薄膜厚度及其折射率的测量方法综述

1薄膜厚度及其折射率的测量方法综述黄丽琳(楚雄师院物理与电子科学系云南楚雄675000)摘要：介绍了椭圆偏振法、棱镜耦合法、干涉法、V-棱镜法和透射谱线法测量薄膜厚度和折射率的基本原理和仪器组成，并分析了它们的特点及存在问题，指出选择测量方法和仪器应注意的问题。关键词：椭圆偏振法；棱镜耦合法；干涉法；膜厚；折射率中图分类号：O484．5一、引言近年来,非线性光学聚合物薄膜及器件的研究已成为非线性光学材料领域的研究热点。非线性光学聚合物薄膜具有多种优点，如快速响应、大的电光系数、高的激光损伤阈值、小的介电常数、简单的结构、低损耗和微电子处理的兼容性等，因此正逐渐成为制造电光调解器和电光开关的重要材料【1】。薄膜技术是当前材料科技的研究热点，特别是纳米级薄膜技术的迅速发展,精确测量薄膜厚度及其折射率等光学参数受到人们的高度重视。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同，如何选择符合测量要求的测量方法和仪器，是一个值得认真考虑的问题。每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求、测量范围、精确度、特点及局限性。在此主要介绍测量薄膜厚度和折射率常用的几种方法，并分析它们的特点及存在问题，指出选择测量方法和仪器应注意的问题【2】。二、几种测量薄膜厚度及其折射率的方法（一）椭圆偏振法(椭偏法)椭圆偏振法是利用一束入射光照射样品表面，通过检测和分析入射光和反射光偏振状态，从而获得薄膜厚度及其折射率的非接触测量方法。2根据椭偏方程：),,,,,(tanasfjspnnndferr(1)若sn，an，和已知，只要测得样品的和，就可求得薄膜厚度d和折射率。测量fn样品和的方法主要有消光法和光度法。光路的形式有反射式和透射式，入射面在垂直面和水平面内两种结构。图1(a)是反射式消光法的一种典型结构；图1(b)是反射式光度法的一种典型结构。椭偏法具有很高的测量灵敏度和精度。和的重复性精度已分别达到±0.01°和±0.02°，厚度和折射率的重复性精度可分别达到0.1nm和10-4,且入射角可在30°～90°内连续调节，以适应不同样品；测量时间达到ms量级，已用于薄膜生长过程的厚度和折射率监控。但是，由于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等都会影响测量的准确度。特别是当薄膜折射率与基底折射率相接近(如玻璃基底表面2OSi薄膜)，薄膜厚度较小和薄膜厚度及折射率范围位于(fn，d)～(，)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。因此，即使对于同一种样品、不同厚度和折射率范围，不同的入射角和波长都存在不同的测量精确度。椭圆偏振法存在一个膜厚周期od(如70°入射角，2OSi膜，则od=284nm)，在一个膜厚周期内，椭偏法测量膜厚有确值。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期数，但实现起来比较困难。实际上可采用其它方法，如干涉法、光度法或台阶仪等配合完成周期数的确定。（二）棱镜耦合法（准波导法）棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，将入射光导入被测薄3膜，检测和分析不同入射角的反射光，确定波导膜耦合角，从而求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法。波导模式特征方程为)1()(2122mNnkdmf（2）eNeNpmsin)sin(cossin2122（3）在(2)和(3)式中，k为波数，m为膜数，mN为m阶导模的有效折射率，，，pN分别为耦合角、棱镜角和棱镜折射率。若测得两个以上模式的耦合角，便可求出d和fn。棱镜-薄膜-衬底就组成一个单侧漏波导，亦称为准波导，准波导法名称由此而来。棱镜耦合测量仪的光路如图2所示。棱镜耦合法的测量精度与转盘的转角分辨率、所用棱镜折射率、薄膜的厚度和折射率范围及基底的性质等因素有关，折射率和厚度测量精度分别可达到±10-3和(±0.5％+5nm)，实际精度还会高些。棱镜耦合法存在测量薄膜厚度的下限。测量光需在膜层内形成两个或两个以上波导模，膜厚一般应大于300-480nm(如硅基底)；若膜折射率已知，需形成一个波导模，膜厚应大于100～200nm；测量范围依赖于待测薄膜和基底的性质，与所选用的棱镜折射率有关。但测量的薄膜厚度没有周期性，是真实厚度。膜厚测量范围在0.3～15um，折射率测量范围小于2.6，某些情况可达2.8。待测薄膜表面应平整和干净，测量时间约20秒以上，不适合于实时测量。棱镜耦合法不但可以测量块状样品和单层膜样品，而且可以测量双层膜和双折射膜的厚度和折射率。在有机材料、聚合物和光学波导器件等领域中有广泛应用。（三）干涉法干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折射4率的。根据光干涉条纹方程【3】，对于不透明膜：2)(ecqd（4）对于透明膜：)1(2)(fnecqd（5）在(4)和(5)式中，q为条纹错位条纹数，c为条纹错位量，e为条纹间隔。因此，若测得,,,ecq就可求出薄膜厚度d或折射率fn。干涉法主要分双光束干涉和多光束干涉【4】，后者又有多光束等厚干涉和等色序干涉。双光束干涉仪主要由迈克尔逊干涉和显微系统组成，其干涉条纹按正弦规律变化，测量精度不高，仅为/10～/20，典型产品有上海光学仪器厂的6JA型干涉显微镜，其光路如图3所示。为了提高条纹错位量的判读精度，多光束干涉仪采用了一个F-P干涉器装置与显微系统结合，形成多光束等厚干涉条纹，其测量精度达到/100～/1000。分为反射式和透射式两种结构，如图4(a)和4(b)所示。等色序干涉仪也有类似两种结构形式。干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且适用于双折射薄膜。一般来说，不能同时确定薄膜的厚度和折射率，只能用其它方法测得其中一个量，用干涉法求另一个量。有人对干涉法进行改进【5】，使其能同时测定厚度和折射率，但不容易实现。另外，确定干涉条纹的错位条纹数q比较困难，对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低，会带来测量误差，而且薄膜要有台5阶，测量过程调节复杂，容易磨损薄膜表面等，这些都对测量带来不便。（四）V-棱镜法V-棱镜法是近年来测量薄膜折射率的又一种简便易行的方法,它需要辅以准波导法才能测量并计算出薄膜的折射率。其基本实验装置如图所示。V-棱镜中所装为复合材料的溶液，由于其折射率son不同于V-棱镜的折射率pn，折射光将以角度偏离入射光方向。可由角度计测量得到，给定波长下的son值可由slawSnell'确定：212122])sin(sin[2ppsonnn采用同样的方法可测得溶剂的折射率'son，于是聚合物薄膜的折射率可由下式求得，)1()1()1(222''12nFnFnFsossos其中，1、2分别称为溶剂和溶液的体积分数，不依赖于波长，并有1+2=1，需要首先确定，sF、'sF、F是lorentz-lorenz局域场函数，分别由下式确定32;32;3222''2nFnFnFsossos首先采用波导耦合法测定薄膜在某一给定波长下的折射率n，再将其代入公式，便可求得1与2的值。一旦1、2已知，变换波源，利用公式就可以测量并计算出其他波长下薄膜的折射率了。（四）透射谱线法透射谱线法是利用样品的透过率曲线谱测定薄膜光学常数的一种方法。图为光通过薄膜材料的示意图，当薄膜的折射率大于衬底折射率时,平行光经过折射率为n的薄膜之后发生干涉，在光强极值处有：mnd2其中m为整数时为光强极大，半整数时为光强极小。薄膜透过率曲线如图所示。干涉条纹的极大值和极小值的透过率MT和mT分别为：622,DCBATDCBATmM其中：).exp(,4),()1(),)(1(2),()1(,1623222232ddnnnnDnnnCnnnBnnAssss式中，d为薄膜厚度，sn为衬底的折射率，为薄膜的吸收系数。在弱吸收区域，将上式中两方程取倒数分别相减可得：ACTTmM211因此，可解得：212122])([snNNn其中2122smMmMsnTTTTnN当衬底玻璃的折射率sn为已知时，由此便可求得薄膜的折射率n了。假如波长1、2处的折射率是相邻的两个最高峰，并且在这两个波长处的折射率n(1)和n(2)已经求得，代入方程，可同时求得薄膜的厚度：)]()([2211221nnd我们在进行数据处理时，把MT和mT视为波长的连续函数，也就是透过率曲线上极大值和极小值的包络线，根据这两条曲线就可以得到和透过光谱波峰和波谷对应的波长处的最大透过率MT和最小透过率mT，再根据式子便可求得n和d了，对所有的d值求平均便可得到薄膜样品的厚度。7三、比较几种方法的优缺点方法优点缺点椭圆偏振法(椭偏法)测量精度高，对样品无破坏性，特别适合于较薄膜层光学参数的测量。该方法仅适合于各向同性介质的测量。另外，利用该方法对实验数据进行处理时计算冗长，对样品的表面平整度也有较高要求。棱镜耦合法（准波导法)只要求角度测量，而角度测量方便且精度高。此法要求样品的折射率必须大于衬底的折射率，这使得一些折射率低的样品不能采用该方法测量。干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且适用于双折射薄膜。不能同时获得薄膜的厚度和折射率。另外，确定干涉条纹的错位条纹数q比较困难，对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低，会带来测量误差，而且薄膜要有台阶，测量过程调节复杂，容易磨损薄膜表面等，这些都对测量带来不便。V-棱镜法此法并非直接对薄膜进行测量，而是辅以准波导法对复合材料溶液进行测量。该方法原理简单，操作易行，数据处理也不复杂。测量精度不是很高，无法同时获得薄膜的厚度。透射谱线法仅仅利用了样品的透过率曲线谱，实验过程比较简单，计算过程可以通过计算机编程来实现，也比较简单、快速和准确。对样品的质量要求比较高，薄膜必须均匀且表面平行。8四、总结上述介绍的五种测量薄膜厚度和折射率的光学方法都存在一定的测量精度、测量范围和局限性，且有一定的互补性。此外，还有分光光度法、光电极值法和比色法等光学方法以及表面台阶仪法、称重法、石英振荡法和X光散射法等非光学方法都可以测量不同种类和范围的透明或非透明薄膜的厚度或折射率【6】，因此，应根据待测薄膜的类型、性质、膜厚及折射率变化范围和所测量参数的精度要求及测量时间，合理选择测量方法和仪器。为了确保所测参数的准确度，最好采用两种或两种以上方法对同一样品进行辅助测量或相互验证，并根据条件和财力，选择适用的测试方法和仪器，以期达到我们所要求的满意结果。五、参考文献[1]孙香冰、任诠、杨洪亮等。测量薄膜折射率的几种方法。[2，5]黄佐华、何振江。测量薄膜厚度及其折射率的光学方法，2003-01-08。[3]王之江。光学技术手册(下册)。北京：机械工业出版社。1994：415～417。[4]姚启钧。光学教程。北京:高等教育出版社。2008.6：9。[6]沈朝晖，王晶，马廷钧。用迈克尔逊干涉仪测量单层膜的厚度和折射率。大学物理实验。1994，7(1)：1-3。