 原理及光学常数模型的简介。 ( 3 ) 磁控溅射工艺沉积薄膜的椭偏法数据处理。本章根据非平衡磁控溅射制备d l c 膜 方法的不同工艺建立了相应的拟合模型，分析了选用模型的合理性，从而建立了非平衡磁 控溅射制备d l c 膜模型库，在此基础上研究了氩气流量、靶电流、负偏压及励磁电流与 d l c 膜光学性能的变化关系。 ( 4 ) 脉冲真空电弧镀工艺沉积薄膜的椭偏法数据处理。本章根据脉冲真空电弧镀制备 d l c 膜方法的不周工艺建立了相应的拟合模型，分析了选用模型的合理性，从而建立了脉 冲真空电弧镀制备d l c 膜模型库，在此基础上研究了主回路电压、脉冲频率、加热时间与 d l c 膜光学性能的变化关系。 ( 5 ) 类金刚石薄膜光学参数的模拟退火算法研究。本章针对拟合模型存在不同初值得 到的拟合结果合理性、准确性与测量者对薄膜的了解程度和经验有关的问题，即初值选取 问题，在对建立的模型系统的椭偏方程进行推导基础上，采用模拟退火算法对拟合参数进 行优化处理，用m a t l a b 编制了拟合软件，解决了部分模型的初值选取问题。 ( 6 ) 结论及对后续工作的展望。 椭圆偏振测量及数据处理原理 2 椭圆偏振测量及数据处理原理 薄膜光学参数，即薄膜的折射率n 、消光系数k 及厚度d ，是薄膜设计和制备的重要参 数。随着薄膜技术的发展和日益广泛的应用，测量薄膜的n 、k 和d 对研究薄膜的性质及其 应用具有重要意义，已成为一个热门课题，为国内外科研工作者所关注。 薄膜光学常数的主要测量方法有：光度法、椭圆偏振法、光波导法、布儒斯特角法、 干涉法等。 2 1 薄膜光学参数的测量方法 ( 1 ) 光度法 光度法是根据分光光度计测量出薄膜的透过率曲线或反射率曲线等特征来计算薄膜光 学参数的方法。 对于透明光学薄膜，可直接由反射率或透过率曲线求解折射率n 和膜厚d 。测量反射率 时，薄膜的折射率n 可根据式( 2 1 ) 计算。 ”= 訾 ( 2 1 ) 式中如为极值反射率，n ，和分别为基片和入射介质的折射率。此方法的测量精度取决于 反射率的测量精度。常用分光光度计的测量精度为0 0 0 3 0 0 1 ，折射率的误差范围为0 0 1 o 0 9 。 测量透过率时，薄膜的折射率n 可根据式( 2 2 ) 计算。 斗悟+ 再 l ，2 f 2 2 ) 式中乙为极值透射率，r 为透射率，n 。和含义同式( 2 1 ) 。 ( 2 ) 干涉法 多光束干涉仪法，又称m b i 法，是用对比度较高的干涉条纹来测定膜厚。光线在基片 和基准平面之间经过多次反射后会干涉并形成边缘。由于多次反射，这些干扰边缘很清晰， 可用来测量膜厚。 利用这种方法测量时，一般必须先制作出测量膜厚用的薄膜。就是在靠近制作所需薄 膜的基片附近，设置测量膜厚用的比较试片，使两者在完全相同的条件下形成薄膜。将比 较试片的一部分用具有锐利边缘的板遮盖，并使交接处尽量形成直线状态。这样在薄膜制 作后，就能在交接处形成边缘清晰的台阶。该方法的缺点是只能作静态测量，而不能在薄 膜制作过程中连续地测量。而且，在测量的薄膜上需要蒸镀高反射的金属膜。 此外还有等色级干涉法( f r i n g so f e q u a lc h r o m a t i co r d e r ) ，又称f e c o 法，也是利用光 6 学干涉的方法。一般认为，采用白光的等色级干涉法可以得到比m b i 法高的精度。另外， 还可以使用双光束干涉法来测量膜厚，但精度要较前两种低。 ( 3 ) 布儒斯特角法 当单色的p 偏振光以布儒斯特角从空气( n o _ 1 ) 入射到薄膜上时，空气与薄膜界面上p 偏 振光的反射比为零；薄膜与衬底界面上p 偏振光的反射比与空气与衬底界面上p 偏振光的 反射比相等，此时布儒斯特角i 。为： t a l i 。= i n = ” ( 2 3 ) 此时，测量布儒斯特角“后，即可求出薄膜的折射率r 。 在末放最试样前，先将望远镜对准平行光管的狭缝，使两者成一直线，然后将试样放 置在测角仪的圆工作台中心并转动圆工作台，使试样上镀膜部分的反射光强与未镀膜部分 的反射光强相等，再将望远镜转动妒角。由此： 2 f b + 妒= 1 8 0 0 ( 2 4 ) 对式f 2 3 ) 微分可知，折射率的测量误差取决于布儒斯特角的大小及其测量精度。 “) 包络线法 包络线方法是计算介质薄膜光学参数的一种常用方法，由j c m a n i f a c i e 一”1 提出，并由 r s w a n e p o e l l l 4 j 力以修正和发展。透明基板上的单层薄膜在透明区和弱吸收区的透射比符合 下式( 此处提到的透射比均指光线垂直入射到膜片上时的透射比) ； 忙瓦瓦 ( 2 5 ) b c i c o s 口+ d 2 、 式中： 彳= 1 6 n 2 ：；b = ( n + 1 ) 3 ( ”+ 。2 ) ；c = 2 ( n 2 1 ) ( 竹2 一门：) ：d = ( h 一1 ) 3 ( 一n ；) ； 妒= 4 n n d 2 ；x = e x p ( 一耐) ；口= 4 ；r l t l a ，五为入射波长，竹。和”o 分别为基片和入射介质 的折射率。 当妒= 2 n z r 时，对应透射极大，当p = ( 2 n + 1 弦时，对应透射极小。 根据透射光谱找出透射比极值，用多项式拟合出透射极大值的包络线f ，( ) 和透射极小 值的包络线r 卅( 。在算出n ( x ) 后，d 可通过干涉基本公式2 n d = m 旯算出。当m 为整数时， 对应透射极大值；当m 为半整数时，对应透射极小值。根据这基本公式，可导出 d = 如 4 ( n ，如一”： ) ，其中 1 0 5选用模型3 或模型2 ； 1 6 0 q 1 2 0 且i 9 选用模型4 或模型2 ； 1 6 0 q 1 2 0 且i 9选用模型5 ： 1 2 0 q 0选用模型5 3 6 本章小结 本章主要分析了磁控溅射沉积的类金刚石薄膜光学参数与制备薄膜工艺参数之间的关 系，得出了氩气流量和靶电流是影响薄膜光学性能的主要因素；并对薄膜参数进行了拟合， 分析了拟合模型的合理性，得到了较好的拟合结果：在此基础上建立了磁控溅射薄膜的光 学参数拟合模型库并给出了选用的方法。结果表明：磁控溅射沉积的类金刚石薄膜在氩气 流量大于1 6 0 s c c m ，靶电流小于1 0 5 a 时，薄膜在红外是透明的，用柯西模型可以较好的 拟合，考虑到加工工艺的稳定性和薄膜靠近空气的石墨化影响，同时从梯度模型拟合的结 果上看，在拟合时采用分层的柯西模型能得到更好的拟合结果。比较两者的结果认为：在 误差允许的范围内两种结果是统一的。当氩气流量小于1 6 0 s c c m 或者更小，则薄膜的吸收 特性表现更显著，采用洛伦兹模型更合理。 脉冲电弧离子镀工艺沉积薄膜的椭偏法数据处理 4 脉冲电弧离子镀工艺沉积薄膜的椭偏法数据处理 4 1 脉冲电弧离子镀技术 4 1 1 脉冲电弧沉积的研究进展 真空电弧镀是将真空放电用于镀膜技术，受真空开关电弧的燃烧触头材料沉积成膜的 现象的启发，转向研究和采用真空电弧沉积镀膜。早期，美国学者a w w r i g h t 和 t h o m a s a e d i s o n 等对真空电弧沉积做出了初步的探索；近代以来，日本学者、前苏联学者 等对真空电弧沉积做出进一步的研究1 6 6 j ；到了2 0 世纪7 0 年代，真空电弧沉积实现初步的 工业化；西方于2 0 世纪8 0 年代从前苏联引进该技术；美国多弧公司于1 9 8 2 年提出真空电 弧沉积设备的商品化。其后，真空电弧沉积技术开始受到全世界的关注。由于连续电弧离 子镀存在的熔滴等缺点，而脉冲电弧离子镀能有效的克服这一缺点。因此，脉冲电弧离子 镀受到了极大的重视。 国内的研究现状：利用脉冲真空电弧离子镀技术研制类金刚石膜的仅有西安工业学院 光电科学与工程学院。在“八五”期间，西安工业学院在总装备部军品局资助下，研制出了用 于镀制类金刚石薄膜的脉冲真空电弧离子源；在“九五”期间，用脉冲真空电弧离子源镀制了 类金刚石红外增透膜及保护膜。 国外的研究现状：脉冲真空电弧离子镀技术是一种新型的镀膜技术，国外有前苏联、 美国、芬兰、日本、以色列、新加坡等国家研究脉冲真空电弧离子镀技术，前苏联处于国 际领先水平，芬兰与美国均由前苏联引进技术与设备。目前，国外已采用此技术镀制了性 能良好的类金刚石薄膜。 4 1 2 脉冲真空电弧离子源的工作原理 1 - 阳极2 - 起弧极3 绝缘环4 起弧15 - 起弧26 - 阴极 图4 1 脉冲真空电弧离子源结构示意图 西安工业学院硕士学位论文 脉冲真空电弧离子源主要由阴极、阳极、起弧电极三部分组成，如图4 1 所示。阴极由被蒸 发的材料制成，脉冲真空电弧离子源可专门制作一个阳极，也可以把真空室或基片夹作阳 极。脉冲真空电弧离子镀原理是基于冷阴极真空电弧放电，脉冲真空电弧离子源产生的真 空电弧放电使阴极材料蒸发并电离，形成等离子体束流，等离子体一方面在基片( 工件) 上形成膜层，另一方面维持电弧放电。冷阴极真空电弧放电的电子发射机理主要是场致电 子发射，而场致电子发射需要在阴极表面建立很强的电场，因此，仅靠脉冲真空电弧离子 源的阴极和阳极之间的电位差是不够的，故需要引弧，引弧的方法大致有三种：喷气引 弧法：预电离引弧法；接触短路引弧法。本文采用预电离引弧法，即采用起弧电极。 首先在起弧电极和阴极之间产生小电流电弧放电，产生预电离，离子在阴极表面建立很强 的电场，产生场致电子发射，然后阴极与阳极两个主电极加上不很高的电压( 几十伏到几 百伏) ，使气体及蒸汽击穿形成电弧。真空放电过程为：真空电弧放电时，距离阴极靶面1 0 。4 1 0 4 c m 处形成的正离子空间电荷为电子发射提供了1 0 5 1 0 7 v c m 的电场强度。正离子空间 电荷是维持放电和决定放电区域、位置的主导因素。正离子的空间电荷在阴极表面形成鞘 层，它的形状、分布影响着阴极弧斑的运动。在阴极靶面上一般存在几个到几十个阴极弧 斑，以每秒几十或几百米的速度运动。由于弧斑直径很小，导致很高的功率密度。场致电 子发射电流密度可以达到1 0 6 a e r a 2 。阴极靶材熔化蒸发时，一方面弧斑在靶面上留下烧蚀 坑，一方面阴极材料蒸汽形成了高气压，以很高的速度射向真空空间。烧蚀坑的大小和阴 极弧斑的数目随着电弧放电电流的增大而增大。烧蚀坑的尺寸受阴极靶面平均温度的影响 较为明显，平均温度越高烧蚀坑也就越大。阴极发射的电子与正离子鞘层中的离子复合， 阴极材料蒸汽在飞离阴极过程中也会带走部分正离子，从而破坏了弧斑放电前的正离子空 间电荷的分布状态，使之密度降低，肖0 弱了电场强度。正离子鞘层的削弱使该地点的场致 发射电子条件消失，弧斑的寿命也即终结。弧斑的衰减过程为0 8 1 a s 左右。多个弧斑在时间 和空间上是不同步的，而是交替地发生和消失，使放电得以持续。弧斑的移动是放电地点 从一处转移到另一处的现象，弧斑是向着满足电子场致发射条件的位置移动的。放电后被 削弱的正离子鞘层随后恢复。放电产生的高能电子与中性粒子碰撞发生激发和电离。形成 正离子鞘层的原因是电离与电子质量差异而引起在加速电场作用下的速度差异。正负电荷 分离的空间距离由德拜宽度决定，即： ( 4 1 ) 式中五。为德拜宽度( c m ) ，疋为等离子体中电子温度( k ) ，e o 为真空介电常数( f m ) ，1 2 为电子密度( 1 c m 3 ) ，k 为玻耳兹曼常数( j k ) ，e 为电子电量( q ) 。 正离子和电子复合过程中，正离子在电场作用下到达阴极而消失，阴极材料蒸汽的冲 击是正离子鞘层削弱的因素；而电子与中性粒子非弹性碰撞的电离过程是与削弱因素相矛 盾的两个方面之一。这种正离子的消失与补充维持着电弧放电。 脉冲真空电弧离子源工作过程是：当真空室内的真空度到达2 7 x 1 0 刁p a 左右时，电容器 c 1 ，c 2 充电，给可控硅整流器一个起弧信号，在起弧电极与阴极之间的电容c ，产生小电流 放电，在阴极与阳极之间出现导电层，电容器c 4 在阴极与阳极之间放电，随着电容器c 。 在储能的释放，当电容器供给的能量不足以维持放电时，放电就熄灭，起弧信号是脉冲式 的，以后的过程不断重复，产生脉冲放电。 西安工业学院硕士学位论文 4 2d l c 薄膜的制备 4 2 1 沉积设备 本文使用的是从白俄罗斯进口的yb h1 4j ia 一1 0 0 1 型脉冲真空电弧离子镀设备如图 4 2 所示。 1 。真空室2 旋转工件架3 连续弧源4 脉冲真空电弧离子源5 - 清洗源6 一红外传感器7 - 观察窗 图4 2 设备示意图 4 2 2d l c 膜的制备工艺 基片：实验过程中使用两种基片：s i 或g e 沉积的基本过程： 基片装入真空室前，经醇醚混合液清洗和超声波清洗；当真空度达到2 7 x 1 0 。p a 时， 打开霍尔离子源清洗真空室和基片；然后打开碳离子源按照不同的工艺沉积类金剐石薄膜。 工艺的选择： 脉冲电弧离子镀沉积薄膜时，影响类金刚石薄膜特性的主要因素是脉冲频率、主回路 电压、加热时间等。因此，研究时采用表4 1 的工艺参数。 表4 1 脉冲电弧离子镀沉积薄膜工艺选择 编号l # 甜3 #删5 #蒯 主回路电压n ) 2 0 02 0 02 0 02 0 02 0 02 2 02 4 0 2 6 0 脉冲频率( h z ) 12353333 加热时n ( m i n ) 3 03 03 03 0l o1 01 0l o 编号鲥 1 0 #1 1 #1 2 #1 3 #1 4 #1 5 #1 6 西安工业学院硕士学位论文 4 3 光学参数测试 4 3 1 测试设备 测试薄膜光学常数的仪器采用美国j a w o o l l a m 公司制造生产的m 一2 0 0 0 u i 型宽 光谱变角度椭偏仪。其原理、结构已在第三章做过详细论述。 4 3 2 测试模型的建立 根据沉积薄膜的性质，本测量中，对薄膜分别采用洛伦兹、柯西模型进行拟合。 薄膜结构模型同样可以简化为三层结构来描述：硅衬底一类金刚石膜一环境 ( 1 ) 衬底为半导体工业上广泛使用的单晶硅材料，其光学性质已研究得很充分，可以直 接使用m 2 0 0 0 u i 型宽光谱变角度椭偏仪的w v a s e 3 2 数据处理软件中提供的数据。 ( 2 ) 类金冈h 石膜在红外光部分是透明的或是弱吸收的，所以可以用经典的柯西模型束拟 合，但不同的工艺又会产生不同的性质。选用不同的模型来拟合，最后分析得出合理的结 论。 ( 3 ) 环境为空气，折射率为1 在类金刚石膜层中，一方面是建立尽量符合该层实际结构的物理模型，另一方面要选 择描述该物理模型合适的色散模型。在本模型系统中，这一层将是研究和讨论的主要内容。 在拟合时选择了以下几种模型： 模型1 ：硅基底柯西层一粗糙层 模型2 ：硅基底一洛伦兹层粗糙层 模型3 ：硅基底一有效介质层( e m a ) ( s i + v o i d ) 柯西层粗糙层 模型4 ：硅基底一有效介质层( e m a ) ( s i + l o r e n t z ) 一柯西层一粗糙层 模型5 ：硅基底一布鲁默层( f b ) 一粗糙层 模型6 ：硅基底一带紫外吸收的柯西层l 带紫外吸收的柯西层2 一粗糙层 4 3 3 拟台模型合理性研究 为研究分析模型的合理性，选择编号为1 2 # 的样件作为研究对象，利用上述模型对样件 进行分析和处理，拟合结果如表4 2 所示。 表4 2 不同模型的拟合结果 西安工业学院硕士学位论文 由m s e 来看，这几个模型拟合的结果都很相近；由消光系数可知：模型4 和模型6 很 大，达到或超过了0 7 ，这与其它几个模型相差较大。首先分析模型4 ：由图4 3 拟合值与 实验值差可以看出：1 0 0 0 1 6 0 0 n m 误差是单调增加的，存在系统误差的因素，模型6 也有 同样的趋势。因此，从这一点上可初步排除这两个模型的可靠性。在分析模型6 的两层膜 的厚度、折射率和消光系数时，靠近基底的消光系数在很大一段波长范围内都是o7 0 5 ，这 样的结果不符合色散规律，是不可靠的。因此可以将模型6 排除在合理模型范围之外。对 于模型4 的出的l o r e n t z 百分比为1 1 ( 有效介质层中l o r e n t z 占有的百分比，两种物质百分 比含量之和为1 ) ，负值对于用l o r e n t z 关系描述物质光学特性的有效介质来说是没有物理意 义的。而当给定l o r e n t z 百分比初值为2 0 时，得到的结果为：m s e 为9 0 0 3 ，厚度为 5 9 8 3 5 4 n m ，入射波长6 3 2 n m 处的折射率为2 6 7 1 6 ，消光系数为0 7 1 7 9 4 ，这样的结果似乎 合理，由表4 3 的拟合参数9 0 置信度可看出c n 2 的拟合值比误差值还小，这样的结果显 然是不合理的。因此，模型4 对于描述这类薄膜是不恰当的。 对于模型1 ，由表4 4 的拟合参数9 0 置信度和表4 5 的拟台参数相关性矩阵可知：拟 合参数值与误差值基本上相差一个数量级，拟合参数之间也不存在相关性，这对于拟合结 果的唯一性来说是非常重要的。再分析拟合值与实验值差，如图4 4 所示，误差值在小于 3 0 0 n m 时很大，这是由于仪器的测量范围为2 5 0 1 7 0 0 n m ，从而在仪器测量范围边界波长 即2 5 0 n m 左右的测量误差较大。而波长大于3 0 0 n m 后，差值在零附近上下波动，可以认为 是随机因素的影响，因此拟合结果是合理、可靠的。这一模型在一定程度上可以作为描述 此类薄膜结构的模型。 模型6 拟合值与实验值的差模型4 拟台值与实验值的差 图4 3 拟台值与实验值的差 表4 3 模型4 拟合参数的9