搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

椭偏精确测定透明衬底上吸收薄膜的厚度及光学常数

李江 唐敬友 裴旺 魏贤华 黄峰

引用本文:
Citation:

椭偏精确测定透明衬底上吸收薄膜的厚度及光学常数

李江, 唐敬友, 裴旺, 魏贤华, 黄峰

Accurate determination of thickness values and optical constants of absorbing thin films on opaque substrates with spectroscopic ellipsometry

Li Jiang, Tang Jing-You, Pei Wang, Wei Xian-Hua, Huang Feng
PDF
导出引用
  • 椭偏仪难以精确测量透明衬底上吸收薄膜光学常数的原因:1)衬底的背面反射光为非相干光, 它的存在会极大的增加拟合难度; 2)衬底光学常数(折射率和消光系数)的差异会影响测量的准确性, 而且会在吸收薄膜的光学常数中表现出来, 需要单独测量其光学常数; 3)厚度与光学常数之间呈现强烈的关联性. 针对以上三个问题, 选择石英玻璃、载玻片、盖玻片和普通浮法玻璃作为研究对象. 采用折射率匹配法消除上述衬底背面反射光的影响. 结果显示, 折射率匹配法能够有效消除折射率在1.43-1.64、波长范围为190-1700 nm波段的石英、浮法玻璃等透明衬底的背面反射光. 之后, 通过拟合椭偏参数ψ和垂直入射时的透过率T0 分别得到以上衬底的折射率和消光系数. 拟合得到的结果与文献报道的趋势一致. 最后, 采用椭偏参数和透过率同时拟合的方法(SE+T法)得到类金刚石薄膜(沉积在石英玻璃上)和非晶硅薄膜(沉积在载玻片、盖玻片上)光学常数和厚度的准确解.
    The determination of the optical constants of absorbing films, particularly on opaque substrates, is a difficult problem when solely using spectroscopic ellipsometry. First, unwanted backside reflections are incoherent with the desired reflection from the front side, which makes the fitting of optical constants difficult. Second, the optical constants of substrate must be carefully characterized in advance, as any small absorption in the substrate would be mixed into the film’s overall optical constants. Third, thickness and optical constants are strongly correlated with each other, which may prevent a unique solution for absorbing films. For the above reasons, quartz, glass slide, cover glass and float glass substrates are studied. Backside reflections of the substrates are suppressed by index matching technique. The results show that the simple technique works well for substrate materials with refractive index in a range from 1.43 to 1.64, including materials such as fused silica, float glass, etc. in a spectral range from 190 nm to 1700 nm. The refractive index and extinction coefficient of the substrate are fitted by ellipsometricψdata and the normal spectral transmittance T0. The results are consistent with the literature reported. Finally, a Combined ellipsometry and transmission approach is used to determine the thickness values and optical constants of the diamond-like carbon (DLC) film coated on the quartz and the amorphous silicon (a-Si) film coated on the glass slide and cover glass accurately.
    [1]

    Swanepoel R 1983 J. Phys. E:Sci. Instrum. 16 1214

    [2]

    Swanepoel R 1984 J. Phys. E:Sci. Instrum. 17 896

    [3]

    Hilfiker J N, Singh N, Tiwald T, Convey D, Smith S M, Baker J H, Tompkins H G 2008 Thin Solid Films 516 7979

    [4]

    McGahan W A, Johs B, Woollam J A 1993 Thin Solid Films 234 443

    [5]

    Jellison Jr G E, Merkulov V I, Puretzky A A, Geohegan D B, Eres G, Lowndes D H, Caughman J B 2000 Thin Solid Films 377 68

    [6]

    Jellison Jr G E, Modine F A 1996 Appl. Phys. Lett. 69 371

    [7]

    He J, Li W, Xu R, Guo A R, Qi Q C, Jiang Y D 2008 Acta. Phys. Sin. 57 7114 (in Chinese) [何剑, 李伟, 徐睿, 郭安然, 祁康成, 蒋亚东 2008 物理学报 57 7114]

    [8]

    Ma J M, Liang Y, Gao X Y, Chen C, Zhao M K, Lu J X 2012 Acta. Phys. Sin. 61 056106 (in Chinese) [马姣民, 梁艳, 郜小勇, 陈超, 赵孟珂, 卢景霄 2012 物理学报 61 056106]

    [9]

    Franta D, Ohlídal I, Buršíková V, Zajíčková L 2004 Thin Solid Films 455 393

    [10]

    Tompkins H G, Tasic S 2000 J. Vac. Sci. Technol. A 18 946

    [11]

    Zhou Y, Wu G S, Dai W, Li H B, Wang A Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 2356 (in Chinese) [周毅, 吴国松, 代伟, 李洪波, 汪爱英 2010 物理学报 59 2356]

    [12]

    Synowicki R A, Johs B D, Martin A C 2011 Thin Solid Films 519 2907

    [13]

    Fujiwara H 2007 Spectroscopic ellipsometry:principles and applications (Chichester:John Wiley & Sons) p138

    [14]

    Forcht K, Gombert A, Joerger R, Köhl M 1997 Thin Solid Films 302 43

    [15]

    Hayton D J, Jenkins T E 2004 Meas. Sci. Technol. 15 N17

    [16]

    Synowicki R A 2008 Phys. Status Solidi C 5 1085

    [17]

    Kitamura R, Pilon L, Jonasz M 2007 Appl. Optics 46 8118

    [18]

    Bruggeman D A G 1935 Ann. Phys.-Berlin 24 636

    [19]

    Fujiwara H, Koh J, Rovira P I, Collins R W 2000 Phys. Rev. B 61 10832

    [20]

    Colombin L, Jelli A, Riga J, Pireaux J J, Verbist J 1977 J. Non-Cryst. Solids 24 253

    [21]

    Dugnoille B, Virlet O 1994 Appl. Optics 33 5853

    [22]

    Zhao J M, Yang P 2012 Microsystem Technologies 18 1455

  • [1]

    Swanepoel R 1983 J. Phys. E:Sci. Instrum. 16 1214

    [2]

    Swanepoel R 1984 J. Phys. E:Sci. Instrum. 17 896

    [3]

    Hilfiker J N, Singh N, Tiwald T, Convey D, Smith S M, Baker J H, Tompkins H G 2008 Thin Solid Films 516 7979

    [4]

    McGahan W A, Johs B, Woollam J A 1993 Thin Solid Films 234 443

    [5]

    Jellison Jr G E, Merkulov V I, Puretzky A A, Geohegan D B, Eres G, Lowndes D H, Caughman J B 2000 Thin Solid Films 377 68

    [6]

    Jellison Jr G E, Modine F A 1996 Appl. Phys. Lett. 69 371

    [7]

    He J, Li W, Xu R, Guo A R, Qi Q C, Jiang Y D 2008 Acta. Phys. Sin. 57 7114 (in Chinese) [何剑, 李伟, 徐睿, 郭安然, 祁康成, 蒋亚东 2008 物理学报 57 7114]

    [8]

    Ma J M, Liang Y, Gao X Y, Chen C, Zhao M K, Lu J X 2012 Acta. Phys. Sin. 61 056106 (in Chinese) [马姣民, 梁艳, 郜小勇, 陈超, 赵孟珂, 卢景霄 2012 物理学报 61 056106]

    [9]

    Franta D, Ohlídal I, Buršíková V, Zajíčková L 2004 Thin Solid Films 455 393

    [10]

    Tompkins H G, Tasic S 2000 J. Vac. Sci. Technol. A 18 946

    [11]

    Zhou Y, Wu G S, Dai W, Li H B, Wang A Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 2356 (in Chinese) [周毅, 吴国松, 代伟, 李洪波, 汪爱英 2010 物理学报 59 2356]

    [12]

    Synowicki R A, Johs B D, Martin A C 2011 Thin Solid Films 519 2907

    [13]

    Fujiwara H 2007 Spectroscopic ellipsometry:principles and applications (Chichester:John Wiley & Sons) p138

    [14]

    Forcht K, Gombert A, Joerger R, Köhl M 1997 Thin Solid Films 302 43

    [15]

    Hayton D J, Jenkins T E 2004 Meas. Sci. Technol. 15 N17

    [16]

    Synowicki R A 2008 Phys. Status Solidi C 5 1085

    [17]

    Kitamura R, Pilon L, Jonasz M 2007 Appl. Optics 46 8118

    [18]

    Bruggeman D A G 1935 Ann. Phys.-Berlin 24 636

    [19]

    Fujiwara H, Koh J, Rovira P I, Collins R W 2000 Phys. Rev. B 61 10832

    [20]

    Colombin L, Jelli A, Riga J, Pireaux J J, Verbist J 1977 J. Non-Cryst. Solids 24 253

    [21]

    Dugnoille B, Virlet O 1994 Appl. Optics 33 5853

    [22]

    Zhao J M, Yang P 2012 Microsystem Technologies 18 1455

  • [1] 徐自强, 吴晓庆, 许满满, 毕翠翠, 韩永, 邵士勇. 海洋上空折射率结构常数廓线估算. 物理学报, 2021, 70(24): 244204. doi: 10.7498/aps.70.20211201
    [2] 董正琼, 赵杭, 朱金龙, 石雅婷. 入射光照对典型光刻胶纳米结构的光学散射测量影响分析. 物理学报, 2020, 69(3): 030601. doi: 10.7498/aps.69.20191525
    [3] 史文俊, 易迎彦, 黎敏. 锗在吸收边附近的压力-折射率系数. 物理学报, 2016, 65(16): 167801. doi: 10.7498/aps.65.167801
    [4] 贾宇鹏, 王景甫, 郑坤灿, 张兵, 潘刚, 龚志军, 武文斐. 应用粒子图像测试技术测量球床多孔介质单相流动的流场. 物理学报, 2016, 65(10): 106701. doi: 10.7498/aps.65.106701
    [5] 王盼盼, 章俞之, 彭明栋, 张云龙, 吴岭南, 曹韫真, 宋力昕. VO2薄膜Vis-NIR及NIR-MIR椭圆偏振光谱分析. 物理学报, 2016, 65(12): 127201. doi: 10.7498/aps.65.127201
    [6] 于天燕, 秦杨, 刘定权. 沉积温度对硫化锌(ZnS)薄膜的结晶和光学特性影响研究. 物理学报, 2013, 62(21): 214211. doi: 10.7498/aps.62.214211
    [7] 黄卓寅, 李国龙, 李衎, 甄红宇, 沈伟东, 刘向东, 刘旭. 基于透射率曲线确定聚合物太阳能电池功能层的光学常数和厚度. 物理学报, 2012, 61(4): 048801. doi: 10.7498/aps.61.048801
    [8] 代煜, 张建勋. 基于双路偏振影像分光的立体视觉. 物理学报, 2011, 60(8): 084205. doi: 10.7498/aps.60.084205
    [9] 李国龙, 黄卓寅, 李衎, 甄红宇, 沈伟东, 刘旭. 基于光学与光—电转换模型对聚合物电池功能层厚度与性能相关性分析. 物理学报, 2011, 60(7): 077207. doi: 10.7498/aps.60.077207
    [10] 廖国进, 骆红, 闫绍峰, 戴晓春, 陈明. 基于透射光谱确定溅射Al2O3薄膜的光学(已撤稿). 物理学报, 2011, 60(3): 034201. doi: 10.7498/aps.60.034201
    [11] 周毅, 吴国松, 代伟, 李洪波, 汪爱英. 椭偏与光度法联用精确测定吸收薄膜的光学常数与厚度. 物理学报, 2010, 59(4): 2356-2363. doi: 10.7498/aps.59.2356
    [12] 薛春荣, 易葵, 齐红基, 邵建达, 范正修. 氟化物材料在深紫外波段的光学常数. 物理学报, 2009, 58(7): 5035-5040. doi: 10.7498/aps.58.5035
    [13] 王晓栋, 沈军, 王生钊, 张志华. 椭偏光谱法研究溶胶-凝胶TiO2薄膜的光学常数. 物理学报, 2009, 58(11): 8027-8032. doi: 10.7498/aps.58.8027
    [14] 梁丽萍, 郝建英, 秦 梅, 郑建军. 基于透射光谱确定溶胶凝胶ZrO2薄膜的光学常数. 物理学报, 2008, 57(12): 7906-7911. doi: 10.7498/aps.57.7906
    [15] 张拴勤, 石云龙, 黄长庚, 连长春. 隐身涂层的光谱反射特性设计. 物理学报, 2007, 56(9): 5508-5512. doi: 10.7498/aps.56.5508
    [16] 苏伟涛, 李 斌, 刘定权, 张凤山. 氟化铒薄膜晶体结构与红外光学性能的关系. 物理学报, 2007, 56(5): 2541-2546. doi: 10.7498/aps.56.2541
    [17] 沈自才, 孔伟金, 刘世杰, 沈 建, 邵建达, 范正修. 斜角入射沉积法制备渐变折射率薄膜的折射率分析. 物理学报, 2006, 55(10): 5157-5160. doi: 10.7498/aps.55.5157
    [18] 孙成伟, 刘志文, 秦福文, 张庆瑜, 刘 琨, 吴世法. 生长温度对磁控溅射ZnO薄膜的结晶特性和光学性能的影响. 物理学报, 2006, 55(3): 1390-1397. doi: 10.7498/aps.55.1390
    [19] 王成伟, 王 建, 李 燕, 刘维民, 徐 洮, 孙小伟, 力虎林. 多孔阳极氧化铝薄膜光学常数的确定. 物理学报, 2005, 54(1): 439-444. doi: 10.7498/aps.54.439
    [20] 冯洪安, 余玉贞, 黄炳忠. 椭偏光谱对复数折射率薄膜的研究——ITO膜光学常数的色散和生长规律. 物理学报, 1986, 35(3): 319-328. doi: 10.7498/aps.35.319
计量
  • 文章访问数:  2987
  • PDF下载量:  258
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-09-21
  • 修回日期:  2015-01-14
  • 刊出日期:  2015-06-05

椭偏精确测定透明衬底上吸收薄膜的厚度及光学常数

  • 1. 中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室、浙江省海洋材料与防护技术重点实验室, 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 宁波 315201;
  • 2. 西南科技大学材料科学与工程学院, 绵阳 621010

摘要: 椭偏仪难以精确测量透明衬底上吸收薄膜光学常数的原因:1)衬底的背面反射光为非相干光, 它的存在会极大的增加拟合难度; 2)衬底光学常数(折射率和消光系数)的差异会影响测量的准确性, 而且会在吸收薄膜的光学常数中表现出来, 需要单独测量其光学常数; 3)厚度与光学常数之间呈现强烈的关联性. 针对以上三个问题, 选择石英玻璃、载玻片、盖玻片和普通浮法玻璃作为研究对象. 采用折射率匹配法消除上述衬底背面反射光的影响. 结果显示, 折射率匹配法能够有效消除折射率在1.43-1.64、波长范围为190-1700 nm波段的石英、浮法玻璃等透明衬底的背面反射光. 之后, 通过拟合椭偏参数ψ和垂直入射时的透过率T0 分别得到以上衬底的折射率和消光系数. 拟合得到的结果与文献报道的趋势一致. 最后, 采用椭偏参数和透过率同时拟合的方法(SE+T法)得到类金刚石薄膜(沉积在石英玻璃上)和非晶硅薄膜(沉积在载玻片、盖玻片上)光学常数和厚度的准确解.

English Abstract

参考文献 (22)

目录

    /

    返回文章
    返回