橢偏儀對(duì)α—Co納米薄膜性能的研究

李雯

摘 要：本文采用橢偏儀（SE）測(cè)量了不同厚度的Co 納米薄膜的橢偏參數(shù)（Ψ和Δ），結(jié)合薄膜的特性，建立最優(yōu)的模型，獲得了薄膜的厚度及光學(xué)性能。XRD結(jié)果表明：納米薄膜為六方密堆結(jié)構(gòu)α-Co。

關(guān)鍵詞：橢偏儀；光學(xué)性能；α-Co薄膜

橢偏儀具有高精度和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，并且測(cè)試過程非破壞性、非苛刻性等特點(diǎn)[ 1 ]，因而在各種薄膜材料的光學(xué)、介電性能的研究和分析領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

實(shí)際測(cè)量過程中，首先直接測(cè)量獲得薄膜橢偏參數(shù)（Ψ和Δ）隨波長變化譜圖（橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為Ψ或Δ），隨后建立模型進(jìn)行解譜，從而獲得薄膜的復(fù)折射率、膜厚、表面特性等信息。

判斷模型好壞的標(biāo)準(zhǔn)為均方根誤差MSE：

通常MSE<100，認(rèn)為結(jié)果比較可靠，MSE<20，則結(jié)果非常可靠。

磁性金屬薄膜是當(dāng)前材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿和熱點(diǎn)之一，在磁光記錄介質(zhì)、快速讀寫薄膜磁頭以及靈敏傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[ 2 ]。鐵磁性Co金屬膜因其具有高的磁導(dǎo)率，有望成為微波磁性材料。當(dāng)前，研究僅僅集中在Co膜的基礎(chǔ)性能及靜態(tài)磁性上，而對(duì)其光學(xué)性能的研究還很少。據(jù)此，本文以Co納米薄膜為研究對(duì)象，研究其結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能。

1 Co納米薄膜制備

在洗凈的Si（100）圓晶基底上，以99.9%Co為濺射靶材制備Co膜。通過不斷優(yōu)化濺射條件，使濺射速率約為4 納米/分鐘。

具體濺射條件為本底真空：8.0×10-5 帕；功率：50 瓦；濺射氣壓：0.2帕；濺射時(shí)間分別為10 分鐘（樣品名稱記作：“Co10”）、20分鐘（樣品名稱記作“Co20”）、30分鐘（樣品名稱記作“Co30”）、50分鐘（樣品名稱記作“Co50”）。

2 XRD結(jié)構(gòu)分析

XRD圖譜中：隨著膜厚的增加，Co膜的晶體衍射峰越來越明顯，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜（JCPDS No. 050727）：在2θ=42.5°、45°、47.5°、63°、76.5°等五處明顯衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于六方密堆結(jié)構(gòu)的α-Co的（100）、（002）、（101）、（102）、（110）晶面，可確認(rèn)薄膜為α-Co。且隨著膜厚的增加，結(jié)晶相的數(shù)量增加。

3 橢偏儀的測(cè)定及模型建立

本文采用可變?nèi)肷浣枪庾V橢偏儀VASE？誖（由美國J.A. WooIIam公司生產(chǎn)），對(duì)Co膜進(jìn)行測(cè)量，入射角65到80度（步長為5度）；波長260到1700納米（步長為10 納米）。

3.1 Co30、Co50樣品當(dāng)做塊狀材料處理

金屬薄膜對(duì)可見光和紅外光有極強(qiáng)的吸收，當(dāng)光波透過金屬薄膜的厚度與光波在真空中的波長具有相同數(shù)量級(jí)時(shí)，光波就會(huì)被完全吸收。當(dāng)金屬薄膜厚度超過100 nm時(shí)，光波已無法透過而到達(dá)下表面，此時(shí)將其當(dāng)做塊狀樣品來處理（例如本文中的“Co30”， “Co50”樣品），建立以下模型：設(shè)定膜厚均為1mm（此時(shí)膜厚固定，不作為擬合參數(shù)），折射率n、消光系數(shù)k作為擬合參數(shù)，進(jìn)行一般擬合，得到均方根誤差MSE值分別為6.991，2.841，均小于20，擬合結(jié)果（Ψ值）與測(cè)定結(jié)果符合很好，因而模型的選擇是合理的。

3.2 Co10、Co20樣品采用振蕩模型

振蕩模型的建立需要兩個(gè)步驟：首先逐點(diǎn)擬合獲得材料光學(xué)常數(shù)，然后添加合適的振蕩方程、振蕩參數(shù)進(jìn)行擬合，從而獲得薄膜的厚度、光學(xué)常數(shù)。

對(duì)于金屬薄膜，常用的有Drude振蕩方程、Lorentz振蕩方程或者Harmonic振蕩方程[ 3 ]，本文采用Lorentz振蕩方程進(jìn)行擬合。

在逐點(diǎn)擬合獲得Co膜的光學(xué)常數(shù)之后，添加Lorentz振蕩模型，設(shè)置Amp，Br，En三個(gè)振蕩參數(shù)作為擬合參數(shù)（用來描述ε2），并且添加el offset（用以描述ε1）、再添加膜厚作為擬合參數(shù)（初設(shè)值為“Co10”，“Co20”樣品的名義厚度），最后進(jìn)行一般擬合。

擬合后發(fā)現(xiàn)：“Co10”、“Co20”樣品的擬合值（Ψ值）與測(cè)量值均很好符合。獲得“Co10”的厚度為38.503、“Co20” 的厚度為77.836 nm， “Co10”的MSE值為19.64， “Co20”的MSE值為14.03，兩者M(jìn)SE值均小于20，結(jié)果非?？尚?。

3.3 Co膜的光學(xué)性能

Co膜的折射率隨波長的增加而增加，屬于異常色散。如圖2所示：將本文獲得的Co膜的折射率（n）與文獻(xiàn)[ 4 ]進(jìn)行對(duì)比：折射率均在1-3之間，而本文則獲得了更大波長范圍（260到1700納米）的折射率結(jié)果。

將消光系數(shù)（k）與文獻(xiàn)[ 4 ]中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：消光系數(shù)均隨著波長的增加而增大?！癈o10”樣品的k隨波長增加增長較慢，而“Co20”、“Co30”、 “Co50”三個(gè)樣品則增長較快。

文獻(xiàn)中消光系數(shù)在2.6-4.8之間，而本文中k的范圍則在1.5-4.0，相比更低，差別可能是由于濺射條件的不同所致。此外，本文獲得了更大波長范圍（260到1700納米）的消光系數(shù)。

4 SEM結(jié)果

從SEM照片中：薄膜的厚度有較大的差異，“Co50”樣品因其厚度過大，導(dǎo)致薄膜與基底的結(jié)合力不夠強(qiáng)，出現(xiàn)了剝脫現(xiàn)象。

使用Nano Measurer軟件，分別在圖3 Co10、Co20選取10個(gè)標(biāo)記，求得各自膜厚的平均值，并和擬合的膜厚結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：Co10樣品SEM厚度值為41.91nm，擬合的厚度為38.503nm，兩者僅相差3.4nm；Co20樣品SEM厚度值為80.391nm，擬合的厚度為77.836 nm，兩者結(jié)果相差2.5 nm，因而可以驗(yàn)證模型的選擇是合適的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹春斌.橢圓偏振光譜技術(shù)及其對(duì)功能薄膜材料的性能表征[D]. 安徽：安徽大學(xué)，2006.

[2] 李國棟.2004-2005年金屬磁性功能材料研究新進(jìn)展[J].金屬功能材料，2006，13（4）：32-35.

[3] 王洪濤.橢圓偏振法測(cè)量薄膜參量的數(shù)據(jù)處理[J].物理實(shí)驗(yàn)，2001，21（7）：8-17.

[4] Harland G.Tompkins，Theodore Zhu.Determining thickness of thin metal films with spectroscopic ellipsometry for applications in magnetic random-access memory[J].J.Vac.Sci.Technol.A.1998，16.