磁控溅射镀膜及椭偏仪测厚

方式 式， 通常薄膜的生长模式可 可分为三种： 岛状 状生长、 层状生 生长以及介于 于两种方式 之间 间的岛状加层 层状的中间生 生长模式， 如 图 2 所示。 膜方法 4、溅射镀膜 （1）磁控溅 溅射 射频交流溅 溅射是在靶材 材和阳极之 间加 加上交流电压 压，正离子和电子可以交 图 2 三种不同 同的薄膜生长 长模式 替撞 撞击靶材表面 面，避免了正电荷的蓄积， ，可维持辉光 光放电。此方 方法几乎可以 以用于溅射沉 沉积所 有固 固体材料。 而磁控溅射就是 是在射频交流 流溅射的基础 础上在一定程 程度上提高薄 薄膜沉积速度 度， 降 低工 工作气压，使 使得气体分子对 对薄膜产生污 污染的几率大 大大降低。在 在溅射是，磁 磁场的存在延长了 电子 子在靶材附近 近的等离子体 体中的运动轨迹 迹， 提高了电 电子与原子碰 碰撞的几率，增加了带电粒子 的浓 浓度，所以在 在相同电流和气压条件下 ，可以明显提 提高溅射的效 效率和薄膜沉 沉积的速度。 （2）反应溅 溅射 在溅射时， 在电子的撞击 击下容易发生 生分解， 使得 得最终沉积的 的薄膜的化学 学组分 有些化合物在 与靶 靶材本身的成 成分相差甚远 远，比如，在溅 溅射氧化物时 时，沉积薄膜 膜含氧量不足 足，通常需要 要调整 溅射 射时的气体组 组成和分压，限制化合物 的分解。而在 在本次实验中 中，是采用纯 纯金属作为靶 靶材， 在工 工作气体 Ar 气中混入适量 气 量的活性气体 体 O2 ，使其在 在溅射时生成 成特定的化合 合物。在反应 应溅射 中，活性气体的 的分压对沉积产物的结构、 、性 影响很大，有 有时可能得到的是化合物， ，有 能影 时也 也可能是固溶 溶体或者是多相混合物。 （二 二）椭偏法测 测量薄膜的厚 厚度和折射率 本实验中， 待测样品包括 括介质薄膜和 和金 属厚 厚膜。二者测 测量原理本质上是相同的， ，但 基于 于它们的折射 射率特性的差 差异， 在具体的 的计 算处 处理上有所不 不同， 下面分别 别简单介绍它 它们 的测 测量原理。 1、单层介质 质膜的厚度和 和折射率的测 测量 理 图 3 光波在两种介质界面上 上的反射和折 折射 原理
0 i （11） i
E sr E si
r12 r23se 2i 2s （5 ） 1 r12s r23se 2i
反射系数 数定义为反射 射波与入射波 波的电场强度 度之比。于是，单层膜的反 反射系数为： ：
Rp
r Ep r12 p r23 pe 2i ， （6） i Ep 1 r12 p r23 pe 2i
t i
i
r
r
t
2
4

n2d cos 2 （3）
r12 r23 pe 2i 2p （4 ） 1 r12 p r23 pe 2i
r i 从而 而得到： E p Ep
椭偏法测量 量薄膜厚度和折射率的原 理是建立在界 界面反射的菲 菲涅耳公式之 之上的。 （1）光波在 在两种介质分 分界面上的反 反射和折射 光波在两种 种介质分界面 面上的反射和 折射光路如图所示，根据 据折射定律：
n1 sin 1 n 2 sin 2 （1）
如图 图 3 所示，有 有绝缘介质界 界面上的电磁场 和折射定律的 的菲涅尔公式 式： 场边界条件和
其物 物理机制如下 下： 1、气体辉光 光放电及等离 离子体的形成 成 气 体 辉 光 放 电 以 及 等 离 子 体 的 产 生 是 溅 射 的 基 础 。溅 射 镀 膜 时 需 要 将 系 统 抽 到
5 10-5 10-4 Pa a 的高真空状 状态，再充入 入 10 -1 10 0Pa 的氩（Ar r）气。当逐 逐渐提高加有 有直流
E sr r12s r23se 2i Rs i . （7） Es 1 r12s r23se 2i
由此可以看出，如果知道方程左边的值，原则上就能确定介质膜的折射率和厚度。 （3）椭偏参数 椭偏测量术实际上就是将测量反射系数比的问题转化为测量椭偏参数的问题。 为实现这 一转化，首先将电场强度的复振幅用指数形式表示。从而就有下式，
rபைடு நூலகம்
r i Ep E sr 不同于 E p E si ；同时，反射
i sr )不同于( p si )。为便于测量，首
先引入参数 、 ，使得
Rp ei tan （9） Rs
如果入射光是等幅椭圆偏振光，即入射光的 p 波和 s 波振幅相等，则
tan
r Ep （10） E sr
r Ep E sr
Rp r i exp{i[( p sr ) ( p si )]}（8） i Rs Ep E si
在一般情况下， 入射光是椭圆偏振光， 经介质膜反射后的反射光也是椭圆偏振光。 但是， 反射光的 p 分量和 s 分量的相对强度会发生变化，即 光的两个分量之间的相位差也发生变化，及( p
电源 源的两电极之 之间的电压时 时，开始时 Ar r 原子大多数 数出于中性状态，只有极少 少量的 Ar 原子受 到高 高能宇宙射线 线的激发产生 生电离，并在 电场作用下形 形成微弱的电 电流，如图 1（a）所示。随 着电 电压升高，Ar r 原子电离的 的速度加快并 并导致电流逐 逐步升高，并 并逐渐达到饱 饱和，继续加大电 压，气体会突然发生电击穿现 现象， 此 系统中大量 Ar A 原子被电离 离，产生 时系 明显 显辉光， 为正常辉光放电， ， 继续加 电压 压会产生反常 常辉光放电,如图 如 1 （b ） 所示 示。 溅射过程常 常采用的气体 体放电方 式为 为辉光放电。 被 被放电击穿后 后的气体 通常 常是由离子、 电子、 中性原 原子和原 子团 团共同组成的 的所谓的等离 离子体。 2、物质的溅 溅射 等离子体中 中存在着各种 种各样的 碰撞 撞过程。离子 子与靶材表面 面的碰撞是 图 1 直流气 气体放电模型（a）和气体放 电伏安特性（b） 溅射 射形成的主要 要原因。 当离子 子在电场中获 获得一定能量 量并轰击靶材 材表面时， 会 会发生诸如碰 碰撞散 射、表面原子散 散射、离子注入 入、表面活化 化、表面扩散 散等一系列物 物理过程，每 每种物理现象 象发生 几率与入射离 离子的能量密 密切相关。 溅射 射产额是被溅 溅射出来的原 原子数与入射 射离子数之比 比， 是 的几 衡量 量溅射效率和 和决定薄膜沉 沉积速度的一个 个重要参数， ，与离子的入 入射能量、入 入射角度、入 入射离 子数 数和被溅射物 物质的种类有 有关。惰性气体 体化学性质较 较稳定，溅射 射产额高，因 因此被普遍采 采用为 入射 射离子，而且 且其离子越重 重，产额越高 。 3、薄膜的形 形成 被溅射出来 来的、具有一定的动能的表 表面原子撞击 击衬底表面时 时，失去能量 量被捕捉，通 通过在 衬底 底表面的扩散 散、迁移、成核 核，最终形成 成薄膜。溅射 射沉积中的高 高能原子在形 形成薄膜时，通常 具有 有较高的扩散 散能力。这些原子通过扩散 散、迁移而积 积聚在一起，形成新相的 的临界核，其 其形成 分自 自发成核与非 非自发成核两 两种方式。 临界 界核的维数是 是二维还是三 三维， 将最终 终决定薄膜的生长
磁控溅射镀膜及椭偏法测量薄膜厚度和折射率
姓名：史广军 学号：0810130967 日期：2011/03/17 老师：王海波 摘要: 本实验采用磁控溅射镀膜技术，首先镀制一片纯金属 Zn 厚膜，然后向真空室中加入氧 气，在不同 O2 和 Ar 气比例下镀制三片 ZnO 薄膜，从而掌握磁控溅射镀膜技术。然后用椭偏 法， 借助椭偏仪和计算机辅助软件， 测量样品及已经镀制好的金属厚膜和介质薄膜的折射率 和厚度，从而掌握椭偏法测量薄膜厚度和折射率的原理和技术方法。 关键词: 磁控溅射 高真空 椭偏法 薄膜 一、引言 薄膜技术是现代材料科学各领域中发展最迅速的一个分支， 是实现器材和系统微型化的 最有效手段。 它可灵活地将各种材料组合在一起， 合成新型的具有优质特性的复杂材料体系， 避免单一材料的局限性。 薄膜的制备方法可分为物理气相沉淀和化学气象沉淀。 本实验采用 的磁控溅射及常规镀膜都属于物理气相沉淀的范畴。 本实验的目的就是掌握磁控溅射的基本 原理，了解基本方法和流程。 薄膜的厚度和折射率是薄膜光电子器件设计和制备中不可缺少的两个参数。 因此， 精确 而迅速地测定这两个参数非常重要。 目前测量薄膜厚度的方法可分为光学测量和机械测量两 大类。光学测量主要是利用光在薄膜表面的反射、干涉等光学现象来确定薄膜的厚度。椭圆 偏振光法就是将一束单色椭圆偏振光投射到薄膜表面， 根据电动力学原理， 反射光的椭偏状 态与薄膜厚度和折射率有关， 通过测出椭偏状态的变化， 就可以推算出薄膜的厚度和折射率。 此方法也是目前测量透明薄膜厚度和折射率是常用的方法， 其测量精度高， 尤其是测量超薄 膜厚度时灵敏度很高。 本实验的目的就是要掌握椭偏法测量薄膜厚度和折射率的原理和方法， 测量几种常见介质膜的折射率和厚度，以及金属厚膜的复折射率。 二、实验原理 （一）磁控溅射镀膜技术 溅射镀膜的微观过程是：带电荷的离子在电场中加速，获得足够的能量，并撞向预被溅 射的靶材；当入射离子的能量合适时，靶材表面的原子被碰撞后获得足够的能量，从而脱离 表面束缚，并以一定的动能沿着一定的方向射向衬底；原子在衬底上沉积、迁移形成薄膜。
r Ep n cos 1 n1 cos 2 Er n cos s 1 n2 co os 2 rp i 2 ,rs si 1 , s 1 n2 co os 2 n2 cos 1 n1 cos 2 n1 cos Ep Es （2） t Et 2 n E n cos c 2 cos 1 1 1 1 ,ts s tp p i i n2 cos 1 n1 cos 2 n1 cos 1 n2 co s 2 Es Ep
其中 中， rp 、 rs 分别是 分 P 波和 和 S 波在单界 界面上的菲涅 涅尔反射系数 数，t p、ts 分 分别是 P 波和 和S波 的透 透射系数。 E p 和 E s 分别为入射光的 P 分量和 S 分量的电场强度的复振幅 幅， E p 和 E s 分 别为 为反射光的 P 分量和 S 分量的 分 电场 场强度的复振 振幅， E p 和 E s 分 别为 为透射光的 P 分量和 S 分量的 分 电场 场强度的复振 振幅。 （2）单层膜 膜的反射系数 数 与上节差别 别在于多了一 一个界 面， 推导过程中 中必须考虑多 多光束 涉现象。如图 图所示，多一 一个界 干涉 面即 即多一个 n3 以及相应的各 以 各个量。 图 4 光波在单层 层介质膜中传 传播 用 2 表示相邻两 两子波之间的 的相位差。由 由图 4 所示，不难推导出 出