椭偏光谱学在透明衬底上吸收薄膜厚度及光学常数表征中的应用研究

摘要

薄膜厚度和光学常数的准确测量在应用和研究领域具有重要的意义。椭圆偏振光谱法(Spectroscopic Ellipsometry，简称椭偏光谱法，缩写为SE)是一种高灵敏度、非破坏性的原位(in situ)表征技术。即使常规的椭偏仪也可以获得较高的厚度灵敏度(0.1?)。但椭偏仪直接测量得到的椭偏参数(ψ、?)并无任何意义，它需要借助计算机拟合的方法才能求解出薄膜的厚度 df及光学常数（折射率 nf、消光系数 kf）。
　　椭偏光谱法难以精确表征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190nm~1700nm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)厚度的准确解。
　　SE+ T法可简单、快速得到吸收薄膜的厚度和光学常数。但由于SE+T法采用直接拟合的方式求解，随机噪声，样品表面的轻微污染或衬底上任何小的吸收都可能影响 SE+T拟合的光学常数的准确性。因此本文将 SE+T法和光学常数参数化法结合使用，实现类金刚石薄膜(DLC)、非晶硅(a-Si)薄膜光学常数的参数化，以消除测量数据中的噪声对光学常数的影响。结果显示，结合使用时的拟合结果具有更好的唯一性，而且拟合得到的光学常数变得平滑、连续且符合Kramers-Kronig(K-K)关系。这种方法特别适合于精确表征厚度仅为几十纳米的非晶吸收薄膜的光学常数。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 光谱椭偏简介

1.3 论文的主要研究内容

2 相关原理及方法简介

2.1 基本理论

2.2 数据分析

2.3 拟合质量评价方法

2.4 吸收薄膜的表征方法

2.5 消除透明衬底背面反射光（背反）

2.6 提取透明衬底光学常数

2.7 小结

3 薄膜制备及表征方法

3.1 薄膜制备

3.2 表征方法

3.3 WVASE32软件介绍

4 提取透明衬底光学常数

4.1 引言

4.2 折射率匹配法消除背反

4.3 提取透明衬底的光学常数

4.4 本章小结

5 非晶吸收薄膜厚度及光学常数的拟合分析

5.1 背反对SE+T法拟合的影响

5.2 衬底光学常数差异对SE+T法拟合的影响

5.3 SE+T法拟合得到a-Si薄膜的厚度和光学常数

5.4 SE + T 法局限性分析

5.5 光学常数参数化法和SE+T法联合拟合分析

5.6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果