偏振光反射法测量薄膜厚度和折射率的研究

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1、偏振光反射法测量薄膜厚度和折射率的研究薄膜技术的发展及其应用薄膜是一种较特殊的物质形态，其在厚度这一特定方向上尺寸较小，仅是微观可测的物理量，并且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此使得薄膜材料产生了与块状材料具有不同的性能。也可以解释为，由于成膜的过程中晶体取向、晶粒大小、杂质浓度、成份的均匀性、基底材料、温度以及清洁度等因素的影响，使得薄膜的物理性能与块状材料的物理性能在诸多方面不同。这引起了诸多科研工作者们较为浓厚的研究兴趣并使之得到更为广泛的应用。二十世纪70年代以来，薄膜技术得到空前

2、的发展，无论在学术研究上还是在工业应用中都取得了较丰硕的成果。薄膜技术及薄膜材料已成为当代真空技术及材料科学研究中最活跃的领域之一，并在新科学技术革命中，具有举足轻重的地位。薄膜技术涉及的范围比较广，其中包括物理气相沉积、化学气相沉积成膜技术，以离子束刻蚀为代表的微细加工技术，成膜、刻蚀过程的监控技术，以及薄膜分析、评价与检测技术等。目前，薄膜技术在电子元器件、集成光学、电子技术、红外技术、激光技术、航天技术和光学仪器等许多领域均得到了极为广泛的应用，不仅成为了一门独立的应用技术，而且成为了材料表面改性和提高某些工艺水

3、平的重要手段。许多国家对薄膜材料和薄膜技术的研究开发极为重视，称之为“腾飞的薄膜产业”，并且每年均要举行多次国际会议。最早应用薄膜技术的领域要算光学领域，早在1817年夫琅禾费就用酸蚀方法制成了光学上的减反射膜。1930年，由于真空蒸发设备出现使薄膜大量地应用于光学领域。近代的彩色电视、彩色摄影机、太阳能电池、激光器、集成光学等均离不开薄膜技术，大部分光学仪器或光电装置也均离不开光学薄膜。利用薄膜的光学性能，可改变元件反射率、吸收率与透射率，实现光束分束、并束、分色、偏振、位相调整等，使某光谱带通或阻滞等。薄膜技术应用

4、领域很广泛，由于高精尖的制造技术、跨学科的综合设计与严格科学的实际应用，使薄膜技术应用在高新技术领域、信息、生物、航空、航天、新能源等前沿领域中显示越来越重要的地位。在高新技术产业发展的过程中，薄膜技术和新兴学科紧密结合，目前，薄膜技术已运用到纳米技术的精密机械的研究，分子层次的现代化学研究以及基因层次的生物学研究等。薄膜制备技术、薄膜材料科学研究、薄膜表面微加工技术是当今微机械加工技术、微细加工技术的重要基础，己经渗透到当今科学技术的各个领域，成为技术密集、知识密集、资金密集的高科技新兴薄膜产业。二十世纪八十年代至九

5、十年代，表面微结构加工技术和微米薄膜制备的发展推动了大规模集成电路、薄膜集成电路、光集成器件、薄膜传感器、光电子一磁光电子器件和高质量的光学薄膜等技术的进步。薄膜技术作为现代光学的核心技术在国民经济中占有着十分重要的地位，从航天、卫星等空间探测器到集成电路、激光器件、生物芯片、液晶显示以及集成光学，在很大程度上取决于薄膜技术的发展。薄膜技术水平的高低已经成为衡量一个国家光电信息等高新技术产业科技发展水平的关键。薄膜光学常数的几种测量方法随着薄膜在诸多技术领域中日益广泛应用，薄膜技术水平不断提升，各种特殊用途对薄膜技术和

6、薄膜材料也提出了更高的要求。由于薄膜的光学常数是描述固体的独立光学参数，是确定和描述有关光学性质的其它物理量的基础，它们对于了解薄膜材料的光学性质具有重要的意义。本论文研究的薄膜参数主要指薄膜折射率n和厚度d。至今人们提出了多种方法，例如，椭圆偏振测量法、干涉测量法、光谱法，阿贝勒(Abeles)方法、棱镜耦合法、及偏振光反射法等。其中，有些方法只能测量薄膜的厚度，有些方法只能测薄膜的折射率，有些方法可同时测量薄膜的厚度和折射率。它们各有千秋，可以满足不同应用的需要。几种主要的测量方法如下：1几种主要的测量方法(1)椭

7、圆偏振测量法椭圆偏振测量法是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换来确定薄膜参数。椭圆偏振测量分为反射椭偏测量法、透射椭偏测量法和散射椭偏测量法。由于特点不同，其重点研究的对象也就有所不同。椭圆偏振测量两个反射系数的比值，因而，较反射率测量要灵敏和精确得多，并可精密测量。这种方法具有原子层级的灵敏度，能快速实时测量。但是影响测量准确度因素很多，如入射角、系统的调整状态、光学元件质量、环境噪声、样品表面状态、实际待测薄膜与数学模型的差异都会影

8、响测量的准确度。特别是当薄膜折射率与基底折射率相接近，薄膜厚度较小和薄膜厚度及折射率范围位于(，)～(，)函数斜率较大区域时，用椭偏仪同时测得薄膜的厚度和折射率与实际情况有较大的偏差。椭圆偏振法存在一个膜厚周期，在一个膜厚周期内，椭偏法测量膜厚有确定值。若待测膜厚超过一个周期，膜厚有多个不确定值。虽然可采用多入射角或多波长法确定周