橢偏技術(shù)在薄膜光學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用研究

張雅娟

【摘要】首先將闡述了ITO薄膜的特點(diǎn)，并將其與AZO薄膜的特點(diǎn)進(jìn)行比較，然后結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用對(duì)ITO薄膜的應(yīng)用做了一定的歸納和總結(jié)，對(duì)未來ITO薄膜的廣泛應(yīng)用進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】ITO；TCO；AZO；電導(dǎo)率

由于薄膜產(chǎn)品特別是各種光電產(chǎn)品薄膜，在太陽能電池、等離子技術(shù)、光學(xué)薄膜期間、微電子器件等方面有著廣泛應(yīng)用，因此收到光學(xué)材料界的高度重視。能否準(zhǔn)備無誤測(cè)量出各種薄膜的光學(xué)厚度也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是在光電子產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)中，薄膜的光電特性參數(shù)——膜厚多少直接關(guān)系到薄膜產(chǎn)品是否能正常工作，能否對(duì)鍍膜工藝有所改進(jìn)等諸多問題，可見膜厚測(cè)量的重要性。而橢偏技術(shù)在測(cè)量薄膜的厚度和介質(zhì)折射率等參數(shù)方面得到了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，薄膜有著廣泛的應(yīng)用，因此測(cè)量薄膜的技術(shù)也有了很大的發(fā)展。膜厚的測(cè)量方法有電阻法、放電電壓法、電容法、激光衍射法、光纖位移傳感器法、橢偏法以及超聲共振法等等。隨著由于電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的目前已有的測(cè)量薄膜的最精確的方法之一就是橢偏法。膜厚測(cè)量方法一般是從兩個(gè)角度出發(fā)，要么從光學(xué)理論出發(fā)，用光的波動(dòng)性包括干涉、衍射、偏振等方法來測(cè)量膜厚；要么從具體實(shí)際出發(fā)，根據(jù)測(cè)量厚膜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件不同，例如根據(jù)光源的不同，是激光源進(jìn)行測(cè)量還是用普通白光源進(jìn)行測(cè)量等等，選用不同的測(cè)量方法。不同的測(cè)量方法所帶來的膜厚測(cè)量的精確度也不一樣。

一、橢偏技術(shù)原理

當(dāng)振幅為A的面偏振光入射到石英晶體做成的1/4波片時(shí)，若振動(dòng)方向與波片光軸夾角為θ，o光和e光的振幅分別為A0=Asinθ和Ae=Acosθ。從波片出射后的o光和e光的合振動(dòng)方程為橢圓方程，合振動(dòng)矢量的端點(diǎn)軌跡一般為橢圓，即獲得橢圓偏振光，再將其經(jīng)過待測(cè)薄膜產(chǎn)品表面反射，反射光是線偏振光。由之前的橢偏到后來的線偏，光振動(dòng)的相位和振幅發(fā)生了改變，通過這些參數(shù)變化即可判定薄膜產(chǎn)品的表面光學(xué)特性。

圖1 （a）光滑下表面（b）粗糙下表面

如上圖，待測(cè)件是玻璃薄膜產(chǎn)品。入射光束以某一角度入射，根據(jù)菲涅爾公式，光在兩種介質(zhì)的交界面上反射與透射時(shí)，垂直紙面的s分量和平行于紙面的p分量可根據(jù)r■=■，r■=■計(jì)算得到。式中，n■、n■分別為入射介質(zhì)與折射介質(zhì)的折射率，θ■、θ■分別為入射角和折射角。而反射系數(shù)P=■也是復(fù)數(shù)，可根據(jù)干涉原理計(jì)算出來。測(cè)量膜厚之前，首先需將根據(jù)橢偏技術(shù)制成的橢偏儀的光路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得光源經(jīng)過反射鏡后成平行光，經(jīng)過偏振片后得到線偏振光。線偏光入射到待測(cè)薄膜表面后所得到的反射光，其偏振狀態(tài)必將發(fā)生變化?？捎脝紊珒x將光路分光，再用光電探測(cè)器將光信號(hào)變成電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)軟件分析。測(cè)量時(shí)，先確定光路經(jīng)過的第一個(gè)偏振片是否放在通光軸為零度的位置，然后將待測(cè)薄膜放在起偏器和檢騙器的中間，插入1/4玻片并旋轉(zhuǎn)至消光。此時(shí)薄膜的快軸與設(shè)備的光軸平行。最后將起偏器的通光軸放在45度的地方，開始用軟件取樣、測(cè)量。由計(jì)算機(jī)分析計(jì)算出薄膜各光學(xué)性能參數(shù)。

二、幾種測(cè)量方法的比較

（1）根據(jù)激光透射法測(cè)量膜厚，以光在基體內(nèi)不產(chǎn)生干涉為前提。用這種方法可以獲得相當(dāng)高精度的膜厚測(cè)量，數(shù)量級(jí)為幾nm，能測(cè)量膜厚為1到幾百nm的薄膜。但由于設(shè)備復(fù)雜，環(huán)境要求高，只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。（2）采用激光反射法測(cè)量膜厚，有很大的優(yōu)勢(shì)——測(cè)量范圍大，從微米級(jí)到納米級(jí)都可以，但是調(diào)試過程繁瑣，難于實(shí)現(xiàn)。（3）基于白光光源的顏色色調(diào)檢測(cè)法制成的橢偏儀測(cè)量膜厚時(shí)，實(shí)施起來不難，但不能用來測(cè)量均勻膜厚，而只能用來測(cè)量不均勻膜厚，測(cè)量范圍雖和透射法測(cè)量膜厚的范圍差不多，但精度低，系統(tǒng)誤差較大。（4）采用分光光度測(cè)量法做成的橢偏儀，測(cè)膜厚的效率較高，設(shè)備成本也不高，容易實(shí)現(xiàn)。測(cè)量膜厚范圍雖然是微米級(jí)別，但精度比較高。（5）采用激光光源進(jìn)行激光干涉法的橢偏儀中，激光束通過顯微鏡，入射到放在焦點(diǎn)處的薄膜產(chǎn)品后，薄膜的上面兩個(gè)表面分別反射出的光在特定的位置發(fā)生等傾干涉，在觀察面用CCD接收，根據(jù)與CCD相連的計(jì)算機(jī)軟件分析干涉圖樣，即可計(jì)算出薄膜產(chǎn)品的膜厚。這種橢偏儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量迅速，很適合在工業(yè)生產(chǎn)線上測(cè)量10～100um的膜厚，但精度只能達(dá)到um數(shù)量級(jí)。通過上述分析和比較，不難發(fā)現(xiàn)，利用薄膜上下兩表面反射光干涉原理制成的橢偏儀測(cè)量范圍適中，但精度很高，而且設(shè)備簡(jiǎn)單，容易在實(shí)驗(yàn)室以外的地方實(shí)現(xiàn)，適合工業(yè)檢測(cè)。

三、應(yīng)用

利用橢偏技術(shù)作成的橢偏儀在不斷發(fā)展，測(cè)量的光譜范圍越來越寬，可以滿足不同鍍膜材料的測(cè)量要求，針對(duì)在紅外、紫外波段要進(jìn)行特殊材料的測(cè)量要求，也出現(xiàn)了專用橢偏儀；橢偏技術(shù)覆蓋了半導(dǎo)體、大面積光學(xué)薄膜、有機(jī)薄膜、金屬、玻璃等各種材料的工業(yè)實(shí)時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得橢偏儀的自動(dòng)化程度得到提高，也促成了橢偏儀的自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的深入結(jié)合。由于橢偏測(cè)量技術(shù)的高精度、高效、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中，例如對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)測(cè)量。被測(cè)的材料可以是固體或是液體，可以是各向同性或異性。根據(jù)菲涅爾公式，橢偏測(cè)量技術(shù)也可用于不同材料交界面的分析。在微電子與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，橢偏測(cè)量技術(shù)常用于半導(dǎo)體加工或微電子研究中薄膜生長(zhǎng)的監(jiān)控與分析，現(xiàn)代新材料的研究開發(fā)也常常使用橢偏技術(shù)作為研究手段。在生命科學(xué)領(lǐng)域里，橢偏測(cè)量技術(shù)可用于細(xì)胞表面膜相互作用、蛋白質(zhì)等大分子的測(cè)量。

四、結(jié)論

隨著光電技術(shù)以及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，表面和薄膜科學(xué)，微電子器件及納米技術(shù)等迅速發(fā)展，將使一起開發(fā)和檢測(cè)方法體系研究成為真空鍍膜技術(shù)中的發(fā)展重點(diǎn)。薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，各種厚度只有幾百甚至數(shù)十納米的單層或多層功能薄膜成為當(dāng)前材料研究的熱點(diǎn)。薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)決定了薄膜的投射、反射和吸收等各種光學(xué)特性。橢偏法具有無損非接觸、高靈敏度、高精度的特點(diǎn)、無需特別制備樣品，能對(duì)數(shù)納米厚的超薄薄膜測(cè)量，無疑是比較可靠的測(cè)量方法。當(dāng)然，在測(cè)量膜厚時(shí)依然存在某些問題，例如膜厚范圍的擴(kuò)大等，都有待于進(jìn)一步探索和研究。

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