光学薄膜性能监测技术PPT学习教案

1、会计学1光学薄膜性能监测技术光学薄膜性能监测技术n光学特性：光谱反射、透射以及器件的光学损耗(吸收和散射）；n薄膜光学参数测试：n和d；n非光学性能监测：附着力、附着能、应力和耐环境条件实验能力； 光学薄膜应用范围广泛，器件的光学特性以及几何结构形状各异，所以薄膜器件的监测技术也必须适应器件特点； 薄膜性能提高，要求测试新的特性参数、更高江都测试技术不管出现。第1页/共70页第2页/共70页n紫外可见分光光度计：采用光谱分光原理测试；n红外分光光度计：采用光谱分光原理测试；n红外傅立叶光谱仪：采用干涉原理进行测试； 根据薄膜器件几何结构与形状、尺寸、偏振选择测试方法；第3页/共70页n是测量薄

2、膜透射率常用的光谱分析仪器，特别是单色仪型分光光度计；n波段分类：紫外可见光分光光度计、红外分光光度计；n测试原理：单色仪分光光度计和干涉型光谱测试系统； 单色仪型分光光度计原理单色仪 光源照明光学系统 样品池单色仪传感器处理系统第4页/共70页 光源照明光学系统 样品池单色仪传感器处理系统单色仪第5页/共70页 光源 样品池单色仪光电探测器调制器n首先不放样品，测出100透射的光谱信号；n放入样品测试光谱信号；n两个信号进行比较得到透射率； 特点n需要2次测量，测量速度慢；n对光源的稳定性以及系统的稳定性要求极高；第6页/共70页 光源单色仪样品台光电探测器偏光镜n任意角入射，形成偏振光测试

3、；n晶体偏光棱镜：产生偏振光；n偏光棱镜样品台=入射角可变的多角度透射与反射测试系统；第7页/共70页样品池参比池单色光探测器第8页/共70页性能Lamda900PECary 5000岛津UV365Hitachi 4100光谱1753330175333019025001853330分辨率0.08nm0.1nm0.1nm0.1nm透射精度0.000080.00030.0010.0003反射测试可以可以可以偏振测试可以可以可以第9页/共70页第10页/共70页n一般光谱仪开机后要进行初始化；n进行样品测试参数设定；n放置样品，进行测试； 测试中的注意问题n测量样品口径的影响：当样品小于光斑尺寸(1

4、cm2)，采用光阑限制；n测试样品的厚度：对于较厚的样品在参考光路中也要放入等厚样品n测试样品楔形角影响：光束尽量准直实用大口径的积分球探测；n测试样品后表面：根据空白基板的双面透射率，从样品双面透射率数值中求出前表面的透射率数值；n光线的偏振效应：样品垂直放置偏振测试装置；n仪器的光谱分辨率：选择合适的分辨率，滤光片要求分辨率高；n空气中某些成分的吸收带影响：二氧化碳吸收，方法是样品室充氮；第11页/共70页第12页/共70页第13页/共70页第14页/共70页第15页/共70页第16页/共70页第17页/共70页第18页/共70页第19页/共70页第20页/共70页na: 表示垂直方向上表

5、面的起伏和粗糙度；nl: 表示水平方向上的起伏和粗糙度；第21页/共70页第22页/共70页第23页/共70页第24页/共70页 激光对光学薄膜的损伤过程包含了激光作用的光学力学过程、场击穿过程光学力学过程、场击穿过程等，但最基本的还是热热过程过程，光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热，由热熔融或热力耦合热熔融或热力耦合导致薄膜的最终损伤。第25页/共70页)/exp(220arII)44exp()4(),(222220aDrDxaDDcaJtzrTtttt设激光强度是高斯分布，则a为高斯半径，时间为瞬间作用时 I0和J0分别是x=0,r=0时的功率密度和

6、能量密度，Dt为热扩散长度，为吸收系数。对于一般材料,=2/. 第26页/共70页 缺陷是薄膜结构中最复杂的成分，从几何形态上看，缺陷可以是空洞和结瘤空洞和结瘤，从其功能上看，应包括：结结构缺陷、杂质缺陷、化学缺陷、力学缺陷、电致缺陷构缺陷、杂质缺陷、化学缺陷、力学缺陷、电致缺陷等。 鉴于缺陷的组分形状千变万化，所以处理起来相当困难，对于杂质缺陷一般理解为吸收缺陷吸收缺陷，为了便于处理把吸收缺陷当作小球处理把吸收缺陷当作小球处理。 第27页/共70页 杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸杂质

7、材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉形成破坑形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。 杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的这些电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿阈值击穿阈值。第28页/共70页第29页/共70页第30页/共70页第31页/共70页2008EF 20)/(20)(reErE第32页/共70页Laser systemSamplehold

8、erbeamdiagnosticVariableattenuatorWaveplateFocusingsystemBeamspliter第33页/共70页第34页/共70页第35页/共70页第36页/共70页第37页/共70页第38页/共70页第39页/共70页第40页/共70页第41页/共70页减少材料和薄膜中有害杂质的含量提高破坏阈值稳定氧化锆材料的结晶相提高破坏阈值离子清洗提高破坏阈值氧分压的改变提高破坏阈值控制缺陷率提高破坏阈值退火过程提高三倍频膜的破坏阈值离子后处理提高破坏阈值保护膜提高破坏阈值激光预处理提高破坏阈值沉积技术提高破坏阈值第42页/共70页强激光薄膜相关的基础研究优质的

9、强激光薄膜优质的强激光薄膜建设一个完备的薄膜相关检测平台工艺控制水平预处理技术应用工艺过程控制与固化专用镀膜机的研制阈值问题面形问题小光斑预处理技术其他预处理技术优质的强激光薄膜优质的强激光薄膜预处理技术应用专用镀膜机的研制阈值问题面形问题小光斑预处理技术其他预处理技术第43页/共70页n折射率随厚度的变化，即折射率的各向异性；n折射率的微弱吸收(很小的吸收系数k)；n消光系数的不均匀性与各向异性；n光度法：根据反射率或透射率来确定n；n椭圆偏振法：利用偏振光的偏振性能来确定；n布儒斯特角法：利用布儒斯特原理来测试；第44页/共70页1/20(1)(1)sfR n nnRn对于理想光学薄膜，光

10、学厚度为/2的整数倍处，透射率和反射率等于光洁基板的值；n而在薄膜光学厚度为/4 时，反射率正好是极值；n如果薄膜折射率nfns，反射率将是极小值；n如果薄膜折射率nfns，反射率将是极大值；22020/fsfsnnnRnnn T, Rfn第45页/共70页Glass/10H/Air 膜系对应的曲线膜系对应的曲线 H=Al2O3位相厚度为该波长的/2的奇数倍时位相厚度为该波长的/2的偶数倍时200)11(11nnRT2202)/1/1(11nnnnRTHH第46页/共70页12(21)2(1) 144ndmm12122 ()dn 第47页/共70页第48页/共70页第49页/共70页第50页/

11、共70页 非光学性能n 薄膜的应力；n 薄膜与基板之间的附着力；n 薄膜的组分与微结构；第51页/共70页第52页/共70页n 附着力和强度：薄膜受机械力破坏的难易程度；n 化学稳定性：化学上变质的难易程度；第53页/共70页第54页/共70页第55页/共70页第56页/共70页n 薄膜应力的存在是薄膜生产、制备过程中的普遍现象，所有薄膜几乎都处于某种应力状态之中。n它的存在不仅会直接导致薄膜破裂、脱落，使薄膜损伤；n而且会作用于基体，使基体发生形变，从而使通过薄膜元件传输的信息发生畸变，影响传输特性。n通过对薄膜应力的研究，可以了解薄膜的破坏机理，进而达到改善薄膜抗损伤性能的目的。第57页/

12、共70页第58页/共70页ZrO2薄膜中残余应力随沉积温薄膜中残余应力随沉积温度的变化度的变化 ZrO2薄膜热应力随沉积温度的薄膜热应力随沉积温度的变化曲线变化曲线 第59页/共70页残余应力随沉积温度的变化曲线残余应力随沉积温度的变化曲线 第60页/共70页残余应力残余应力 (MPa) 沉积沉积 温度温度室温室温190260350 退火退火 温度温度 沉积沉积 应力应力 退火退火 应力应力 沉积沉积 应力应力 退退火火 应应力力 沉积沉积 应力应力 退火退火 应力应力 沉积沉积 应力应力 退火退火 应力应力200 113-205 24 113 -72 61 -211 200300 85 -49 18 45 -44 57 -247 66.5400 64-240 0 247 -18 34 -147 38第61页/共70页不同沉积温度下不同沉积温度下SiO2薄膜中残余应力的变化曲线薄膜中残余应力的变化曲线 第62页/共70页不同氧分压下不同氧分压下SiO2薄膜中残余应力的变化曲线薄膜中残余应力