氧化铝薄膜厚度测量及制备方法研究

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书(论文)氧化铝薄膜厚度测量及制备方法研究作 者 :学 号：学院 (系 ):专 业 :指导教师： 评 阅 人： 20*年 6 月本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书学 院（系）：专 业 ：学 生 姓 名：学 号：01061B203设计 (论文 )题目 ： 氧化铝薄膜厚度测量及制备方法研究起 迄 日 期 : 20*年 3 月 1 日 20*年 6 月 15 日设计 (论文 )地点 :指 导 教 师 :专 业 负 责 人 :发任务书日期: 20* 年 3 月 1 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、学习相关原理知识；2、实验方案确定及实验3、查询 10 篇以上文献，其中至少 1-2 篇外文资料；2毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、学习相关原理知识；2、实验方案确定及实验3、完成论文撰写；4、外文资料翻译。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计(论文) 、图纸、实物样品等)：1、毕业论文一份；2、英文文献一份，相应的中文译文一份。4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容20 年1 月 15 日 3 月 31 日4 月 1 日 5 月 31 日6 月 1 日 6 月 20 日6 月 21 日 6 月 25 日系统学习，查阅资料，作开题报告实验方案确定及实验撰写毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 氧化铝薄膜厚度测量及制备方法研究 指导教师评语： 该同学在毕业设计期间，认真系统的学习了与设计题目相关的基本知识，态 度认真，踏实肯干，能 够独立查阅 所学要的文献，基本能够独立开展科学研究，对氧化铝薄膜厚度测量及制备方法进行了理论设计和分析，在一定程度上反映了该生具有比较扎实的专业理论基础，基本完成毕业设计任务书所要求的内容。具有一定的创新性。论文撰写格式规范，符合我校教务处下发的论文撰写格式要求。论文条理清楚，结构合理，圆满完成了毕业设计。建议成绩为良。同意参加毕业答辩。指导教师(签字) ：20*年 6 月 16 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 氧化铝薄膜厚度测量及制备方法研究 评阅人评语：评阅人(签字) ：职称(或学历):年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 氧化铝薄膜厚度测量及制备方法研究 综合成绩： 答辩委员会评语：答辩委员会负责人(签字)： 年 月 日本科毕业设计（论文）氧化铝薄膜厚度测量及制备方法研究摘要：氧化铝薄膜因其光学性能优良、机械强度与硬度高、透明性与绝缘性好、耐磨、抗腐蚀及化学惰性等特点而引起人们的极大兴趣, 已经广泛地应用于光学、机械及微电子等领域。在制备时主要介绍了脉冲磁控溅射法，这是一种用于消除直流反应溅射中异常放电的技术。本文采用白光干涉法测量薄膜厚度 ,它首先测得入射光在薄膜上下表面所产生的两束反射光的干涉光谱，再由此测算上下表面的干涉光之间的光程差，最终计算出薄膜厚度。关键词：氧化铝薄膜，干涉，制备，脉冲溅射本科毕业设计（论文）The Research Of The ThicknessMeasure Of Aluminum Oxide Thin Films And Preparation Method Abstract: Aluminum oxide thin films are widely used in mechanical, optical and microelectronic applications because of their excellent properties, in term of chemical inertness, mechanical strength, hardness, transparency, high abrasive and corrosion resistance, as well as insulating and optical properties. Pulsed sputtering is used in preparation, this is a new kind of technology used to eliminate the abnormal discharge during DC reactive sputtering. This paper introduced the measurement of the thickness of film with the white light interfere, it would be got the interfere sectrum, which came from the incident light formed two reflect light on the surface of the two reflect light was measured by interfere sectrum. At last, the thickness of the thin flims were calculated.Key word: Al2O3 thin films, Interference, preparation , Pulsed Sputtering 本科毕业设计（论文）目录1 引言 .12 薄膜厚度测量 .32.1 薄膜厚度测量常用方法 .32.2 白光干涉法 .72.2.1 白光干涉法原理.72.2.2 系统设计.93 薄膜的制备.153.1 氧化铝薄膜制备方法概述 .153.1.1 物理方法 .153.1.2 化学方法 .173.2 脉冲磁控溅射.183.2.1 工作原理.193.2.2 装置及选材.193.2.3 溅射方法说明.204 结论 .23致谢 .24参考文献 .25附录英文文献本科毕业设计（论文）1 引言薄膜的研究及其技术发展史可以追溯到 17 世纪 1650 年 R.Boye,R.Hooke 和I.Newton 观察到在液体表面上薄膜产生的相干色彩花纹 。随后,各种制备薄膜的方法和手段相继诞生,1850M.Faraday 发明了电镀制备薄膜方法,1852 年 W.Grove 发现了辉光放电的溅射沉积薄膜方法,T.A.Edison 则在 19 世纪末发明了通电导线使材料蒸发的物理蒸发制备薄膜的方法。虽然薄膜技术不断发展，但薄膜的应用最早则局限在抗腐蚀和制造镜面。由于早期技术落后，所得的薄膜重复性较差，从而限制了薄膜的应用。只有在制备薄膜的真空系统和检测系统（如电子显微镜、低能电子衍射以及其他表面分析技术）有了长足进步之后，薄膜的重复性才大有改观，从此薄膜的应用也迅速拓展，尤其到了 20 世纪 50 年代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜技术和薄膜材料愈发显示出其重要作用。特别是在印刷线路的大规模制备和集成电路的微型化方面，薄膜材料与技术更显出其独特的优势。如今，薄膜材料的研究和开发，往往起始于这种新材料的薄膜合成与制备，而后就是其性能与参数的测定。薄膜技术已经成为新材料研制必备的手段之一。现在，薄膜技术和薄膜材料已经渗透到了国民经济的各个重要领域，如航空航天、医药、能源、交通、通信和信息等。同样在高新科技产业，薄膜也占有一席之地。如今，薄膜材料正向综合型、智能型、复合型、环境友好型、节能长寿型以及纳米化方向发展。Al2O3薄膜由于具有优良的物理、化学性能, 运用范围越来越广, 因而逐渐受到人们的重视。其薄膜的特点有: 薄膜与金属铝的初始氧化有关, 并在铝表面形成几纳米厚的“阻挡层”防止腐蚀; 对Al 2O3 薄膜进行表面光谱分析时不存在电荷积累和不纯的问题; 当金属在Al 2O3膜上沉积时,Al 2O3薄膜起到催化剂的作用。Al 2O3薄膜对光纤掺杂来说是很有吸引力的一种材料, 这是因为氧化铝在可见光和近红外线区域没有吸收峰。掺铒光纤放大器在石英单模光纤最低能耗波长1.55 Lm 处具有增益高、噪声低、频带宽及饱和输出功率大等特点, 所以在光纤通信中被作为中继放大器、功率放大器和前置放大器, 是实现全光传输的核心部件。Al 2O3薄膜机械强度高、硬度高、耐磨、抗蚀、高温稳定性好、化学惰性强 , 所以在机械领域中得到广泛应用。汽车发动机活塞的磨损比较严重, 需要经常更换, 既不方便又不经济。将活塞环槽上镀上一层陶瓷膜, 使之耐磨性得到提高, 从而延长使用寿命。在微电子方面, Al 2O3最重要的性质是本科毕业设计（论文）具有很高的介电常数(约为8.1) , 很低的金属离子渗透率, 强抗辐射能力, 很高的化学稳定性和很高的导热系数。且其绝缘性氧化铝薄膜的介绍也非常好, 电阻率为31015 m,作为绝缘材料应用于半导体器件中比SiO 2 更具优势, 其介电常数比SiO2 高出4倍。Al 2O3 膜可作为二级器件的封装; 作为扩散阻挡层; 作为迁移离子阻挡层; 在32D 集成电路中绝缘体上的Si(SO I) 器件上作为缓冲层; 在金属-氧化物-半导体(MOS)器件上作为钝化层等。在本的论文中主要论述氧化铝薄膜的制备及其厚度测量方法。氧化铝薄膜因化学性能优良、机械强度与硬度高、透明性和绝缘性好、耐磨、抗腐蚀及化学惰性等特点而引起了人们极大兴趣，已经广泛地应用于光学、机械及微电子等领域。薄膜的制备方法多种多样，有物理方法和化学方法两大类，并着重介绍了脉冲磁控溅射法。膜厚是一个非常重要的参数，它的测量也有很多种方法，我着重介绍了白光干涉法。2 薄膜厚度测量在微测量中 ,传统的膜厚测量方法 ,如迈克尔逊干涉仪测试膜厚 , 无法直接测出干本科毕业设计（论文）涉条纹移动的条目数 ,而且干涉条纹的清晰程度直接影响到测试精度 ,所以必须提高仪器测试精度以得到清晰的干涉条纹 ,光学系统较为复杂 ,一般需要激光做为光源。 X 射线法干涉法 ,只能测量最小膜厚 ,不能测量任意位置的膜厚。椭圆偏振法是测量膜厚必须事先制好曲线和数表 , 但生产偏振仪的厂家所提供的曲线和数表有限 , 往往需要使用者自己计算所需的数表和曲线 , 这是一件非常烦琐的事 ,导致该方法使用起来不够灵活。而本设计中，采用“ Y”型光纤传导光信号 ;在光纤的测试端 ,入射和反射光通过同一根光纤；不需要外加参考光以得到干涉条纹 ;直接测量反射光的光谱即可得到膜厚的数据。2.1 薄膜厚度测量常用方法1偏仪法 3根据椭偏术的基本方程 RP/RS= tge 式中 R P 和 RS 分别为光矢量平行和垂直于入射面分量的反射系数 ; 和 称椭偏参量 , 是与样品光学参数有关的量。本仪器采用消光法原理来测量 和。设 P和 A 分别为检器消光时新对应的起偏器和检偏器的方位角 ,则 (, ) 与 ( P , A ) 关系为：0A 1 ， =A = -2P1223A 2 ， = - A2 = -2P2 （2.1） 且P1 =A1= -AP1 =P2+ P1P 2P1=P2- ，P 1P 2 （2.2）本科毕业设计（论文）图2.1是反射式椭偏仪的原理图激光光源L 发出的光，经过起偏器P 成为线偏振光，再经过1/4波片C，形成椭圆偏振光，然后投射到待测薄膜/衬底光学系统S 上，利用起偏器和1/4 波片的方位角的差别可以调整椭圆偏振光的椭偏度和方位角，使它经样品反射后成为线偏振光。通过检偏器A和探测器D 可以测定线偏振的方位角，分别测定P波和S波的反射率，计算表明，当1/4 波片的快轴方向的方位角为45，反复调整起偏器和检偏器的方位角，使样品反射后的光强度最小时，得到起偏器和检偏器的方位角分别为P 和A，此时y=A，D=90-2P 或270-2P（A0），从而测得的n 和d。2白光干涉法这种测量膜厚的方法 , 是通过对入射光在薄膜上下表面所产生的两束反射光束的干涉谱的测量 ,测算薄膜上下界面反射光之间的光程差 ,从而计算得到测得膜的厚度。3 .X射线衍射技术测膜厚 由两种材料交替沉积形成的纳米多层膜具有成分周期性变化的调制结构。入射X 射线满足B ragg条件时就可能像晶体材料一样发生相干衍射。由于纳米多层膜的成分调制周期远大于晶体材料的晶面间距, 其衍射峰产生于小角度区间。小角度XRD 被广泛用来测量纳米多层膜的成分调制周期。另外, 纳米多层膜的成分调制周期可表示为= ata+ btb （2.3） a, b 分别为一定功率下a 和b 两种材料的沉积速率, nm/sLPCADX XYYn2n1n0本科毕业设计（论文）t a, tb 分别为a 和b 两种材料的沉积时间, s制备不同调制周期的纳米多层膜, 控制不同靶的沉积时间, 使 ta1 ta2 tb1 tb2, 通过式(2.3) 得到线性无关的方程组, 通过方程组便可求出两种材料的沉积速率 a, b 和膜厚 ata , bta 。采用对纳米多层膜进行小角度XRD 测量的方法, 可以克服极薄膜厚度测量中基片平整度对膜厚测量造成的误差、不同基片对沉积速率影响造成的膜厚控制不准确以及金属膜氧化带来的厚度改变等难点, 能准确、方便测量纳米薄膜的厚度。4.光切显微镜测厚法光切显微镜测量厚度原理是利用一狭窄的扁平光束 A 以一定的倾斜度投射到被测表面上,光束在被测表面上发生反射所反映出来的表面微观不平度,在光束反射方向上用显微镜观测的方法。图2.2为光切法测量原理图(若被测量面为一理想平面,则所有反射光点将成像在一直线上,否则反射光点成像不在一直线上) 。倾斜光束 A 投射到被测有微小厚度差异的阶梯表面 P1 、 P2 上,其交线分别为 S1 、 S2 ,在 A 方向上的距离为h ,于反射光 B 的方向上可观察到 S1 、 S2 的象 S 1 、 S 2 ,其间距离为h,若倾斜角 取45 ,则阶梯表面的阶梯高度h由图2.2中的几何关系不难看出: h= h/cos45= 2 h (2.4)当观察用显微镜物镜的倍率为 V 时,两象 S 1 、 S 2 之间的距离 h 为:h= Vh (2.5)图 2.2 光切法原理图联立式(2.4) 、(2.5) ,求得表面阶梯高度 h 为:h=(h/h)cos45=h / 2 v (2.6)测量薄膜厚度利用上述原理。为了测量与计算方便,在仪器设计时采用机械方法加本科毕业设计（论文）以有理化,即在光切显微镜上将测微目镜分划板十字线的移动方向 A - A 与微小高度差值 h 方向成45 ,如图2.3所示,其移动量 a 由测微目镜鼓轮读出。因此,在目镜视场内光带的微小高度之间的距离 h 与测微鼓轮读出的数值 a 之间的关系为: h = acos45,将此代入(2.6) 式,可得表面微小高度 h与测微目镜鼓轮读数 a 之间的关系如下:h= hcos45/v= cos45=a/2v (2.7)式中: a 测量目镜瞄准微小阶梯高度差 h ;h 薄膜厚度;V 所选用物镜的放大倍数。图2.3 高度测量原理图5探针法金刚石探针沿膜表面移动，而探针在垂直方向上移动，而探针在垂直方向上的位移通过点信号可以放大到 10 倍并被记录下来。从膜的边缘可以直接通过探针针尖所检测的阶梯高度确定薄膜的厚度（如图） 。现在探针法所测量的薄膜一般为硬质膜，其分辨率可达到 1-2nm。图 2.4 测量膜厚的探针法本科毕业设计（论文）2.2 白光干涉法2.2.1 白光干涉法原理图 2.5原理图入射光透过玻璃射向薄膜 , 在空气玻璃界面处发生反射 ,形成第一束反 I1 。入射光线在薄膜中前进 ,并在薄射载体的界面处又发生反射 ,反射光透过薄膜空气界面射入空气 , 形成第二束反射光 I2 。两束反射回去的光由光纤传输至分光光度计。薄膜载体表面要求均匀平整。当膜的折射率较低时 ,光在薄膜内的反射很弱 ,多次反射的情况基本上不用考虑 , 不会出现多束相干光的情况 ,所以只需要考虑单次反射光发生相干的情况。由于膜有一定的厚度 , 第一束光与第二束光之间存在光程差 , = 2 dcos i , i 为光的入射角 ,在近垂直入射的条件下 , i 近似为零度 , 所以 = 2 dcos i = 2 dcos (0) = 2 d 。在白光的相干长度内,光程差的存在使两束反射光之间可能会发生光的干涉。设第一束光的光强为 I1 ,第二束光的光强为 I2 ,根据Fresnel 定律,干涉光的光强由下式给出:I=I1+I2+2 COS( ) (2.8)21I其中, 即光程； 为入射光的波长。由于 I1和 I2 强度接近 ,可近似认为两者相等。设 I1 = I2 =I R ,上式可简化为:I=2IR (2.9)2(1COS该式表明,对于一个给定的 ,/ 与 I 之间存在余弦关系。在 / = 0.5 , 1 , 1.5 , 时可以得到反射光强的极值。也就是说 与反射光强 I 之间是cos (1/ ) 的关系。不透明薄膜载体入射光薄膜层本科毕业设计（论文）用曲线表现出来应该是如图2.6 所示的形状。这种曲线看起来类似余弦函数 ,只是随着 的增加 ,信号的周期会变展宽。图2.6是假设光程 为4m 时的情况。用两个或两个以上的极值,可以计算出每个极值的阶数以及光程 的值。先找到极值点 a 、 b、 c 、 d 、 e 、 f ,取得极值点处对应的波长值。设 k = 015 ,当 / = k , 2 k , 3 k , 时对应反射光强的极值点。由于我们不知道我们取的极值点到底是在哪一阶,所以不妨依次设定 a 、 b、 c 处的阶数为 mk 、 mk - 1 、 mk - 2 , 阶数递减是因为随着 增大 , 1/ 在减小 ,所以阶数应该是递减的。列方程组如下 :图2.6 a= mk (2.10)b= mk 1 (2.11)c= mk - 2 (2.12)对于给定的 a 、 b、 c 极点处的波长数值 ,联立求解上面的三个方程 ,就可以得到光程 以及阶数 m的数值。在近垂直入射下 ,对于给定的折射系数 n 和光程 , 膜的实际厚度d 可由式(2.13) 给出:= 2 nd (2.13)白光干涉术,特别适合于测试一般方法难于分辨的薄膜厚度,稳定可靠。对薄膜上下表面的两束相干的反射光光谱进行分析,根据光程差测量膜厚,可以测试膜的任何位置的厚度,也不需要事先制定曲线和数表,可以实时测量。检测系统结构简单,数据处理方法简单,不需要对采样的干涉谱进行傅立叶变换,速度快,精度高,若减小光源的带宽,可400 600500450 550042波长（nm）反 射 光 强本科毕业设计（论文）以得到较大的检测范围。2.2.2系统设计为实现膜厚的测量,膜厚测试仪的设计如图2.7所示 图 2.7系统原理图光源发出的宽带白光经过“Y”型光纤的传导,垂直入射到薄膜上,依次由空气薄膜界面以及薄膜载体界面反射回来,形成上述的两束反射光束。两束反射光线由同一根光纤反射回来,经过“Y”型光纤耦合器进入“Y”型光纤的另一支,最终进入频谱仪。频谱仪实时记录两束相干光的干涉频谱,光谱的数据最终被送入计算机进行一系列的数据处理。 一定保证光纤和薄膜之间的空气间隙要远大于光源的相干长度,免得不能确定相干的结果是不是由光纤和薄膜之间的空气膜层上下表面两束反射光相干结果。1.光源选择系统所用光源为宽带钨卤素灯白光光源。钨卤素灯技术指标:光源波长范围为:360nm-2pm.光谱曲线如图2.8所示。输出功率:6.5可 见 在 我们感兴趣的可见光范围内(400-800nm)光谱曲线并不平坦，所以在后面的分析计算中必须将反射光谱曲线归一化，以去除光源光谱曲线不平坦对测试结果的影响。薄膜载体光源频谱仪透明薄膜“Y”型光纤121100 19001500300 7001008060402本科毕业设计（论文）图2.8 钨卤素灯的光谱2.光纤的选择本文中所使用的光纤传感单元主要是“Y”型多模石英光纤，直径可以根据需要选择，从200到600um分几种型号。主要使用的是400um芯径光纤。该光纤技术指标为:内层光纤芯折射率为1.47，临界角为47 o;数值孔径为0.22，收光角为12.7 o。在UV/VIS或者VIS/NIR波长范围内适用。光纤反射探头为标准封装，光纤与光源和光谱仪之间的连接使用国际标准SMA905接头。3.光谱仪本测试仪器的主体采用美国海洋光学公司(OceanopticsIn c.)生产的S2000微型光纤光谱仪，它将分光光度计、CCD前级电信号处理电路、A/D数据采集卡集成在一起，制作成一台体积很小的仪器。通过串行接口和计算机相连接。配合光谱分析软件就构成了完整的光谱分析系统。分光光度计接收光纤传感单元传递来的反射光，将该反射光在一定的波长范围内分解成为光谱，线阵CCD采集分解后的光谱并将其转变成电信号送入计算机进行数据处理。系统的分光光度计采用交叉切尔尼一吐奈尔型(Crossed Czemy-Tuner)成像系统(又名交叉对称水平成像系统)如图2.9所示。波长/nm本科毕业设计（论文）图2.9 分光光度计结构系统由狭缝、一块平面反射光栅、两块相同的凹面反射镜(分别作为准直物镜和成像物镜)构成.两镜中间分开，曲率中心重合，可避免二次衍射与多次衍射。入射光从狭缝进入分光系统，由反射镜1(准直物镜)对光线进行准直，准直物镜的作用是把来自狭缝上每一点的光束变成平行光投向色散系统，保证色散元件处于平行光束中。入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。准直光照射到起色散作用的反射光栅上，入射的复合光被分解为光谱。反射镜2是成像物镜，将空间上色散开的各种波长的光束会聚在成像物镜的焦平面上形成光谱，最后将光谱反射到线阵CCD上。该成像系统有利于消除杂散光的影响，利用光栅很容易挡住由反射镜1直接返回入射狭缝的杂散光和由反射镜2直接射入线阵CCD的杂散光，缺点是离轴角大，这将带来像差大的问题。4.对分光光度计光学参数的选择根据测试的具体需要，购买光谱仪时要根据实际需要选择分光光度计的光学参数。实际中所考虑的影响因素有:工作光谱范围、色散率、光学分辨率、光度特性及工作效率。a.工作光谱范围即使用光谱仪记录的光谱范围需要根据测试薄膜的具体情况和极值点计算的要求确定，至少保证在该波长范围内能够测试到两个以上的极值点。在使用光栅的分光光度计里，这个参数主要取决于光栅表面反射膜层的光谱反射率。本文中的光栅在UV/VIS的范围内可用，可探测的光谱宽度为650nm，最佳有效范围是250一800nm。该范围可以满足正常的测试需要。b.色散率色散率表明从光谱仪器色散系统中射出的不同波长的光线在空间彼此分开的程度，或者会聚到焦平面上时彼此分开的距离。对于接收连续光谱、线阵CCD作为成像单元中本科毕业设计（论文）的光电接收器的情况，色散率定义为:色散 (nm /Pixels)=光栅的频谱范围/线阵CCD检测单元数 (2.14)可见 ，色散直接取决于光栅密度以及线阵CCD的单元数。本文中的光谱色散为:色散 (nm/rpixels)=0.32nm/pixels （2.15）c.光学分辨率分光光度计的光学分辨率是指仪器分开波长极为接近的两条谱线的能力，关系到光学系统的测试精度。对于本系统中以光栅作为色散器件的情况，分辨率主要考虑光栅的分辨率、狭缝宽度、和接收系统的影响。下面由光栅分辨率理论导出本文中对光栅参数的选择。根据瑞利准则，光栅的理论分辨率R为:R=/d （2.16）式中d指可被分辨的两谱线的波长差，指两谱线的平均波长。如图3.5所示。假设理想光栅的情况，入射和衍射光线都位于光栅的主截面内，为简化起见假设入射角为0 O(正入射)，则波长的m级主亮条纹满足条件:dsin m=m （2.17）波长(+ d)的m级主亮条纹满足条件:dsin m =m(+ d) （2.18）波长的m级主亮条纹外第一最小值满足条件:dsin m1=(m+1/N) （2.19）式中N为光栅的总刻痕数目。按照瑞利判据，当波长的第一最小值落在(+ d)的m级最大值处时，两条谱线可以被分辨，也就是: m1= m(m+1/N)=m(+ d) （2.20）/N=md （2.21）R=/d=Mn （2.22）公式 (2.22)给出了光栅的理论分辨率。光栅的理论分辨率等于光谱级次和光栅总刻线的乘积。由于可观察到的最高光谱级次是受到限制的，为了提高分辨率，应用中通常采用增加总刻线数的办法。增加总刻线数有两种途径:一是增大光栅刻划面的宽度B;二本科毕业设计（论文）是减小光栅刻划间距d。光谱仪生产厂家提供了具有不同光栅常数d的各类光栅，选择具有较小光栅常数d的光栅，就能达到提高分光光度计光学分辨率的目的。本文中使用的两块光栅，一块光栅常数d为600线/mm，另一块为1200线/mm。分光光度计的光电接收系统是线阵CCD器件，厂家用像素值定义线阵CCD的分辨率。对于25um宽的狭缝，给定的分辨率为4.2pixels。整个分光光度计的光学分辨率定义为:光学分辨率 = 色散*分辨率（nm） （2.23）对于本文中所使用25nm宽的狭缝以及色散为0.32 nm/pixels的情况，本文所用光学系统的光学分辨率为:光学分辨率=1.344nm综上所述 ，系统的光学分辨率主要取决于反射光栅的密度、入射狭缝宽度以及线阵CCD的单元数目。光栅的密度越大，系统的光学分辨率越好，但会使可测量的频谱范围变窄。狭缝的宽度越窄，系统的光学分辨率越好，但会减弱入射光的强度，造成较大的光能损失。线阵的单元数当然是越多越好，不过随着线阵CCD采样单元数的提高，其价格也会大幅上升。d.光度特性光度特性是表示光谱仪器传递光能量的本领。即表明辐射光源的光谱亮度和光谱仪器直接测得的光度数值之间的关系。光谱仪器的光度特性不仅与仪器参数有关，而且和光源的光谱特性有关。e.工作效率光谱仪器的工作效率是它记录光谱的精度和速度的综合指标。近代的频谱分析仪的测试速度都很快，本文中所用的光谱仪的测试速度是可调的，可以通过调节线阵CCD的积分时间达到增大采样曲线幅值的目的，最短积分时间为8ms。 5.A/D转换电路仪器采用12位，500KHz的A/D转换电路对不同波长的光谱数据进行快速数据采集。通过计算机的COM1口进行数据传输，波特率设置为115200Bit/s。6.去噪A/ D 采样后的信号通过串行口被送入计算机进行数据处理。数据处理主要包括去噪、光学信号处理、计算极值点、计算膜厚和计算折射率。由于系统误差主要来自外界杂散光噪声和分光光度计里线阵CCD 的高频噪声。为了提高信噪比,改善图形质量,必须去噪。首先采用了频域平均法,也就是对同一片膜在实验条件不变的情况下采集 n本科毕业设计（论文）组数据,进行频域平均,可以使S/ N 比提高 n 倍。然后使用二次向量相减法,即在光源打开的情况下,遮盖住裸光纤的端面,测量反射回来的光谱,也就是背景噪声数据,然后用实际测量的数据减去背景噪声,可以去掉大部分杂散光噪声。再使用9 阶巴特沃斯低通滤波器,去掉CCD的高频噪声。此时得到的图象消除了绝大部分的系统噪声,图象比较平滑,可以进行数据分析了。3 薄膜的制备31氧化铝薄膜制备方法概述氧化铝薄膜是一种常用的功能薄膜材料,由于它具有透光性、化学稳定性、绝缘性、耐高温和高硬度等优异的物理化学性能,因而在光学、微电子学与光电子学、信息显示与存储器件等领域有着广泛的应用。它的制备可以采用多种工艺,但无非都是两类，物理和化学方法。在下面我简单的介绍了以下这些方法。3.1.1物理方法物理气相沉积对于化学方法的局限性显现出了其优越性。化学方法所制得的薄膜材料是由反应气体通过化学反应实现的，因此对于反应物和生成物的选择具有一定局限性，并且化学反应需要高温，基片所处环境温度也就要高，这样也就局限了本科毕业设计（论文）基片的选择。对于化学方法的诸多局限也就显现出了物理气相沉积的优越性。物理气相沉积过程可概括为三个阶段：（1） 从源材料中发射出粒子；（2） 粒子运输到基片；（3） 粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出多种不同的形式。1.磁控溅射沉积固体材料的溅射和蒸发是目前物理气相沉积制备薄膜工艺的两个最基本过程。Chap in 在1974 年发展了平面磁控溅射工艺, 克服了溅射沉积的极低的沉积速率和相对较高的沉积电压这两个致命弱点。从那时起磁控溅射沉积制膜技术得到了飞速发展。这种方法的特点是沉积的离子能量范围宽。按磁控溅射中使用的离子源不同, 磁控溅射方法有以下几种: 直流反应磁控溅射; 脉冲磁控溅射; 射频磁控溅射; 微波2ECR等离子体增强磁控溅射; 交流反应磁控溅射等。用这种技术制备薄膜时Al 2O3为靶材, 溅射用的惰性气体通常选择氩气(A r) , 因为它的溅射率最高。用氩离子轰击铝靶并通入氧气, 溅射出的铝离子和电离得到的氧离子沉积到基片上从而得到Al 2O3膜。目前国际上最广泛使用的是脉冲非平衡磁控溅射方法, 这主要是因为传统磁控系统中存在制备大面积、多组分、致密、高质量薄膜的困难问题, 而利用非平衡磁控系统就可有效解决此问题; 同时利用脉冲离子源克服了磁控溅射工艺中存在的沉积速率低而不利于商业生产的缺陷；此外, 利用脉冲离子源可有效地解决制备高绝缘膜如Al 2O3膜时产生放电效应而使薄膜存在缺陷的问题。这种方法使得制备高质量的可用于工业生产的薄膜成为可能, 因此受到人们的重视。2.脉冲激光沉积(PLD)PLD 是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于铝靶表面, 使铝靶表面产生高温及熔蚀, 并进一步产生高温高压等离子体, 这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。PLD 装置示意图如图1 所示。这种方法的优点是沉积速率高, 沉积过程容易控制, 如它的沉积速率通过调整脉冲频率(1 400 Hz) 两到三个数量级获得而不改变基本的物理沉积过程。此外, 用这种方法沉积薄膜时, 沉积气压可在10 - 2 10 2 Pa 之间变化, 使得薄膜形成离子的动能可在1 100 eV 之间变化, 从而得到不同结构和的薄膜。但该方法也存在薄膜沉积过程能量高、薄膜沉本科毕业设计（论文）积面积小等缺点。图 3.1脉冲激光沉积装置1、激光器；2、焦透镜；3、激光辐射室；4、真空室；5、可换靶材的支架6、基片；7、带加热器和冷却器的基片支架；8、等离子体；9、透明保护板3.微弧氧化沉积微弧氧化又称为等离子体氧化或阳极火化沉积, 它不同于普通的阳极氧化,而是一种在Al、Mg、Ti、Zr等有色金属表面上, 于非法拉第区进行火化放电, 原位生长陶瓷氧化膜的新技术 。放电过程中铝阳极表面约有10 5 /cm 2 个火花存在, 放电瞬间高温可达8000 K 以上, 生成一种性能类似于烧结碳化物的Al 2O3 陶瓷膜。这种方法的特点是膜的耐磨性好, 但膜表面粗糙。4.磁过滤阴极弧沉积这种方法是对普通的真空弧阴极离子镀技术的改进, 在普通的真空弧与基体之间增加了一段磁过滤通道, 通过调整磁场强度和偏压等参数, 使得等离子体中的大颗粒中性成分及部分离子在通道中过滤掉, 从而获得由铝离子和氧离子组成的沉积离子。容易造成膜污染 。5.离子辅助沉积在11310 -2 11310 -4 Pa 压力的高真空蒸发室中设置与镀源不发生关系的独立离子源(一般用氩离子源) , 其离子束直接轰击基片和生长的Al 2O3 薄膜, 从而获得质量较高的Al 2O3 薄膜。该方法的优是能控制镀膜的物理和化学变化, 适合在不易加热的基片上制备光学薄膜, 缺点是不适合工业化生产。6.电子束物理气相沉积将氧化铝细粉与粗粉按一定比例混合制成氧化铝陶瓷棒, 作为蒸发源。用一定能量的电子束轰击氧化铝陶瓷棒使其蒸发, 在衬底上沉积得到Al 2O3 膜。这种方法严格控本科毕业设计（论文）制的工艺参数较少, 操作和控膜生长相对容易, 制备的薄膜不会产生很多不可控杂质, 适合制备热阻挡层。3.1.2化学方法不同于物理气相沉积，薄膜制备的化学方法需要一定的化学反应，这种化学反应可以由热效应或者由离子的电致分离引起。在化学气相沉积和热生长过程中，化学反应是靠热效应来实现，而在电镀和阳极氧化沉积过程中则是靠离子的电致分离实现。与物理气相沉积相比，化学方法中的沉积过程控制较为复杂，也较为困难。1.液体源化学气相沉积(LSCVD)这种技术是指将含铝的有机金属物溶解在有机溶剂中作为液体源, 然后将这种源用超声波喷射以气雾剂的形式或溶滴注入的形式引入到反应室中进行沉积得到薄膜。第一种形式适合沉积用于磁存储和气体传感器上的膜, 后者适合沉积电介质膜。2.等离子体化学气相沉积(PECVD)这项技术是在传统CVD 技术上经过改进而产生, 克服了传统CVD 工艺要求基底温度高而使其应用受到限制的不利因素。在制备沉积过程中经过蒸发器携带有机金属的氩气与氧气混合进入等离子体反应室,然后沉积制得薄膜。用这种技术制备的薄膜其优越性在于: 成膜温度低, 压力小, 膜层附着力大, 可在不耐高温的基体上制备, 还可通过改变沉积参数来制备所需要的薄膜。PECVD 包括: 射频CVD, 微波CVD, 直流CVD, 交流CVD 等。近年来, 出现了高沉积速率和大面积的双源法, 如: 双射频辉光放电(RF2RF) , 微波2射频(MW 2RF) , 射频2直流辉光放(RF2DC)。3.金属有机物化学气相沉积(MOCVD)MOCVD 基本原理是采用、族元素的有机化合物和、族元素的氢化物等作为生长源材料以热分解反应在衬底上进行气相外延生长族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单层。MOCVD方法制备薄膜是金属有机物气化后利用载气(一般为氩气) 通入反应室和氧气发生化学反应, 反应的生成物沉积到衬底上从而形成薄膜。目前用于制备薄膜的MOCVD方法主要有3 种: 低压MOCVD、等离子体增强MOCVD 和光辅助MOCVD。MOCVD方法的优点是: 可以合成组分按任意比例组成的人工合成材料, 沉积速率高, 均匀性好, 重复性好, 沉积温度低, 所有工艺参数都可独立控制; 缺点是存在原材料的纯度、稳定性及毒性问题。本科毕业设计（论文）4.溶胶凝胶法溶胶凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化, 再经热处理生成氧化物或其他化合物固体的方法。通过有机醇盐水解法或无机盐水解法制得溶胶液, 经过薄膜涂敷工艺在基片上形成凝胶膜, 再经干燥焙烧后得到Al 2O3膜。溶胶凝胶法制备薄膜的方法有: 浸渍法; 旋覆法; 喷涂法和简单刷涂法等。溶胶凝胶法的优点是工艺设备简单, 可以大面积在各种不同形状、不同材料的基底上制备薄膜, 可有效控制薄膜成分及微观结构。缺点是制得的薄膜与基体结合力差, 成本相对较高, 制备过程时间较长。3.2脉冲磁控溅射法制 Al 2O3薄膜在上面所述工艺之中,直流磁控反应溅射沉积速率高、设备价格低廉、运行成本低、容易实现大规模工业化生产而具有很大的优势。但由于铝是活性金属之一,铝靶极易与溅射气氛中的氧发生反应而在靶面上覆盖不导电的氧化铝(Al 2O3 -x) 层,溅射过程中正电荷会在上面积累导致异常放电。为了解决在直流反应磁控溅射过程中异常放电的问题,出现了一种新型的溅射技术脉冲溅射技术 。3.2.1 工作原理用纯铝作为靶材，并且与脉冲磁控溅射电源相连，随着电压的升高靶材中带电离子和电子获得足够高的能量。接着用惰性气体（Ar）轰击铝靶，使得靶材发生电离，溅射出的铝离子与通入溅射腔的氧气发生反应形成氧化铝沉积在基片上形成薄膜。 （装置如下图）本科毕业设计（论文）图 3.2制备装置图1.溅射气体入口; 2.AL靶; 3.氧气入口; 4.基片; 5.基片架; 6.AL屏蔽; 7.真空室;8.接真空泵; 9.分压控制器3.2.2装置及选材溅射用的金属铝靶纯度为9919 %。靶为矩形, 面积为250mm 120mm。靶和基片之间的距离为50mm。溅射台的真空系统为油扩散泵系统。溅射前镀膜室本底真空优于310 -3Pa 。溅射用气体为氩氧混合气。氩气和氧气的纯度为991999 %。氧气通过D08-1A/ZM 型气体质量流量计导入真空室,并自动恒定于所选定的流量值。氩气则由压电阀导入。溅射室内的氩氧混合气体总压强由HYO2 型自动压强控制仪通过控制氩气的进入量来维持恒定。实验中固定溅射气体总压强PAr+ O 2=0. 5Pa 。本文中不加说明时,溅射过程中基片均处于自然温升状态,不另加热。 3.2.3溅射方法说明(1)磁控溅射的介绍在阴极靶内部按一定规律安置磁铁，使得靶表面形成电场与磁场正交的闭合跑道区域，利用跑道区域的正交电磁场束缚电子的运动，从而达到约束放电等离子体和提高放电空间离化率、降低工作电压及气压的目的。在磁控溅射过程中，二次电子在阴极位降区内，不断与气体分子发生碰撞并使之电离，自身能量损失后漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收。这样就避免了高能电子对基片的强烈轰击，降低了基片的温度和薄膜受到的电子辐射损伤。和其它溅射技术相比，磁控溅射具有高速、低温的优点，因而成为一种重要的溅射技术。原理图如图3.3所示。本科毕业设计（论文）图 3.3磁控溅射原理图（2）脉冲溅射的介绍脉冲溅射以传统的直流溅射为基础,在原来单纯的直流负电压波形上叠加了一个窄的正脉冲电压,使得施加在靶上的电压波形变成正负半周不对称的脉冲波,如图3.4所示。在较长时间的负半周期内,辉光放电等离子体中的正离子飞向靶,形成靶面溅射; 而在正脉冲期间,放电等离子体中的带负电荷的粒子(主要是电子) 飞向靶,中和靶面绝缘层上积累的正电荷,从而消除了异常放电发生的诱因,使溅射成膜能够长时间稳定地进行。图3.4 脉冲溅射所用电压波形脉冲(交流)溅射的电压波形可以是对称的，也可以是不对称的。通常将输出电压波形为不对称的矩形波的交流溅射方式称为脉冲溅射(常用于单靶溅射)，而将输出波形为对称方波或正弦波的称为交流溅射(常用于对靶溅射)。交流溅射技术用于对靶时，一个周期中每块靶轮流充当阴极和阳极，形成良好的“自清洁”效应。这种装置在沉积多元合金或化合物薄膜时，还可以方便地通过调节交变脉冲电压的占空比来改变薄本科毕业设计（论文）膜的组分。所需要的脉冲交流电源性能参数如下：输入 电 压 :范围: OV- - 800V(由外部直流电源提供)输入 电 流 范围: OA-25A(由外部直流电源提供)脉冲 周 期 : 50us, 100us, 150us, 200us, 250us, 300u