真空技术-薄膜厚度的测量
真空蒸发镀膜实验报告
真空蒸发镀膜实验报告真空蒸发镀膜实验报告引言：镀膜技术是一种常用的表面处理方法，它可以提高材料的光学、电学、磁学等性能。
在镀膜技术中，真空蒸发镀膜是一种常见的方法。
本实验旨在通过真空蒸发镀膜实验，探究其原理和应用。
一、实验原理真空蒸发镀膜是利用物质在真空环境下的蒸发和沉积过程，将所需材料以原子或分子形式沉积在基材表面，形成一层薄膜。
在真空环境下，物质的蒸发速度与环境压力成反比，因此通过调节真空度可以控制蒸发速度，从而控制薄膜的厚度。
二、实验步骤1. 准备实验装置：将真空蒸发镀膜装置连接至真空泵，确保系统处于良好的真空状态。
2. 准备基材：清洗基材表面，确保表面干净无尘。
3. 准备镀膜材料：选择合适的镀膜材料，将其切割成适当大小的块状。
4. 蒸发源安装：将镀膜材料放置在蒸发源中，将蒸发源安装至真空腔室内。
5. 开始蒸发：打开真空泵，开始抽真空，待真空度达到要求后，打开蒸发源，开始蒸发镀膜。
6. 控制薄膜厚度：根据需要的薄膜厚度，调节蒸发源的功率和蒸发时间。
7. 结束蒸发：薄膜蒸发完成后，关闭蒸发源和真空泵，将装置恢复到常压状态。
8. 检查膜层质量：使用显微镜或其他测试设备检查膜层的均匀性和质量。
三、实验结果通过本次实验，我们成功制备了一层金属薄膜。
经过显微镜观察，我们发现薄膜均匀且质量良好。
通过测量，我们得到了薄膜的厚度为300纳米。
四、实验讨论1. 蒸发源选择：在真空蒸发镀膜实验中，蒸发源的选择对薄膜的质量和性能起着重要作用。
不同的材料具有不同的蒸发特性，因此在实验前需要仔细选择合适的蒸发源。
2. 控制薄膜厚度：薄膜的厚度直接影响其光学和电学性能。
在实验中，我们通过调节蒸发源功率和蒸发时间来控制薄膜的厚度。
在实际应用中，可以通过监测蒸发速率和实时测量薄膜厚度来实现更精确的控制。
3. 薄膜质量检查：薄膜的均匀性和质量是评价镀膜效果的重要指标。
在实验中，我们使用显微镜观察薄膜表面，确保其均匀性。
在实际应用中，还可以使用光学测试仪器、电学测试仪器等进行更详细的检测。
偏振光反射法测量薄膜厚度和折射率的研究毕业论文
偏振光反射法测量薄膜厚度和折射率的研究薄膜技术的发展及其应用薄膜是一种较特殊的物质形态，其在厚度这一特定方向上尺寸较小，仅是微观可测的物理量，并且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此使得薄膜材料产生了与块状材料具有不同的性能。
也可以解释为，由于成膜的过程中晶体取向、晶粒大小、杂质浓度、成份的均匀性、基底材料、温度以及清洁度等因素的影响，使得薄膜的物理性能与块状材料的物理性能在诸多方面不同。
这引起了诸多科研工作者们较为浓厚的研究兴趣并使之得到更为广泛的应用。
二十世纪70年代以来，薄膜技术得到空前的发展，无论在学术研究上还是在工业应用中都取得了较丰硕的成果。
薄膜技术及薄膜材料已成为当代真空技术及材料科学研究中最活跃的领域之一，并在新科学技术革命中，具有举足轻重的地位。
薄膜技术涉及的范围比较广，其中包括物理气相沉积、化学气相沉积成膜技术，以离子束刻蚀为代表的微细加工技术，成膜、刻蚀过程的监控技术，以及薄膜分析、评价与检测技术等。
目前，薄膜技术在电子元器件、集成光学、电子技术、红外技术、激光技术、航天技术和光学仪器等许多领域均得到了极为广泛的应用，不仅成为了一门独立的应用技术，而且成为了材料表面改性和提高某些工艺水平的重要手段。
许多国家对薄膜材料和薄膜技术的研究开发极为重视，称之为“腾飞的薄膜产业”，并且每年均要举行多次国际会议。
最早应用薄膜技术的领域要算光学领域，早在1817年夫琅禾费就用酸蚀方法制成了光学上的减反射膜。
1930年，由于真空蒸发设备出现使薄膜大量地应用于光学领域。
近代的彩色电视、彩色摄影机、太阳能电池、激光器、集成光学等均离不开薄膜技术，大部分光学仪器或光电装置也均离不开光学薄膜。
利用薄膜的光学性能，可改变元件反射率、吸收率与透射率，实现光束分束、并束、分色、偏振、位相调整等，使某光谱带通或阻滞等。
薄膜技术应用领域很广泛，由于高精尖的制造技术、跨学科的综合设计与严格科学的实际应用，使薄膜技术应用在高新技术领域、信息、生物、航空、航天、新能源等前沿领域中显示越来越重要的地位。
实验15椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率
实验15 椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛．因此，更加精确和迅速地测定一给定薄膜的光学参数已变得更加迫切和重要．在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数（如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等），但椭圆偏振法（简称椭偏法）具有独特的优点，是一种较灵敏（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）、精度较高（比一般的干涉法高一至二个数量级）、并且是非破坏性测量．是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法．它能同时测定膜的厚度和折射率（以及吸收系数）．因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用．这个方法的原理几十年前就已被提出，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解．直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力．目前，该方法的应用仍处在不断的发展中．实验目的(1)(1)了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理；(2)(2)初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度和折射率进行测量．实验原理椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的１/４波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性．1 椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量图15.1图15.1所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜．它有两个平行的界面，通常，上部是折射率为n1的空气(或真空)．中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉．其干涉结果反映了膜的光学特性．设φ1表示光的入射角，φ2和φ3分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有n1sinφ1=n2sinφ2＝n3sinφ3（15.1）光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P分量和垂直于入射面振动的s分量．若用E ip和E is分别代表入射光的p和s分量，用E rp及E rs分别代表各束反射光K0，K1，K2，…中电矢量的p分量之和及s分量之和，则膜对两个分量的总反射系数R p和R s定义为R P＝E rp/E ip , R s=E rs/E is（15.2）经计算可得式中，r1p或r1s和r2p或r2s分别为p或s分量在界面1和界面2上一次反射的反射系数．2δ为任意相邻两束反射光之间的位相差．根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件，可以证明r1p=tan(φ1-φ2)/ tan(φ1+φ2), r1s=-sin (φ1-φ2)/ sin(φ1+φ2)；r2p=tan(φ2-φ3)/tan(φ2+φ3), r2s =-sin (φ2-φ3)/sin(φ2+φ3)． (15.4)式（15.4）即著名的菲涅尔（Fresnel）反射系数公式．由相邻两反射光束间的程差，不难算出． (15.5)式中，λ为真空中的波长，d和n2为介质膜的厚度和折射率．在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量ψ和Δ来描述反射光偏振态的变化．它们与总反射系数的关系定义为上式简称为椭偏方程，其中的ψ和Δ称为椭偏参数（由于具有角度量纲也称椭偏角）．由式(15.1),式( 15.4),式( 15.5)和上式可以看出，参数ψ和Δ是n1，n2，n3，λ和d的函数．其中n1，n2，λ和φ1可以是已知量，如果能从实验中测出ψ和Δ的值，原则上就可以算出薄膜的折射率n2和厚度d．这就是椭圆偏振法测量的基本原理．实际上，究竟ψ和Δ的具体物理意义是什么，如何测出它们，以及测出后又如何得到n2和d，均须作进一步的讨论．2 ψ和Δ的物理意义用复数形式表示入射光和反射光的p和s分量E ip=|E ip|exp(iθip)，E is=|E is|exp(iθis)；E rp=|E rp|exp(iθrp) ，E rs=|E rs|exp(iθrs)．（15.6）式中各绝对值为相应电矢量的振幅，各θ值为相应界面处的位相．由式（15.6）,式（15.2）和式（15.7）式可以得到．（1 5.7）比较等式两端即可得tanψ=|E rp||E is|╱|E rs||E ip| （15.8）Δ=(θrp–θrs)- (θip–θis) （15.9）式（15.8）表明，参量ψ与反射前后p和s分量的振幅比有关．而（15.9）式表明，参量Δ与反射前后p和s分量的位相差有关．可见，ψ和Δ直接反映了光在反射前后偏振态的变化．一般规定，ψ和Δ的变化范围分别为0≤ψ<π /2和0≤Δ<2π．当入射光为椭圆偏振光时，反射后一般为偏振态（指椭圆的形状和方位）发生了变化的椭圆偏振光(除开ψ<π／4且Δ=0的情况)．为了能直接测得ψ和Δ，须将实验条件作某些限制以使问题简化．也就是要求入射光和反射光满足以下两个条件：（1）要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光（即P和S 二分量的振幅相等）．这时，|E ip|/|E is|=1,式（15.9）则简化为tanψ=|E rp|/|E rs| ．（15.10）（2）要求反射光为一线偏振光．也就是要求θrp–θrs=0（或π），式（15.９）则简化为（15.15）满足后一条件并不困难．因为对某图 15.2一特定的膜，总反射系数比R p/R s是一定值．式（15.6）决定了⊿也是某一定值．根据（15.9）式可知，只要改变入射光二分量的位相差（θip–θis），直到其大小为一适当值（具体方法见后面的叙述），就可以使（θip–θis）=0（或π），从而使反射光变成一线偏振光．利用一检偏器可以检验此条件是否已满足．以上两条件都得到满足时，式（15.10）表明，tan ψ恰好是反射光的p和s分量的幅值比，ψ是反射光线偏振方向与s方向间的夹角，如图15.2所示．式（15.15）则表明，Δ恰好是在膜面上的入射光中s和s分量间的位相差．3 ψ和Δ的测量实现椭圆偏振法测量的仪器称为椭圆偏振仪（简称椭偏仪）．它的光路原理如图15.3所示．氦氖激光管发出的波长为 632. 8 nm的自然光，先后通过起偏器Q，1/4波片C入射在待测薄膜F上，反射光通过检偏器R射入光电接收器T．如前所述，p和s分别代表平行和垂直于入射面的二个方向．快轴方向f，对于负是指平行于光轴的方向，对于正晶体是图15.3 从Q，C和R用虚线引下的三个插图都是迎光线看去的指垂直于光轴的方向．t代表Q的偏振方向，f代表C的快轴方向，t r 代表R的偏振方向．慢轴方向l，对于负晶体是指垂直于光轴方向，对于正晶体是指平等于光轴方向．无论起偏器的方位如何，经过它获得的线偏振光再经过1/4波片后一般成为椭圆偏振光．为了在膜面上获得p和s二分量等幅的椭圆偏振光，只须转动1/4波片，使其快轴方向f与s方向的夹角α=土π/4即可（参看后面）．为了进一步使反射光变成为一线偏振光E，可转动起偏器，使它的偏振方向t与s方向间的夹角P1为某些特定值．这时，如果转动检偏器R使它的偏振方向t r与E r垂直，则仪器处于消光状态，光电接收器T接收到的光强最小，检流计的示值也最小．本实验中所使用的椭偏仪，可以直接测出消光状态下的起偏角P1和检偏方位角ψ．从式（15.15）可见，要求出Δ，还必须求出P1与（θip–θis）的关系．下面就上述的等幅椭圆偏振光的获得及P1与Δ的关系作进一步的说明．如图15.4所示，设已将1/4波片置于其快轴方向f与s方向间夹角为π/4的方位．E0为通过起偏器后的电矢量，P1 为E0与s方向间的夹角（以下简称起偏角）．令γ表示椭圆的开口角（即两对角线间的夹角）．由晶体光学可知，通过1/4波片后，E0沿快轴的分量E f与沿慢轴的分量E l比较，位相上超前π/2．用数学式可以表达成．（15.12）．（15.13）从它们在p和s两个方向的投影可得到p和s的电矢量分别为：图15.4．（15.14）．（15.15）由式（15.14）和式（15.15）看出，当1/4波片放置在+π/4角位置时，的确在p和s二方向上得到了幅值均为E0/2的椭圆偏振入射光．p和s的位相差为θip–θis =π/2-2P1．（15.16）另一方面，从图15.4上的几何关系可以得出，开口角γ与起偏角P1的关系为γ/2=π/4-P1γ=π/2-2P1 （15.17）则（15.16）式变为θip–θis=γ（15.18）由式（15.15）可得Δ=—(θip -θis)= -γ（15.19）至于检偏方位角ψ，可以在消光状态下直接读出．在测量中，为了提高测量的准确性，常常不是只测一次消光状态所对应的P1和ψ1值，而是将四种（或二种）消光位置所对应的四组（P1,ψ1）),（P2,ψ2）,（P3,ψ3）和（P4,ψ4）值测出，经处理后再算出Δ和ψ值．其中,(P1,ψ1)和（P2,ψ2）所对应的是1/4波片快轴相对于S方向置+π/4时的两个消光位置(反射后P和S光的位相差为0或为π时均能合成线偏振光)．而(P3,ψ3)和(P4,ψ4)对应的是1/4波片快轴相对于s方向置-π/4的两个消光位置．另外，还可以证明下列关系成立：|p1-p2|＝90˚,ψ2＝-ψ1．|p3-p4|＝90˚，ψ4＝－ψ3.求Δ和ψ的方法如下所述．(1) 计算Δ值．将P1，P2,P3和P4中大于π/２的减去π/２，不大于π/２的保持原值，并分别记为< P1>,< P2>，< P3>和< P4>，然后分别求平均．计算中，令和， (15.20)而椭圆开口角γ与和的关系为． (15.21) 由式(15.22)算得ψ后，再按表15.1求得⊿值．利用类似于图15.4的作图方法，分别画出起偏角P1在表15.1所指范围内的椭圆偏振光图，由图上的几何关系求出与公式（15.18）类似的γ与P1的关系式，再利用式（15.20）就可以得出表15.1中全部Δ与γ的对应关系．1(2)(2)计算ψ值：应按公式（15.22）进行计算． (15.22) ４折射率n2和膜厚d的计算尽管在原则上由ψ和Δ能算出n2和d，但实际上要直接解出（n2,d）和（Δ,ψ）的函数关系式是很困难的．一般在n1和n2均为实数（即为透明介质的），并且已知衬底折射率n3（可以为复数）的情况下，将（n2,d）和（Δ,ψ）的关系制成数值表或列线图而求得n2和d值．编制数值表的工作通常由计算机来完成．制作的方法是，先测量（或已知）衬底的折射率n2，取定一个入射角φ1,设一个n2的初始值，令δ从0变到180°（变化步长可取π/180，π/90，…等），利用式（15.4），式（15.5）和式（15.6），便可分别算出d，Δ和ψ值．然后将n2增加一个小量进行类似计算．如此继续下去便可得到（n2,d）～（Δ,ψ）的数值表．为了使用方便，常将数值表绘制成列线图．用这种查表（或查图）求n2和d的方法，虽然比较简单方便，但误差较大，故目前日益广泛地采用计算机直接处理数据．另外，求厚度d时还需要说明一点：当n1和n2为实数时，式（15.4）中的φ2为实数，两相邻反射光线间的位相差“亦为实数，其周期为2π．2δ可能随着d的变化而处于不同的周期中．若令2δ=2π时对应的膜层厚度为第一个周期厚度d0，由（15.4）式可以得到由数值表，列线图或计算机算出的d值均是第一周期内的数值．若膜厚大于d0，可用其它方法(如干涉法)确定所在的周期数j，则总膜厚是D = (j -1) d0+d．５金属复折射率的测量以上讨论的主要是透明介质膜光学参数的测量，膜对光的吸收可以忽略不计，因而折射率为实数．金属是导电媒质，电磁波在导电媒质中传播要衰减．故各种导电媒质中都存在不同程度的吸收．理论表明，金属的介电常数是复数，其折射率也是复数．现表示为=n2 -iκ式中的实部n2并不相当于透明介质的折射率．换句话说，n2的物理意义不对应于光在真空中速度与介质中速度的比值，所以也不能从它导出折射定律．式中κ称为吸收系数．这里有必要说明的是，当为复数时，一般φ1和φ2也为复数．折射定律在形式上仍然成立，前述的菲涅尔反射系数公式和椭偏方程也成立．这时仍然可以通过椭偏法求得参量d,n2和k，但计算过程却要繁复得多．本实验仅测厚金属铝的复折射率．为使计算简化，将式（15.25）改写成以下形式=n2-i nκ由于待测厚金属铝的厚度d与光的穿透深度相比大得多，在膜层第二个界面上的反射光可以忽略不计，因而可以直接引用单界面反射的菲涅尔反射系数公式（15.4）．经推算后得公式中的n1，φ1和κ的意义均与透明介质情况下相同．实验内容关于椭偏仪的具体结构和使用方法，请参看仪器说明书．实验时为了减小测量误差，不但应将样品台调水平，还应尽量保证入射角φ1放置的准确性，保证消光状态的灵敏判别．另外，以下的测量均是在波长为632.8nm时的参数．而且，所有测量均是光从空气介质入射到膜面．1 测厚铝膜的复折射率取入射角φ1=π/3．按已述方法测得Δ和ψ．由式(15.26)和式(15.27)式算出n和κ值，并写出折射率的实部和虚部． 2 测硅衬底上二氧化硅膜的折射率和厚度已知衬底硅的复折射率为n3=3.85－i0.02,取入射角φ1=7π／18．二氧化硅膜只有实部．膜厚在第一周期内．测出Δ和ψ后，利用列线图（或数值表）和计算机求出n2和d，将两种方法的结果进行对比．并计算膜的一个周期厚度值d0．3 测量κ0玻璃衬底上氟化镁（MgF2）膜层的折射率和厚度 (1) 测κ0玻璃的折射率首先测出无膜时K0玻璃的Δ和ψ值，然后代入n3=n3（Δ,ψ,φ1）的关系式中算出n3值，测量时入射角φ1取7π/18．关于n3与三个参量的关系式，根据式（15.1），式（15.4），式（15.5）和式（15.6），并令膜厚d＝0，便可以算出n3的实部n0的平方值和n3的虚部κ值为(15.28)(15.29)（2）测透明介质膜氟化镁的折射率和厚度仍取入射角φ1=7π／18．膜厚在第一周期内．测出Δ和ψ后也用列线图和计算机求出结果．思考题(1) 用椭偏仪测薄膜的厚度和折射率时，对薄膜有何要求？(2) 在测量时，如何保证φ1较准确？(3) 试证明：|P1-P2| =π/2，|P3-P4| =π/2．(4) 若须同时测定单层膜的三个参数（折射率n2，厚度d 和吸收系数κ），应如何利用椭偏方程？。
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南在现代光学实验中，薄膜是一种广泛应用的材料，它具有许多独特的光学性质。
为了实现特定的光学设计要求，科学家们需要制备和表征各种薄膜。
本文将为您介绍光学实验技术中的薄膜制备与表征指南，帮助您更好地理解和应用薄膜技术。
一、薄膜制备技术1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种常见的薄膜制备技术，它通常用于金属或有机材料的蒸发。
蒸发源材料通过加热，使其蒸发并沉积在基底表面上，形成薄膜。
真空蒸发法具有简单、灵活的优点，但由于材料的有机蒸发率不同，容易导致薄膜的成分非均匀性。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种通过离子碰撞使靶材溅射，并沉积在基底上的技术。
这种方法可以获得高质量和均匀性的薄膜。
磁控溅射法通常用于金属、氧化物和氮化物等无机薄膜的制备。
3. 原子层沉积法原子层沉积法（ALD）是一种逐层生长薄膜的方法，通过交替地注入不同的前驱体分子，使其在基底表面上化学反应并沉积。
这种方法可以实现非常精确的厚度控制和成分均一性。
4. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种基于溶胶和凝胶的化学反应制备薄膜的方法。
通过溶胶中的物质分子在凝胶中发生凝胶化反应，形成薄膜。
这种方法适用于复杂的薄膜材料。
二、薄膜表征技术1. 厚度测量薄膜的精确厚度对于光学性能至关重要。
常用的测量方法包括激光干涉法、原位椭圆偏振法和扫描电子显微镜等。
激光干涉法通过测量反射光的相位差来确定薄膜厚度，原位椭圆偏振法则通过测量反射光的椭圆偏振状态来推断厚度。
2. 光学性能表征光学性能包括反射率、透过率、吸收率等。
常用的表征方法有紫外可见近红外分光光度计和激光光谱仪。
通过测量样品在不同波长下的吸收或透过光强度，可以得到其光学性能。
3. 表面形貌观察表面形貌对薄膜的光学性能和功能具有重要影响。
扫描电子显微镜和原子力显微镜是常用的表面形貌观察工具。
扫描电子显微镜可以获得样品表面的高分辨率图像，原子力显微镜则可以实现纳米级表面形貌的观察。
4. 结构分析薄膜的结构分析是了解其晶体结构和晶格形貌的重要手段。
薄膜的制备及其特性测试
图1 双靶反应磁控溅射原理图 如图，双靶法同时安装两块靶材互为阴阳极进行轮回溅射镀膜 如图，
1.4、射频反应磁控溅射 1.4、
在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率 增高到射频频率时即可产生稳定的射频辉光放电。射频辉光 放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量， 所以减小了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电 压。射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要 求是导电体，可以溅射任何材料，因此射频辉光放电广泛用 于介质的溅射。频率在5～30MHz都称为射频频率。
透光率是透明薄膜的一项非常重要的光学性能指标， 透光率是透明薄膜的一项非常重要的光学性能指标，透光 率是指以透过材料的光通量与入射的光通量之比的百分数表示， 率是指以透过材料的光通量与入射的光通量之比的百分数表示，在 测试中采用相对测量原理，将通过透明薄膜的光通量记为T2 T2， 测试中采用相对测量原理，将通过透明薄膜的光通量记为T2，在没 有放入透明薄膜的光通量记为T1 那么薄膜的透光率为： T1， 有放入透明薄膜的光通量记为T1，那么薄膜的透光率为： Tt =T2/T1⊆ 其中，T1，T2均为测量相对值 均为测量相对值） =T2/T1⊆100% （其中，T1，T2均为测量相对值） 一般用来测量透过率的仪器有透过率雾度测试仪和分光光 度计法， 度计法，其原理图分别如下
1.5、化学气相沉积(CVD)法 (CVD) 1.5、化学气相沉积(CVD)法
化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD(Chemical V apor Deposition)技术。这种技术是把含有构成薄膜元素的一种 或几种化合物质气体供给基片，利用加热等离子体、紫外光乃至 激光等能源，借助气体在基片表面的化学反应(热分解或化学合 成)生成要求的薄膜。例如下图是利用化学气相沉淀法制备ITO的 原理结构图
薄膜表征
可同时测得薄膜的表面粗糙度及膜厚！
2、仪器特征：
1）探针：一般为金刚石，头部磨成 R= 2-10 m的圆弧形； 2）载荷：一般为 1-30 mgf； 3）分辩率：1 nm (机械/光电放大位移量 103-106倍)。
二、基本特点：
1、类似光学金相，可提供清晰直观的表面/截面形貌像； 2、分辩率高，景深大； 3、可采用不同分析模式作定量/半定量的表面成分分析； 4、是目前材料研究最常用手段之一，应用极为广泛。
SEM的结构与主要组件
三、电子束的作用区域及主要成像粒子：
1、电子束入射到样品表面后，会与表面层的原子发生各种交互作用， 其作用区域大致为一个梨形区域，深度约 1m； 2、该区域在电子束照射下可实现成像和波谱分析的主要激发粒子是： 最表层 (10Å)：俄歇电子； 浅层 (50~500Å)：二次电子； 梨形区上部：背散射电子； 梨形区下部：特征X射线。 3、分别接收上述激发粒子，处理后可显示表层的各种形貌/成分信息。
探针法的测量原理
3、基本矛盾：
不破坏样品表面真实形貌 探头头部接触压力 大直径探头有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探头跟随性、分辨率 小直径探头有利！
4、优、缺点：
1）方法简单、测量直观； 2）适合硬膜测量，容易划伤较软薄膜并引起测量误差； 3）对表面很粗糙的薄膜测量误差较大。
1
dt
0
t
Ii a Ii dt t I Ie 0 e a
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(5 - 1)
此处：n — 气相粒子密度； — 膜材料密度； a — 常数。
等厚干涉法测量薄膜厚度的两种方法
中图分类号 :O43 文献标识码 :A文章编号 :1001 - 2443 (2012) 01 - 0032 - 03薄膜材料具有不同于体材料的特殊性质 ,因而在集成电路工艺中有着广泛的应用. 各种薄膜材料 ,包括 半导体 、金属和绝缘体薄膜可以作为器件的功能层1 ,或作为电极2 ,或者作为钝化层保护器件免受环境的影响等等. 薄膜的质量对器件的性能和成品率有着重要的影响 ,因此需要对薄膜质量进行必要的检查 ,厚度 测量是薄膜质量检查的重要内容之一3 .干涉法测量薄膜厚度是实验和生产中较普遍采用的测量方法 ,其优点是设备简单 ,操作方便 ,无需复杂 的计算. 除了常规的空气膜劈尖干涉法外4 ,本文就等厚干涉法的另外两种形式测量薄膜厚度的原理分别 进行了探讨.空气劈尖取一小片硅片部分地覆盖衬底 , 放入反应腔内生长薄膜 , 生长完成后取下硅片即形成台阶. 将薄玻璃片与带有薄膜台阶的样品沿平行于台阶方向对合 , 一端轻轻压紧 , 另一端用纸片分隔 , 形成空气劈尖 ( 如图 1 所示) . 在读数显微镜下便可观察到干涉条纹. 衬底的一半沉积有厚度为 D 的不透明薄膜 , 它改变了空气膜的厚度 , 即改变了光程差 , 从而使直条纹发生弯折[ 5 ]. 为形成条纹的突然弯折 , 薄膜台阶应尽量陡直.第 k 级暗纹位置 e k 由 ( 1) 式确定 ,1 λλ δ = 2 e k += ( 2 k + 1)暗纹k = 0 , 1 , 2 , 3( 1)22干涉条纹为平行于劈尖棱边的直线条纹 , 每一条纹与空气劈尖的一定厚度 e k 对应. 任意两相邻的暗条纹之间的距离 l 由 ( 2) 式决定 ,λ 1 1l s in θ = e k = 2( k + 1)λ - 2k λ = e k +1 - ( 2) 2式中θ为劈尖的夹角. 可见 , 干涉条纹是等间距的 , 而且θ越小 , l 越大 , 即干涉条纹愈疏 , 反之亦然. 沉积了薄膜的一侧的第 k 级暗纹位置 e ′由( 3) 式确定 λ λ 2 e ′k + = ( 2 k + 1)( 3) 2条纹移动的距离 a 满足a sin θ = e ′k - e k = D结合( 2) 、( 4) 两式可以得到 2( 4)λ a D = ·l( 5)2收稿日期 :2011 - 08 - 15基金项目 :国家自然科学基金( 61106011) 作者简介 :左则文( 1978 - ) , 男 , 安徽郎溪人 , 讲师 , 博士 , 主要从事硅基低维材料与器件方面的研究.透明薄膜劈尖很多薄膜材料在可见光范围内是透明的. 这 里 ,我们以 SiO 2 为例来阐述另一种等厚干涉法测 量透明薄膜厚度的原理.在单晶硅( Si ) 衬底上用化学气相沉积的方法 沉积一层 SiO 2 ,切取一小片用于厚度测量. 将待测 样品切面沿某一方向 ( 以一定角度) 轻磨即可形成 如图 2 所示的 SiO 2 劈尖.2 图 1 弯折干涉条纹示意图Figure 1 Schematic diagram of kinked 2f ringes当用单色光垂直照射 SiO 表面时 , 由于 SiO 2 2 是透明介质 ,入射光将分别在 SiO 2 表面和 SiO 22Si界面处反射 ,反射光相干叠加产生干涉条纹. 由于整个 SiO 2 台阶的厚度是连续变化的 ,因此 ,在 SiO 2 台阶上 将出现明暗相间的干涉条纹.在此系统中 ,空气 、SiO 2 、Si 的折射率分别为 1 ,1 . 5 和 3 . 5 ,因此在两个界面上的反射光都存在“半波损失”,其作用相互抵消 ,对光程差不产生影响 ,由此δ = 2 n e k = k λ 明纹k = 0 , 1 , 2 , 3 ( 5)λ δ = 2 ne k = ( 2 k + 1)暗纹k = 0 , 1 , 2 , 32式中 n 为 SiO 2 的折射率 , e k 为条纹处 SiO 2 层的厚度. 在 SiO 2 台阶楔尖处 e k = 0 , 所以为亮条纹.由 ( 5) 式 , 可以得到两相邻明纹之间的 SiO 2 层的厚度差为( k + 1) λ k λ λ ( 6)e k +1 - e k =- 2 n = 2 n2 n 同样 , 两相邻暗纹之间的 SiO 2 层的厚度差也 为 λ . 2 n由此可见 , 如果从 SiO 2 台阶楔尖算起至台阶顶端共有 m + 1 个亮条纹 ( 或暗条纹) , 则 SiO 2 层的厚度应为λ m2 n( 7)D = 图 2 SiO 2 劈尖形成的干涉示意图Schematic diagram of int erference o n SiO 2 wedge因此 , 已知 SiO 2 的折射率 n ( ≈ 1 . 5 , 与生长条Figure 2 件有关) , 通过读数显微镜观察条纹数即可由( 7) 式得到透明薄膜的厚度. 实验结果与分析以单晶硅作为衬底 ,采用化学气相沉积的方法生长非晶硅薄膜 ,沉积过程中用小片硅片部分遮盖以形成台阶. 作为参考 ,首先用扫描电子显微镜( SE M ) 对 其剖面进行测量 ,得到薄膜的厚度约为 755 n m. 再用 空气劈尖法对薄膜的厚度进行测量 ,得到如下的数据 :3l ( mm )a ( mm )D ( nm )1 230 . 135 0 . 136 0 . 1340 . 353 0 . 352 0 . 354770 . 455 762 . 624 778 . 404实验所用钠双线的波长为分别为 589 . 0 n m 和 589 . 6 nm ,取其平均值 589 . 3 nm 作为入射波长. 计算得到的薄膜平均厚度为 770 . 5 nm ,与扫描电子显微镜测量的结果非常接近 ,表明空气劈尖法可以比较精确地测量薄膜的厚度.利用化学气相沉积法在硅片上生长 SiO 2 薄膜 ,并采用如前所述的方法形成 SiO 2 的劈尖 ,并用读数显微 镜测量劈尖上的干涉条纹. 读数显微镜观察到 SiO 2 劈尖上共有 5 条完整的亮纹 ,即 m = 4 . 取 SiO 2 的折射率为 1 . 5 ,利用公式 ( 7) 计算得到薄膜的厚度约为 785 . 7 n m ,而用扫描电子显微镜测量的剖面厚度约为 853参考文献 :周之斌 ,张亚增 ,张立昆 ,杜先智. 光电器件用铟锡氧化物 I T O 薄膜的制备及特性研究J . 安徽师范大学学报 :自然科学版 ,1995 ,18 ( 2) :66 - 69 . 万新军 ,褚道葆 ,陈声培 ,黄桃 ,侯晓雯 ,孙世刚. 不锈钢表面修饰纳米合金膜电极的电催化活性研究J . 安徽师范大学学报 : 自然科学版 , 2007 ,30 ( 5) :567 - 569 .高雁. 真空蒸发镀膜膜厚的测量J . 大学物理实验 ,2008 ,21 ( 4) :17 - 19 .方正华. 大学物理实验教程M . 合肥 :中国科学技术大学出版社 ,2010 :123 - 129 . 单慧波. 牛顿环实验的拓展J . 物理实验 ,1996 ,16 ( 6) :290 .1 2 3 4 5Two Methods f or Mea s uring the Thickness of Fil m s B a s ed on EqualThickness I nterf e renceZU O Ze 2wen( College of Physics and Elect ro nics Inf o r matio n , Anhui No r m al U niversit y , Wuhu 241000 , China )Abstract : Equal t h ickness interference met h o d is widely applied in p r o d ucti o n due to it s sim ple equip m ent ,co nvenient operati o n , and unco m plicated analysis p rocess. In t his paper , t he p rinciple of t wo met ho d s fo rmeasuring t he t hickness of films based o n equal t hickness interference was discussed. In t hese met ho d s ,m o nochro matic light ref lect s at top and bot to m interf aces of t he wedge 2shaped air o r t ransparent material f ilm s ,w hich is fo r med by utilizing t he step of films , and fo r ms t he interference f ringes. By measuring t he parameters of f ringes , t he t hickness of t he film can be o btained. C o m pared to film 2wedged met ho d , air 2wedged met h o d ism o re appliable due to it s sim pleness and p r ecisi o n .K ey w ords : equal t h ickness interference ; films ; measurement of t h e t h ickness。
一种适用于在线检测的纳米薄膜厚度精确测量方法
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｔ ｉ ｌ ； ｈｉｋ ｅ ｓ ｄ ｔ ｒ ｎ ｔ ｏ ｐ ｅ ｉｅ ｄｓ ｈ ｎ ｆ ｍ ｔ ｃ ｎ ｓ ； ｅ ｅ ｍｉ ａ ｉ ｎ； ｒ ｃ ｓ ｉ
０ 引 言
自２ 世纪 ７ 年代 以来 ， ０ ０ 薄膜 技术和 薄膜材
料得 到 了迅速 发 展 ，已成 为 当代 真 空技术 和 材 料 科学 中最 活跃 的研 究 领域 。由于跨 学 科 的综 合设 计与 高精 尖 的制造 技术 已使 得薄 膜 技术 渗
Ｅ－ ａｌ ｍ ｉ：３６ ６ ５ ６ ｑ ｃ ｍ ２ ７ ４７ ＠ ｑ．ｏ
ｈ ｐ ／ ｕｎ１ｔ． ． ／ｗ ｔ ： ｊ ｒ ． ｐ ｃ ｎｈ ｔ ／ ｏ ａｓ ａ ｃ ｉ
ＩＦＡ Ｅ Ｍ Ｎ ＨＹ／ Ｏ． ， Ｏ７ Ｕ ０１ ＮＲ Ｒ Ｄ（Ｏ Ｔ Ｌ）Ｖ Ｌ ２ Ｎ ． ３ ，ＪＬ １ ２
透 到信 息、生物、航空 、 航天 和新能源等前 沿领 域， 薄膜技术在从 航天 、 星等空 间探 测器到集 卫 成 电路 、生物芯 片、激光器件 、液晶显示 以及集 成光学等 方面都发 挥着重要 作用 ［ ３。 １］ － 薄 膜 的光学 常数 （ 折射 率 ｎ和 消光 系 数 ｋ ） 和厚 度是 决定 其性 质和控 制性 能 的基本参 数 。
或 极小值 。利 用薄 膜 的透射 或反 射率 曲线上 的 ２ 或 ２ 以上 的极值 点的位置 ， 个 个 即可计 算 出薄
膜 的厚 度和光学常数 。 该方法计算 简单 ， 是薄 但
精度 机械触 针在 物体 表面 上进 行运 动来感 知表
面轮廓 的变 化 。台阶 仪就 是这 种方 法 的应 用实 例。 作为 一种基 于机械运 动的探针测量设 备，台 阶仪 的精 度受 到许 多 因素 的限制 ，而 且其 在测 量薄膜厚度 时， 需要露 出薄 膜基底作 为阶梯 。 因 此， 往往 需要对薄膜进行 二次加工 。 在测量 时，
膜厚仪作业指导书
膜厚仪作业指导书标题：膜厚仪作业指导书引言概述：膜厚仪是一种用于测量薄膜厚度的仪器，广泛应用于材料科学、化学工程等领域。
正确的操作方法对于获得准确的测量结果至关重要。
本文将详细介绍膜厚仪的操作指导，以帮助用户正确操作膜厚仪，获得准确可靠的测量结果。
一、准备工作1.1 确保膜厚仪处于稳定状态：在进行测量之前，应确保膜厚仪已经处于稳定状态，温度和湿度适宜。
1.2 校准仪器：在每次使用前，应对膜厚仪进行校准，确保测量结果准确可靠。
1.3 准备样品：准备待测样品，并确保其表面平整干净，避免影响测量结果。
二、操作步骤2.1 打开膜厚仪电源：按照膜厚仪的操作手册，打开电源并等待仪器启动完成。
2.2 设置测量参数：根据待测样品的特性，设置合适的测量参数，如波长、扫描速度等。
2.3 放置样品并开始测量：将样品放置在膜厚仪的测量台上，并开始测量。
三、测量结果分析3.1 数据处理：测量完成后，将测量数据导入计算机进行处理，生成膜厚度的曲线图和数据表。
3.2 结果分析：根据曲线图和数据表分析膜厚度的分布情况，评估样品的质量和性能。
3.3 结果验证：对测量结果进行验证，确保测量结果准确可靠。
四、维护保养4.1 清洁保养：定期清洁膜厚仪的外部和内部部件，保持仪器的清洁和良好状态。
4.2 定期维护：定期对膜厚仪进行维护保养，如更换灯泡、校准仪器等。
4.3 存放保管：在不使用膜厚仪时，应将其存放在干燥通风的环境中，避免受潮和受损。
五、注意事项5.1 避免碰撞：在使用过程中，避免碰撞膜厚仪，以免损坏仪器。
5.2 注意安全：在操作膜厚仪时，注意安全，避免发生意外事故。
5.3 定期检查：定期对膜厚仪进行检查，确保仪器的正常运行。
结论：膜厚仪作为一种用于测量薄膜厚度的重要仪器，在正确操作和维护的前提下，能够为科研和生产提供准确可靠的测量数据。
希望本文的操作指导能够帮助用户正确操作膜厚仪，获得准确的测量结果。
膜厚仪作业指导书
膜厚仪作业指导书引言概述：膜厚仪是一种用于测量材料表面薄膜厚度的仪器。
它在材料科学、化学工程、电子工程等领域中被广泛应用。
本文将详细介绍膜厚仪的使用方法和操作技巧，以帮助用户正确操作膜厚仪，获得准确的薄膜厚度测量结果。
一、准备工作1.1 确定测量目标：在使用膜厚仪之前，首先要明确测量的目标是什么。
确定要测量的薄膜材料种类、尺寸和位置等信息，以便正确设置仪器参数。
1.2 仪器校准：在进行测量之前，务必进行仪器的校准。
校准过程可以根据仪器的使用说明书进行，确保仪器的准确性和稳定性。
1.3 样品准备：将待测的薄膜样品准备好，确保其表面干净无杂质。
可以使用适当的清洁剂和纯净水进行清洗，并在测量前确保样品表面干燥。
二、仪器操作2.1 打开仪器：按照膜厚仪的使用说明书，正确打开仪器电源。
在仪器启动后，等待一段时间，使其稳定工作。
2.2 设置参数：根据测量目标，设置仪器的参数。
包括膜厚范围、测量模式、测量角度等。
确保参数的设置符合待测样品的特性。
2.3 放置样品：将样品放置在膜厚仪的测量台上。
确保样品与测量台接触良好，避免产生误差。
根据需要，可以使用夹具或胶片固定样品。
三、测量操作3.1 开始测量：按下仪器上的测量按钮，开始薄膜厚度的测量。
在测量过程中，保持仪器的稳定，避免外部干扰。
3.2 多次测量：为了提高测量结果的准确性，可以进行多次测量。
根据需要，可以选择自动测量模式或手动测量模式。
手动测量时，需要在每次测量前重新放置样品。
3.3 记录结果：测量完成后，将测量结果记录下来。
包括薄膜厚度的数值和单位，以及测量的时间和日期等信息。
可以使用电子表格或纸质记录表进行记录。
四、数据处理4.1 数据分析：根据测量结果，进行数据分析。
可以使用统计方法计算平均值、标准差等统计量，以评估测量结果的可靠性。
4.2 结果比较：将测量结果与预期值进行比较。
如果结果与预期值有较大偏差，需要检查仪器的操作和样品的准备是否存在问题。
真空镀膜实验报告
真空镀膜实验报告学生姓名：武晓忠学号：201211141046 指导老师：王海波【摘要】本实验意在通过利用DM-450型真空镀膜机镀膜，采用λ/4法进行控制，熟悉抽真空以及镀膜机使用的方法。
并通过TU1221真空双光束紫外和可见光分光光度计测量T-λ曲线，测量介质干涉滤光片的三个重要参数λ0，T max，△λ/λ0【关键词】抽真空干涉滤光片透过率【引言】自然界中许多美丽的景物，如蝴蝶翅膀，孔雀羽毛以及肥皂泡等，它们的的观赏效果都与透明层反射的广播的干涉有关。
从而发现薄膜的干涉现色彩现象起，特别是1930年真空蒸发设备的出现后，人们对薄膜科学技术进行了大量的研究。
在光学薄膜技术中，多层多周期的光学薄膜最为突出，而窄带干涉滤光片则是这一技术中最重要的应用之一，它是将宽带光谱变为窄带光谱的光学元件。
一种典型的干涉滤光片是在玻璃基片上镀制“银—介质—银”三层膜，前后两层银膜构成两个平行的高反射率版，介质莫层通常为冰晶石或氟化镁等，作为间隔曾。
这种干涉滤光片是在法布里-珀罗干涉仪基础上改进而成的，因为被称为法布里-珀罗干涉滤光片。
它在光学，光谱学，光通信，激光以及天文物理等许多科学领域得到了广泛的应用。
若n为间隔层介质折射率，d为该层集合厚度，则间隔层的光学厚度nd决定了滤光片的透射峰值波长λ0，nd=λ0m,nϵN（1）2其中m是整数。
银层反射率的主要作用决定了法布里-珀罗干涉腔的惊喜常熟，从而对滤光片的峰值透射率T M和半宽度∆λ产生影响。
由滤光片特性曲线图2.可见T M一半处对应的波长为λ1和λ2，相应的透过率的宽度为∆λ=λ2−λ1，这就是滤光片的性能的一个重要参数，称为半高宽。
因银层具有很强的吸收，用银作反射的层的“金属-介质”干涉滤光片的透射率很难高于40%。
而用多层透明介质膜过程的高反射率膜板代替银层构成的干涉滤光片弥补这一缺点，课使峰值透射率高达80%以上。
这就是全介质型干涉滤光片。
图1. 法布里-珀罗干涉滤光片结构示意图二、实验原理1、反射膜1）光线在单一分界面上的反射光线垂直入射到透明介质界面时，反射系数r和反射率R分别为r=n i−n tn i+n t（2）R=r2=(n i−n tn i+n t )2（3）其中n i, n t分别是两种介质的折射率。
真空镀铝薄膜概述及工艺讲解
真空镀铝薄膜概述及工艺讲解真空镀铝薄膜概述及工艺一、概述真空蒸镀金属薄膜是在高真空（10－4mba以上）条件下，以电阻、高频或电子束加热使金属熔融气化，在薄膜基材的表面附着而形成复合薄膜的一种工艺。
被镀金属材料可以是金、银、铜、锌、铬、铝等，其中用的最多的是铝。
在塑料薄膜或纸张表面镀上一层极薄的金属铝即成为镀铝薄膜或镀铝纸。
用于包装上的真空镀铝薄膜具有以下特点：（1）和铝箔相比大大减少了铝的用量，节省了能源和材料，降低了成本。
复合用铝箔厚度多为7～9um，而镀铝薄膜的铝层厚度约为400?（0.04um）左右，其耗铝量约为铝箔的1/200，且生产速度可高达700m／min。
（2）具有优良的耐折性和良好的韧性，很少出现针孔和裂口，无揉曲龟裂现象，对气体、水蒸汽、气味、光线等的阻隔性提高。
（3）具有极佳的金属光泽，光反射率可达97％；且可以通过涂料处理形成彩色膜，其装潢效果是铝箔所不及的。
（4）可采用屏蔽或洗脱进行部分镀铝，以获得任意图案或透明窗口，能看到包装的内容物。
（5）镀铝层导电性能好，能消除静电效应，尤其包装粉末状产品时，不会污染封口部分，保证了包装的密封性能。
（6）对印刷、复合等后加工具有良好的适应性。
由于以上特点，使镀铝薄膜成为一种性能优良、经济美观的新型复合薄膜，在许多方面已取代了铝箔复合材料。
主要用于风味食品、日用品、农产品、药品、化妆品以及香烟的包装。
黄山永新股份有限公司生产真空镀铝薄膜已有10多年的历史，主要产品有VMPET、VMCPP、VMBOPP、VMBOPA、VMPE、VMPVC以及彩虹膜、激光防伪膜、网布等。
2002年公司与英国REXAM公司进行技术合作，将其CAMPLUS技术运用在镀铝工艺中，大幅度提高了真空镀铝薄膜的铝层牢度、阻隔性能，现已大量替代铝箔应用在奶粉、药品等包装领域。
二、真空蒸镀原理将卷筒状的待镀薄膜基材装在真空蒸镀机的放卷站上，将薄膜穿过冷却辊（蒸镀辊）卷绕在收卷站上，用真空泵抽真空，使蒸镀室中的真空度达到4×10－4mba以上，加热蒸发舟使高纯度的铝丝在1300℃～1400℃的温度下融化并蒸发成气态铝。
真空镀膜技术
（4）铬 Cr Cr膜在可见区具有很好的中性，膜层非常牢固，常用作中性衰
减膜。
2、介质薄膜
对材料的基本要求：透明度、折射率、机械牢固度和化学稳 定性以及抗高能辐射。
（1）透明度
短波吸收或本征吸收I：主 要是由光子作用使电子由 价带跃迁到导带引起的；
（2）折射率
薄膜的折射率主要依赖： 材料种类：材料的折射率是由它的价电子在电场作用下的性质决定。材
料外层价电子很容易极化，其折射率一定很高；对化合物，电子键结合的化 合物要比离子键的折射率高。折射率大致次序递增：卤化物、氧化物、硫化 物和半导体材料。
波长：折射率随波长变化为色散。正常色散为随波长增加而减小。正常色 散位于透明区，反常色散位于吸收区。
电子枪对薄膜性能的影响 1、对膜层的影响： （1）蒸气分子的动能较大，膜层较热蒸发的更致密牢固； （2）二次电子的影响：使膜层结构粗糙，散射增加； 2、对光谱性能的影响
电子枪对光谱的影响主要是焦斑的形状、位臵、大小在成膜的影响。 特别是高精度的膜系，和大规模生产的成品率要求电子枪的焦斑要稳定。
薄膜厚度的测量
u
m
几种常用真空泵的工作压强范围
旋片机械泵 105 102 pa
吸附泵 105 102 pa
扩散泵 100 105 pa
涡轮分子泵 101 108 pa
溅射离子泵 100 1010 pa
低温泵 101 1011 pa
几种常用真空泵的工作原理
1. 旋片机械泵
工作过程是： 吸 气—压缩—排气。
定子浸在油中起润 滑，密封和堵塞缝 隙的作用。
（3）机械牢固度和化学稳定性
薄膜天线结构在真空中的模态测试方法
第41卷第2期2021年4月振动、测试与诊断Vol.41No.2Apr.2021 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis薄膜天线结构在真空中的模态测试方法∗罗婕，邱慧，从强，许哲，尚爱华（北京空间飞行器总体设计部北京，100094）摘要由于薄膜结构为轻质柔性结构，空气对其模态分析结果具有不可忽略的影响，因此在真空环境中开展模态试验是十分必要的。
以平面薄膜天线结构为研究对象，设计并搭建了一套适用于真空环境下的模态测试系统，完成了多种工况下的模态测试，并获得了有效测试数据。
通过对数据进行处理和对比分析，不仅验证了该测试系统的有效性和可行性，而且还获得了空气对模态测试结果产生的具体影响，得到了有用结论。
该试验研究内容为薄膜天线的模态特性研究和设计改进奠定了坚实的技术基础，具有十分重要的工程意义。
关键词薄膜天线结构；真空环境；模态测试；电磁铁激励器；表面张紧力中图分类号V414；TU399；TH751引言随着深空探测、载人航天、天基观测等一系列重大航天工程的实施，迫切需要研发大型天线结构以满足未来大功率、高精度卫星通信的需求。
传统的空间大型可展开结构多采用较为成熟的桁架式结构形式，随着结构尺寸的增大，因其包含大量的关节铰链，导致系统质量过大，从而无法满足未来大型空间天线结构的应用需求。
空间薄膜结构是近年来国际上出现的一种新型可展开结构，它是由具有高综合性能的有机高分子化合物材料制成的大型轻量化结构，在深空探测中可用于构建大型薄膜天线、太阳帆、遮光罩、太阳能集中器、充气防护盾及返回减速器等新概念飞行器。
与桁架式可展开结构相比，薄膜结构具有明显的低质量、大面积、高折展比等优势，可实现在航天器上安装更大尺寸的可展开结构，在未来空间探测中具有很好的应用前景［1‑6］。
薄膜由于不具有抗弯刚度，因此需要外框架提供张紧作用，使薄膜产生一定的张紧力从而能承受一定的外荷载作用，同时薄膜的厚度一般较小，因此薄膜结构具有轻质、超低频率、密集模态、局部模态、几何大变形、高柔性、低密度、强非线性以及承载能力随张紧力改变等一系列特点，其模态特性直接决定或很大程度上影响着结构的型面精度保持以及振动控制等方面，因此通过开展地面试验来对薄膜结构进行正确的模态分析是至关重要的［7‑10］。
真空技术-薄膜厚度的测量
台阶仪
差动变压器式光洁度计的触针部分
台阶仪（金属触针、位移传感 器、放大器)、电脑
位移传感器：阻抗变化式，差动变压 式，压电放大式等
台阶仪测量原理
• 形状薄膜测厚法 • 台阶法（触针法）：这是将表面光洁度测量移用与薄膜厚度测量的一 种方法。 • 测量具体过程：金刚石触针——表面上移动——触针跳跃运动——高 度的变化由位移传感器转变成电信号——直接进行读数或由记录仪画 出表面轮廓曲线。 • 膜厚测量时，需薄膜样品上薄膜的相邻部位完全无膜，形成台阶(两种 方法：遮盖、腐蚀)。当触针横扫过该台阶时，就能通过位移传感器显 示出这两部分之间的高度差，从而得到形状薄膜值dT。
微量天平法扭秤法光电极值法变厚极值法变角极值法变波长极值法红外干涉法扫描电子显微镜俄歇电子谱法线电阻法面电阻法电容法电感法辨色法比色法斜阶条纹法弯度法条纹对正法等色级条纹法钠光内标法目视弯度法测微目镜法光电狭缝法摄影测量法偏光干涉法二次曝光法实时法基片波前存储法膜厚定义台阶仪石英晶振椭偏仪这三种测量方法测得的薄膜厚度分别属于形状膜厚d基片表面为s薄膜的不在基片那一侧表面的平均表面称为薄膜的形状表面s
金刚石触针 r=0.1-10μm m=1-30 mg
薄膜
基体
优缺点
优点
• 迅速测定薄膜的厚度及其分布 • 可靠直观 • 具有相当的精度
缺点
• 不能记录表面上比探针直径小 的窄裂缝、凹陷 • 由于触针的尖端直径很小，易 将薄膜划伤、损坏
因此这种方法对具有较高硬度的薄膜(SiO2、TiN等）适用。
面对柔软薄膜则必须采用较轻质量、较大直径的触针，才能不使薄
下面就来看看按这三种方法分类的 膜厚测量方法有哪些：
mks薄膜真空计测量原理
mks薄膜真空计测量原理
MKS薄膜真空计的测量原理是基于电容传感器的原理。
当薄膜受到压力作用时，薄膜会发生形变，从而改变膜片之间的距离，进而引起电容的变化。
这个电容变化会进一步被转换成电信号的变化，最终输出为压力值。
具体来说，当薄膜受到压力作用时，膜片会发生形变，从而改变膜片之间的距离，引起电容的变化。
这个电容变化会被检测并转化为相应的电信号。
随后，电信号会被进一步处理并转换为压力值。
因此，MKS薄膜真空计可以直接测量真空压力的变化值，并且只与压力有关，与气体成分无关。
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• 交流电桥法 电感法
法
• 晶体振荡法—石英振频法
• 电子射线法
扫描电子显微镜 俄歇电子谱法
• 光电极值法
变厚极值法 变角极值法
变波长极值法—红外干涉法
• 干涉法
辨色法-比色法
斜阶条纹法 目视弯度法
弯度法
测微目镜法 光电狭缝法
摄影测量法
光
条纹对正法 等色级条纹法 钠光内标法
学
法
• 偏光法
偏光干涉法 偏光椭度法—椭偏仪
p波和s波振幅比
Rp （ （AApp） ）反 入
Rs （ （AAss） ）反 入
因为Rp和Rs一般为复式，所以写成
（Ap）反
Rp Rs
Rp eip Rs eis
（ （AAps） ）反 入
（As）入
定义：
tg
Ap As 反
Ap As 入
e i ( p )反 ( p )入 (s )反 (s )入
• 测量灵敏度高，可达10*10-9 g.cm-2.Hz-1.对应一般材料膜厚控制精度可 达10-2 nm量级。
• 石英晶振使用寿命
椭偏仪
椭圆偏振法：利用偏振光照射在各向 同性均质薄膜上（光学平面的基片上 的无吸收或有吸收的薄膜），在根据 测量其反射光的偏振状态来确定薄膜 厚度及各种光学参数。
这种方法已成功应用于测量介质膜、 金属膜、有机膜、和半导体膜的厚度、 折射率、消光系数和色散等
以无吸收薄膜为例，看看椭偏仪的测量膜厚的基本原理
基本原理
• 空气 n0 0
• 薄膜 n
• 基片 n’ '
• dp为膜厚
波长λ光入射（空气薄膜界面）——反射、折射——进入 薄膜的光多次反射、折射（薄膜空气、薄膜基片界面）— —总反射光由多光束光合成。
把光的电矢量和磁矢量分为平行于入射面的光波P分量，和垂直于入射面
• 设定n0、n’和入射角以及波长λ后，借助于 电子计算机编制各种（n、δ）或（n、dp） 和（ Ψ、∆ ）的关系表，或绘制关系曲线。
• 于是，只要通过薄膜样品的（ Ψ、∆ ）值的测量，即可查图、表或在 用插值法计算出相应的n、 δ或dp值。
如何测量（ Ψ、∆ ）
• 测量方法有两种：
消光型：主要操作步骤为寻求输出最 小光强位置；简单、精度高、慢
Rps exp i ps
rps 1
rps ' rps rps '
exp(2i) exp(2i)
p s ( p s )反 ( p s )入
Rp Rs
tg
ei
rps 1
rps' rps rps (n0 , n, n',0 , , d p )
椭圆偏振方程
为了便于测量和简化计算，在实验测量时常使入射的椭圆偏振光的主轴
成45°倾斜（从入射面算起）；使反射光成为直线偏振光，于是有：
Ap 1 As 入
和
( p s )反 0或
于是， tg Ap
As 反
Ap
tg-1 Ap
As 入
As 反
p s ( p s )反 ( p s )入
可见，
df 2t 2 dt
即：
df 2 f 2 dm
q S
负号表示晶体上沉积的薄膜厚度使质量增加，相应的晶体谐振频率下降
如果沉积在石英晶体上的薄膜厚度是均匀的，则薄膜的质量厚度dM应 满足：
dm S dM
代人式df 2 f 2 dm
q S
得：dM
q 2
df f2
晶振频率变化和薄膜厚度的关系
薄膜厚度的测量
什么是薄膜 膜厚测量方法的分类
机械法——台阶仪 电学法——晶振 光学法——椭偏仪
课堂小结
主讲人：黄俊华 导 师：宋群梁 教授
什么是薄膜
薄膜是不同于其他物态（固液气、等离子体）的一种新的凝聚态，物 质的第五态。薄膜就是薄层材料，分为气体薄膜，液体薄膜还有我们 今天要讲到的固体薄膜（薄膜单体和附着在某种基体上的另一种材料 的固体薄膜） 各种介质，半导体和金属薄膜，在半导体工业，光学工业，其他机械 工业以及很多科研项目中，日益广泛的被应用。
• （S,ST）组合距离为dT；（S,SM）组合距离为dM；（S,Sp）组合dp；通 常dT>=dM>=dP
• 下面，我们就重点来看看这三种测量仪器是如何实现膜厚测量的。
台阶仪
差动变压器式光洁度计的触针部分
台阶仪（金属触针、位移传感 器、放大器)、电脑
位移传感器：阻抗变化式，差动变压 式，压电放大式等
使用注意事项
石英晶体振荡片在使用时一般在其两个表面镀有金膜，作为引出电极， 并被装在一个称为探头装置中（如图）。使用该装置测量膜厚时，通常 要注意冷却（dfT=KT*fdT）和除噪音两个问题。
真空蒸发镀膜时 蒸发源辐射放热 蒸汽流在晶体上凝聚成膜时释放出热量
解决方法：探头通冷却水，冷却晶振片
溅射镀膜时 电噪声 带电粒子轰击等原因使温度上升
薄膜的“尺寸效应”的关系，薄膜厚度的不同，薄膜电阻率、霍尔系 数、光反射率等等性质都会有所不同。
因此，为了更好的研究物质结构及性能，这就希望对各种膜厚的测量 和控制提供更为灵敏和准确的手段。
膜厚测量方法分类
对于各种膜厚的测量，可采用各种 方式方法，按照测量手段分为如机 械的、电学的、光学的方法，其中 以光学方法应用最为普遍。
光度型：主要测定、分析输出光在各 个偏振方位上的强度变化。快、 自动化、弱光工作、精度低
经典消光型椭圆偏振仪原理：
偏光分光计各元件的偏振状态
波长为λ的自然光——准直——起偏镜（起偏器、1/4波片）成椭圆偏振 光——薄膜补偿，偏振状态发生变化——交替转变起偏器和检偏器，使 反射光称为线偏振——检偏器消光
（2）较厚薄膜，对于最大允许频移dfmax=0.5%*f，相对应的单位面积上 最大允许的能测质量变化值（dm/S）max随频率增加而反比减小，即基频 越高，相应的dm/S越小。（计算）
Conclusion：因为晶振片厚度，影响到晶片的基频、质量灵敏度、最大允许频 移等等参数。根据测量要求，我们需选择合适厚度的晶振片，以达到测量目的。
( p s )入 180 ( p s
)入
当( p s )反 0 当( p s )反
Ψ只与反射光的振幅比有关，可从检偏器方位角算出；
∆只与入射光的p波和s波的位相差有关。 只要找到这两个值，就可以换算出膜厚
补充说明，对于吸收薄膜， 因薄膜折射率为复数（n-ik），
未知数变成了三个（n、k、
台阶仪测量原理
• 形状薄膜测厚法
• 台阶法（触针法）：这是将表面光洁度测量移用与薄膜厚度测量的一 种方法。
• 测量具体过程：金刚石触针——表面上移动——触针跳跃运动——高 度的变化由位移传感器转变成电信号——直接进行读数或由记录仪画 出表面轮廓曲线。
• 膜厚测量时，需薄膜样品上薄膜的相邻部位完全无膜，形成台阶(两种 方法：遮盖、腐蚀)。当触针横扫过该台阶时，就能通过位移传感器显 示出这两部分之间的高度差，从而得到形状薄膜值dT。
石英上沉积一层薄膜，质量为dm，密度为ρ，只要薄膜足够薄，则膜本
身的弹性尚未起作用，其总体性质仍接近于石英晶体本身的弹性，如果S
为晶体上薄膜覆盖面积，则石英晶体厚度增加量dt
S ρq
t
dt dm / q S ρ
dt
S为晶体上薄膜覆盖的面积 ρq为石英密度
因厚度变化dt引起的频率变化df为
f 2t
石英晶振片的选择
• 单晶石英晶体是两端为椎体的六面柱体。定义石英晶体的质量灵敏度 Cf为相应于谐振基频改变1Hz时单位面积上的质量变化的绝对值，即
Cf
dm 1 S df
dM C f
回顾：
f 2t
df 2 f 2 dm
q S
df
代人式
df 2 f 2 dm
q S
dM
解决方法：（1）探头放在放电空间之外，并且对探头和引线做良好的
电屏蔽，以减小电噪声；（2）在探头前面设置永久磁铁，产生强磁场， 使带电粒子在到达晶体表面之前就偏转方向。
优缺点
• 测量电路简单，能在薄膜沉积过程中连续测量厚度和沉积速率；
• 还可以通过适当的反馈电路和沉积源的电源相连接，实现沉积速率的 自动控制和用电控挡板配合实现薄膜的终点控制；
dp），所以需要多次测量。
课堂小节
• 测量膜厚方法是很多的，测量精度、范围、方便性、经济性、优缺点 是各不相同的。
• 测量方法主要分机械法（如台阶仪）、电学法（如 石英晶振）、光学 法（如椭偏仪），可以用来测量形状膜厚、质量膜厚、物性膜厚。其 中，台阶仪和椭偏仪测量的都是已蒸镀好的薄膜厚度，而石英晶振测 量的是正在蒸镀的薄膜，进行的实时监测。
晶振
• 石英晶体振荡法（QCO法）
测量原理：基于石英晶体的振荡频率随其质量而变化的特性。石英晶体 具有压电效应，利用该特性可制成高Q值的电子振荡器。 其谐振频率f与晶体厚度t关系
f 2t
υ 是在厚度t方向上波长为λ 的弹性横波的传播速度，υ =√Gq/ρq. Gq为石英晶体的切变模量； ρq 为石英晶体的密度，约2.65 g/cm3
• 全息法
二次曝光法 实时法—基片波前存储法
• X光法
膜厚定义
ST SM
Sp
S
• 台阶仪、石英晶振、椭偏仪这三种测量方法测得的薄膜厚度，分别属 于形状膜厚dT，质量膜厚dM，物性膜厚dP（P211）。
• 基片表面为S，薄膜的不在基片那一侧表面的平均表面称为薄膜的形 状表面，ST；将基片上构成薄膜的全部原子重新排列，使其密度与块 状材料完全一样，而且均匀的分布在基片表面上，把此时得到的表面 称为薄膜的质量表面，SM ；在测量了薄膜的物理特性后，把具有同样 物理性质而且宽度与长度与薄膜是一样的块状材料的表面称为薄膜物 性表面，SP 。