基于透射光譜確定硅碳氧薄膜的光學(xué)常數(shù)

張 平,李 晨,陳 燾,王多書

(1.臺州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,浙江 臺州 318000;2.蘭州空間技術(shù)物理研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

硅碳氧(SiCxO4-x)薄膜是一種含有Si、C和O三種元素的玻璃狀化合物材料,同時擁有碳化硅薄膜及氧化硅薄膜多種優(yōu)異的特性,如熱穩(wěn)定性好、能帶寬、折射率大、硬度高和熱導(dǎo)率高等.由于其優(yōu)越的光學(xué)和力學(xué)性能,硅碳氧薄膜是一種更具潛在應(yīng)用價值的新穎光學(xué)薄膜[1-2],可以用作硅基光電子器件、硅基太陽能電池的增透膜以及窗口層材料.作為功能型光學(xué)膜層,薄膜的光學(xué)常數(shù)(如折射率、 色散常數(shù)、厚度等)是其光學(xué)性能的直接體現(xiàn),如何方便而準(zhǔn)確地獲得薄膜的光學(xué)常數(shù)對于其應(yīng)用具有十分重要的意義.

測量薄膜光學(xué)常數(shù)的方法很多,通常分為非光學(xué)方法和光學(xué)方法兩大類.非光學(xué)方法有著穩(wěn)定性好、分辨率高和測量范圍大等優(yōu)點,但一般只用于測試薄膜的厚度,而且在測試過程中會對樣品造成二次損害,限制了這類方法在光學(xué)薄膜測試中的應(yīng)用[3].光學(xué)方法中應(yīng)用最廣泛的是光譜法和橢圓偏振法.橢圓偏振法在運用過程中需要的設(shè)備及計算模型都較為復(fù)雜,而且在測試薄膜厚度較小、折射率相近的樣品時所得的結(jié)果偏差較大[3].1983年,Swanepoel[4]報道了一種基于透射光譜獲得弱吸收薄膜光學(xué)常數(shù)的方法,該方法稱為Swanepoel極值包絡(luò)線法.由于透射光譜的測量精度比較高,因而該方法在確定弱吸收薄膜光學(xué)常數(shù)方面得到了廣泛的應(yīng)用[5-8].結(jié)果表明,該方法能夠準(zhǔn)確地得到薄膜的光學(xué)常數(shù).

從透射光譜中可以看出,硅碳氧薄膜屬于典型的弱吸收薄膜[2],適用于采用Swanepoel極值包絡(luò)線法直接計算薄膜的光學(xué)常數(shù),但未見相關(guān)報道.為此,本文試圖根據(jù)硅碳氧薄膜的紫外、可見及紅外透射光譜,采用Swanepoel極值包絡(luò)線法結(jié)合WDD色散關(guān)系,建立一套精確、方便并適合于計算硅碳氧薄膜光學(xué)常數(shù)的方法.同時將薄膜厚度的計算值與實際結(jié)果進(jìn)行比較,驗證該方法的精確度.

1 試 驗

本試驗采用射頻磁控濺射設(shè)備,以Ar作為工作氣體、硅碳氧陶瓷靶作為濺射靶材,在K9玻璃上制備了硅碳氧薄膜,并經(jīng)特殊處理在樣品上做了一個臺階.在K9玻璃上沉積薄膜主要用于測試薄膜的透射光譜,所制作的臺階用于測試薄膜的厚度.試驗前,使用超聲波清洗機,把基片放在丙酮及無水酒精中各超聲清洗15 min.所有試驗本底壓強均為3×10-3Pa,在打開擋板沉積薄膜前,利用等離子體轟擊靶材10 min,便于清洗靶材表面及穩(wěn)定等離子體.沉積薄膜時的工作壓強為1 Pa,射頻濺射功率為300 W,沉積時間為30 min.沉積時,基片溫度保持在150±3 ℃.

最后,采用美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的紫外/可見/近紅外光度計(Lambda 900)獲得了以K9玻璃為基片的樣品在250～1 800 nm波長范圍內(nèi)的透射光譜,如圖1所示.采用美國Veeco精密儀器有限公司Dektak 8探針式輪廓儀(臺階儀)測試了樣品薄膜厚度,為619.2 nm.

圖1 K9玻璃透射光譜(Ts)、硅碳氧薄膜透射光譜(T)及上包絡(luò)線(TM)和下包絡(luò)線(Tm)Fig.1 The transmission spectrum of SiCO thin film and substrate

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜樣品的透射光譜及光學(xué)常數(shù)計算方法

圖1給出了K9玻璃及硅碳氧薄膜的透射光譜圖.從圖1中可以看出,K9玻璃在光譜測試范圍內(nèi)有較好的透射性能,并且透射率一致性也較好.硅碳氧薄膜的透射率隨光波波長存在著振蕩現(xiàn)象,這種變化源于光在兩個界面即空氣-薄膜及薄膜-基片界面的干涉現(xiàn)象[4].在吸收邊附近,干涉帶逐漸消失,且膜層的透射率由于本征吸收急劇下降.

對于沉積在具有一定厚度的透明基片上厚度均勻的薄膜,其示意圖如圖2所示(見下頁).圖中分別用ds和ns表示基片的厚度和折射率,用d和n表示薄膜的厚度和折射率,用α和κ表示薄膜的吸收系數(shù)和消光系數(shù).根據(jù)Swanepoel[4]的觀點,對于圖2(見下頁)所示的光學(xué)系統(tǒng),應(yīng)當(dāng)滿足d?ds且κ2?n2(弱吸收)的情況下,薄膜的透射率T可以用下式表示:

(1)

圖2 沉積在具有一定厚度的透明基片上薄膜示意圖Fig.2 The optical system of glass substrate with thin film

透射光譜干涉帶的極值可分別表示為:

(2)

(3)

式(2)和式(3)中,透射光譜的上、下包絡(luò)線TM及Tm可以看成是波長λ的連續(xù)函數(shù),可以通過對樣品透射光譜的極值進(jìn)行擬合得到.在TM和Tm確定之后,聯(lián)立上述方程,就可以很方便地獲得薄膜的光學(xué)常數(shù).采用包絡(luò)線法計算光學(xué)常數(shù)時,要先將透射光譜按對不同譜段吸收的強弱分為弱吸收區(qū)、中等吸收區(qū)及強吸收區(qū).在本研究中,我們劃定波長λ≥800 nm為膜層的弱吸收區(qū)域,600 nm≤λ≤ 800 nm為中等吸收區(qū)域,λ≤600 nm為強吸收區(qū)域.

采用Swanepoel方法結(jié)合WDD色散模型確定薄膜光學(xué)常數(shù)的方法主要包括以下五步:(1)根據(jù)樣品透射光譜,確定上、下包絡(luò)線TM及Tm;(2)基于弱吸收和中等吸收區(qū)域的包絡(luò)線計算該光譜區(qū)域內(nèi)膜層折射率;(3)采用WDD色散模型對計算得到的折射率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得色散常數(shù);(4)將計算得到的折射率數(shù)據(jù)外推至強吸收區(qū)域,獲得強吸收波段的折射率;(5)代入薄膜厚度計算公式獲得薄膜厚度.

2.2 薄膜樣品的折射率、 厚度和色散常數(shù)

對于弱吸收及中等吸收區(qū)(λ≥600 nm),折射率可以通過下式計算而得:

(4)

-C4+C5λ2/λ2-C6

(5)

式中,C1、C2、C3、C4、C5、C6分別是1.039 612 12、0.006 000 698 67、0.231 792 344、0.020 017 914 4、1.010 469 45、103.560 Y653.

由公式(5)計算得到硅碳氧薄膜樣品的折射率數(shù)據(jù)如圖3中實線所示.表1給出了薄膜透射光譜極大(小)值對應(yīng)的波長、透射率及折射率.作為比較,在圖3中還給出了由WDD色散關(guān)系推導(dǎo)獲得的薄膜折射率數(shù)值,如圖3中虛線所示.

圖3 由包絡(luò)線法及WDD色散關(guān)系獲得的折射率隨波長的關(guān)系Fig.3 The relationship,derived from Swanepoel’s theory and the WDD dispersion model,of wavelength and refractive index

由于式(1)是在κ2?n2(弱吸收)的條件下得到的,對于強吸收區(qū),該公式將不再適用,該區(qū)域的折射率數(shù)值可由WDD單振子色散模型得到.WDD單振子色散模型是Wemple[9]等在1971年提出,認(rèn)為折射率與單振子能量E0及散射能量Ed存在如下關(guān)系:

(6)

根據(jù)式(6)及已獲得的折射率數(shù)據(jù),作(n2-1)-1隨E2的變化曲線,并進(jìn)行線性擬合.然后根據(jù)該直線的斜率與y軸的交點可以獲得E0與Ed.并且根據(jù)擬合的直線向強吸收區(qū)域外推,便可得到該區(qū)域薄膜的折射率.

圖3內(nèi)的插圖為WDD色散關(guān)系圖.插圖內(nèi)的實線為擬合的直線.可以看出,所獲得的結(jié)果和直線擬合得較好,表明采用WDD色散模型研究所討論的薄膜體系是合理的.根據(jù)線性擬合結(jié)果,得到薄膜的E0和Ed值分別是5.2 eV和13.9 eV.

將式(6)外推至短波區(qū)域,即可估算出強吸收區(qū)域薄膜的折射率,如圖3中虛線所示.在光譜的強吸收區(qū)域,兩種方法獲得的折射率差異較大,是由于包絡(luò)線法不再適用造成的.

采用上述計算得到的折射率數(shù)據(jù),可以根據(jù)式(7)得到一系列薄膜厚度:

(7)

式中,n1、n2為透射光譜中兩個相鄰的極大值(極小值)λ1、λ2處對應(yīng)折射率,且有λ1>λ2.計算結(jié)果如表1所示,對薄膜厚度計算的平均值為606.8 nm,相對標(biāo)準(zhǔn)方差為2.41%.測試的薄膜厚度值為619.2 nm.結(jié)果表明,根據(jù)本方法計算獲得的薄膜厚度與測量值比較接近,兩值相對誤差僅為2.0%.從而間接驗證了該方法可以較為準(zhǔn)確地獲得薄膜的折射率、厚度等光學(xué)常數(shù).

表 1 薄膜折射率及厚度計算結(jié)果Tab.1 The calculated values of refractive index and thickness

3 結(jié) 論

基于硅碳氧薄膜的透射光譜,根據(jù)Swanepoel極值包絡(luò)線法以及WDD色散模型,建立一套精確、方便并適合于計算硅碳氧薄膜光學(xué)常數(shù)的方法.結(jié)果顯示,在透射光譜的弱吸收區(qū),兩種方法給出的結(jié)果有極好的吻合性,表明采用Swanepoel極值包絡(luò)線法以及WDD色散模型來研究硅碳氧薄膜光學(xué)常數(shù)的計算是合理的.薄膜厚度的計算值與實際測量值相對誤差僅為2.0%,更進(jìn)一步驗證了該方法的準(zhǔn)確度及可靠性.該工作有益于指導(dǎo)硅碳氧薄膜的制備及應(yīng)用研究.

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