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薄膜的测量方法
2011-04-14      来源:东方集成      文:马强
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一、典型的薄膜厚度范围为1Å----200μm, 如下图所示:
  
二、典型的薄膜厚度测量方法:

1、机械方法:
 1) 紧密接触方式:表面形貌仪、台阶仪
 2)少量接触方式:AFM、TEM、SEM
  
 3)机械式测量薄膜厚度优点和缺点:
  优点:不受材料的限制、可以测量金属膜、可以测量粗糙表面、不受薄膜厚度的限制
  缺点:需要制备成小样品、测量是破坏性的、无法进行大面积测量、受样品尺寸大小限制严重、无法测量多层薄膜、需要校准

2、光学方法:
 1)光在材料中的传输:
  由复折射率系数n*决定:n* = n + i k
  n:折射率系数、k:消光系数(又叫吸收系数)

 2)光与材料原子/分子之间的相互作用
  由材料的介电常数ε*决定:ε* = ε1 + iε2
             ε2 = 2 n k , ε1 = n2 – k2,
  对于透明材料有    ε1 = n2

3、光学方法---反射干涉法
 1) 垂直入射光,经衬底反射表面反射后,测量得到的光谱反射率
  
 2)入射光经衬底上薄膜调制后,测量得到的光谱反射率
  
 3)当薄膜厚度逐渐增加后,光谱反射率的周期性增加
  
 4)反射法测量的原理:
  光源发出的光,经过分划板(半透半反镜)入射到样品表面。定义入射光光强为I0(λ)。
  样品表面反射光,经过分划板,经光谱仪分光后,到达探测器。定义探测器接收到的光强为I(λ)。
  光谱反射率的定义为:R(λ)= I(λ) / I0(λ)
  入射光强通过参考样品的反射率计算出来:I0(λ) = IRref(λ) / Rref
  
 5) 反射式膜厚测量的优点和缺点:
  优点:无损伤、横向均匀性、光斑小、可以测量大面积、测量速度快、测量成本低。
  缺点:受材料限制、无法测量粗糙表面、需要校准、薄膜的层数数量和可测量光学常数的数量有限制、膜厚限制(测量膜厚范围50nm (20nm)---20μm(25μm))

4、光学方法----偏振光反射测量方法:
 1)什么是光:光是电磁波,光的表征使用光强[E2]、极化[E(x, y)]
  
 2) 椭偏法测量原理:无极性的光,经过线性偏振片后,分成等振幅、等相位的线性偏振光。
  线性偏振光经过薄膜调制后,x方向光和y方向光的光强衰减幅度不同、x方向光和y方向光的相位差值不同。
  
  定义:振幅衰减的比例为椭偏角Ψ,相位偏差为椭偏角Δ。
  椭偏恒等式:菲涅尔反射系数和椭偏角之间的关系式。
  
 3)椭偏测量方法:
  数据采集(测量椭偏对(Ψm,Δm)) --> 建模(Ψc,Δc) --> 拟合(使用MSE评估拟合质量)。
  
 4)椭偏仪结构:光源----起偏器---相位补偿器---步进旋转检偏器---探测器
  A、相位补偿器作用:提高测量速度和准确度、消除无法测量的点、消除去偏振影响,如透明衬底、光斑入射角、膜厚梯度、表面粗糙度、杂散光、有限光谱分辨率影响。
  B、步进检偏器,保证了测量时无运动光学元件,不受电源频率波动和马达转速稳定性影响,并采用正转和反转消除回程差。
  
 5)样品的对准:使用准直望远镜调节样品台水平和高度,可以保证高度方向准确度优于5微米,水平方向准确度优于0.5弧分。甚至,可以在粗糙样品表面,如硅太阳能电池绒面上对准。
  
 6)椭偏仪在膜厚和折射率测量的典型精度(定义为30次测量的平均值和标准差):
  thickness: +/- 0.01 nm
  RI: +/- 0.0002
 7)椭偏仪的优点和缺点:
  优点:不损伤样品、不接触样品、不需要校准、小光斑、大面积、可以测量均匀性、测量速度快、相对价格低、适用于生产。
  缺点:受材料限制,只能测量光学透明样品;不能测量过于粗糙的表面;测量膜厚有限制。
 8)椭偏仪的测量任务:膜厚、折射率、消光系数、多层膜、组份比例、折射率梯度、各向异性、载流子浓度。
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