薄膜测量-刘旭

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1、薄膜的吸收和散射测量内容•激光量热计的基本原理•光声、光热偏转法测量薄膜吸收•薄膜散射的标量理论和总积分散射测量•散射光的矢量理论和角分布测量•谐振腔衰荡（CavityRingDown）薄膜损耗检测法•薄膜导波传播衰减系数法激光量热计光声、光热偏转法测量薄膜吸收光热偏转法散射损耗的特点•光学薄膜的散射可以分为体内散射和界面散射（或表面散射）•对于常规光学抛光的基底上镀制的光学薄膜元件中的散射损耗一般是很小的（<1%）。•这是因为薄膜体内的折射率不均匀性一般较小（由于薄膜较薄，对散射的贡献较小，一般不予考虑），常规抛光的基底表明的粗糙度一般可以在50nm以内，表面的散射也较小。•但是随着薄膜

2、层数的增加，界面微粗糙度的散射损耗的作用就会增大。•因此在激光反射镜等损耗要求高的应用中，散射损耗是一个十分重要的参数。表面微粗糙度的表示将表面的微粗糙度看成是一种随机分布表面函数，设该函数以z(x,y)来表示，对表面的微粗糙轮廓函数进行付氏变化，获得表面微粗糙度的频谱，然后对取付氏频谱振幅的平方，即获得表面微粗糙度的功率谱密度函数S(f,f)xy22Sff(,)=−limZxy(,)exp(2(iπfxfydxdy+)xy∫∫xyLLxy,→∞LLxy散射损耗测试上的分类散射损耗的特点是薄膜器件对入射光束产生了偏离反射与透射方向的其它杂散光。因此散射光的测试可以分成：–总积分散射损耗测试

3、（测试总散射损耗的大小）–角分布散射损耗测试（测试散射光的空间分布与偏振特性）薄膜的总积分散射测量•散射损耗的标量理论（总积分散射）主要研究薄膜在4π立体角之内的散射光总和――总积分散射（TIS），与薄膜表面微观量――均方根粗糙度σ之间的关系散射光的矢量理论和角分布测量谐振腔衰荡（CavityRingDown）薄膜损耗检测法薄膜导波传播衰减系数法薄膜非光学特性的检测技术•薄膜的力学特性检测技术•薄膜器件的环境试验•薄膜的微结构与化学成份检测薄膜的力学特性检测技术薄膜的力学特性主要包括薄膜的附着力、硬度与应力三个部分。它们之间相互关联。在检测技术上也是相互关联的。薄膜的机械强度、耐磨、抗腐蚀

4、等特性都与附着力有密切关系。因此附着力的测试十分重要。薄膜的应力是薄膜器件能够容纳多少层薄膜的一个重要的因素，同时是器件变形大小的关键因素，也是限制薄膜器件应用的一个重要的参数。薄膜的附着力与硬度的检测•薄膜的附着力是膜层与基板或膜层与膜层之间的键合力或键合强度，其单位是单位面积上的力或能。附着力通常在0.05~10eV之间，根据附着力产生的原因可以分为物理吸附与化学吸附两类•物理吸附的范围通常在0.05~0.5eV（相当于0.03～0.25Gpa），它是依靠范德瓦尔斯力（即两种材料的中性的原子、分子之间的引力是中性分子间的距离非常近时产生的剩余电磁相互作用）、静电力（由于薄膜与基板材料功

5、函数的不同产生的电荷积累所致）等。其中范德瓦尔斯力是近程作用力，而静电力相对而言是一种长程作用力•化学吸附能则较强在0.5eV～10eV之间，其作用力在106N.cm-2以上。化学键可以是共价键、离子键或金属键，化学吸附的键合力很强。1.压痕法：砝码载荷平衡块支架硬钢球2薄膜样品13.133⎛⎞11WP=−r⎜⎟e1gE⎝⎠12E转台aPWgFP==tgθa=ra22−Pπ3Ffa=2πE=0.5fxxx122.拉张法•拉张法顾名思义就是采用直接拉薄膜的方法来测试基板薄膜的附着力粘结剂1/2f⎛⎞8ErF==⎜⎟sc22πυRR⎝⎠(1−)π拉力器1/2⎛⎞2ErfFc=⎜⎟薄膜⎝⎠d3.

6、剥离法：•剥离法是测试薄膜附着力的常见方法，就是将胶带粘贴在薄膜表面，然后剥离胶带，记录当薄膜被剥离时，胶带剥离的次2数。能够定性地判断faU=−abr+fa(1sin)−θ+2bdE附着力的大小fdU=0daFr≈c二、薄膜的应力检测•薄膜的应力主要产生于薄膜的制备过程•应力可以为张应力与压应力•薄膜应力的存在使得薄膜器件产生表张应力面形变，在张应力的作用下，薄膜本身具有收缩趋势，在压应力的作用下，使薄膜向基板内侧卷曲压应力•习惯上将薄膜的张应力取正号，压应力取负号。薄膜应力是由表面张力S、热应力S以及内应力S三部分构成。STI1。表面张力δδ2S主要有薄膜膜层上表面的张力1基板与膜层界

7、面的张力S总的表面张力可以简化为张力的平均Sd=()δ+δ/s122。热应力主要是由于膜层与基板之间的热膨胀系数不同而不同引起的，它可以表示为：SE=()α−ΔαTΔTTT=−TfsfsMααfs分别为薄膜和基板的热膨胀系数，Ef薄膜的杨氏模数。Ts与TM分别为沉积时与测量时基板的温度。所以可以根据S的正负号确定是T热应力是压应力还是张应力。内应力又称本征应力，它主要取决于薄膜的微观结构和缺陷等因素，晶粒间界和薄膜晶格与