基于透射光譜確定硅碳氧薄膜的光學常數

張 平,李 晨,陳 燾,王多書

(1.臺州學院 物理與電子工程學院,浙江 臺州 318000;2.蘭州空間技術物理研究所,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異的特性,如熱穩定性好、能帶寬、折射率大、硬度高和熱導率高等.由于其優越的光學和力學性能,硅碳氧薄膜是一種更具潛在應用價值的新穎光學薄膜[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.作為功能型光學膜層,薄膜的光學常數(如折射率、 色散常數、厚度等)是其光學性能的直接體現,如何方便而準確地獲得薄膜的光學常數對于其應用具有十分重要的意義.

測量薄膜光學常數的方法很多,通常分為非光學方法和光學方法兩大類.非光學方法有著穩定性好、分辨率高和測量范圍大等優點,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薄膜測試中的應用[3].光學方法中應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備及計算模型都較為復雜,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常數的方法,該方法稱為Swanepoel極值包絡線法.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常數方面得到了廣泛的應用[5-8].結果表明,該方法能夠準確地得到薄膜的光學常數.

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極值包絡線法直接計算薄膜的光學常數,但未見相關報道.為此,本文試圖根據硅碳氧薄膜的紫外、可見及紅外透射光譜,采用Swanepoel極值包絡線法結合WDD色散關系,建立一套精確、方便并適合于計算硅碳氧薄膜光學常數的方法.同時將薄膜厚度的計算值與實際結果進行比較,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)及上包絡線(TM)和下包絡線(Tm)Fig.1 The transmission spectrum of SiCO thin film and substrate

2 結果與討論

2.1 薄膜樣品的透射光譜及光學常數計算方法

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和消光系數.根據Swanepoel[4]的觀點,對于圖2(見下頁)所示的光學系統,應當滿足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、下包絡線TM及Tm可以看成是波長λ的連續函數,可以通過對樣品透射光譜的極值進行擬合得到.在TM和Tm確定之后,聯立上述方程,就可以很方便地獲得薄膜的光學常數.采用包絡線法計算光學常數時,要先將透射光譜按對不同譜段吸收的強弱分為弱吸收區、中等吸收區及強吸收區.在本研究中,我們劃定波長λ≥800 nm為膜層的弱吸收區域,600 nm≤λ≤ 800 nm為中等吸收區域,λ≤600 nm為強吸收區域.

采用Swanepoel方法結合WDD色散模型確定薄膜光學常數的方法主要包括以下五步:(1)根據樣品透射光譜,確定上、下包絡線TM及Tm;(2)基于弱吸收和中等吸收區域的包絡線計算該光譜區域內膜層折射率;(3)采用WDD色散模型對計算得到的折射率數據進行分析,獲得色散常數;(4)將計算得到的折射率數據外推至強吸收區域,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

對于弱吸收及中等吸收區(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據如圖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色散關系推導獲得的薄膜折射率數值,如圖3中虛線所示.

圖3 由包絡線法及WDD色散關系獲得的折射率隨波長的關系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,該公式將不再適用,該區域的折射率數值可由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,認為折射率與單振子能量E0及散射能量Ed存在如下關系:

(6)

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

圖3內的插圖為WDD色散關系圖.插圖內的實線為擬合的直線.可以看出,所獲得的結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.根據線性擬合結果,得到薄膜的E0和Ed值分別是5.2 eV和13.9 eV.

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

采用上述計算得到的折射率數據,可以根據式(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處對應折射率,且有λ1>λ2.計算結果如表1所示,對薄膜厚度計算的平均值為606.8 nm,相對標準方差為2.41%.測試的薄膜厚度值為619.2 nm.結果表明,根據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確地獲得薄膜的折射率、厚度等光學常數.

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

3 結 論

基于硅碳氧薄膜的透射光譜,根據Swanepoel極值包絡線法以及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常數的方法.結果顯示,在透射光譜的弱吸收區,兩種方法給出的結果有極好的吻合性,表明采用Swanepoel極值包絡線法以及WDD色散模型來研究硅碳氧薄膜光學常數的計算是合理的.薄膜厚度的計算值與實際測量值相對誤差僅為2.0%,更進一步驗證了該方法的準確度及可靠性.該工作有益于指導硅碳氧薄膜的制備及應用研究.

參考文獻:

[1] 張平,羅崇泰,陳燾,等.碳化硅薄膜制備方法及光學性能的研究進展[J].真空與低溫,2009,15(4):193-198.

[2] 李晨,陳燾,王多書,等.硅碳氧薄膜光學性能研究[J].真空科學與技術,2012,32(8):732-735.

[3] 陳燕平,余飛鴻.薄膜厚度和光學常數的主要測試方法[J].光學儀器,2006,28(6):84-88.

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[5] 梁麗萍,郝建英,秦梅,等.基于透射光譜確定溶膠凝膠ZrO2薄膜的光學常數[J].物理學報,2008,57(12):7906-7911.

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[9] Wemple S H,DiDomenico M.Behavior of the electronic dielectric constant in covalent and ionic materials[J].PhysicalReviewB,1971,3(4):1338-1351.