3.3薄膜光学参数测试详解
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Schl. of Optoelectronic Inform. State Key Lab. of ETFID
“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.
薄膜光学参数的测量
从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数
其它的薄膜光学常数测试方法 薄膜波导法 光学薄膜厚度的测试
其中:多项式的系数是6个拟合的参量。
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2)Sellmeier方程
适用于透明材料和红外半导体材料,是Cauchy方程 的综合,原始的Sellmeier方程仅仅用于完全透明的材料 (k=0),但是有时也能用于吸收区域:
数。
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4)Forouhi-Bloomer色散关系
一般只用于模拟材料的间带光谱区域的色散,也能被用于次能带隙区域 以及常规的透明区域,且能处理一些带有弱吸收的薄膜的折射率色散。
此外,还可以利用下列公式从单面透射率极值Tm(即薄 膜透射率Tf对应于λ/4 奇数倍的极值)中直接求解折射率:
考虑薄膜材料的色散对反射率和透射率曲线的影响:
当薄膜有色散时,在光学厚度为λ/4 奇数倍的波长处
不再是极值;但是,光学厚度为λ/2 倍数的波长处仍然是 极值,而与没有色散时关系一样。 一般薄膜材料的折射率均有些色散,及存在色散关系。
同理,多项式的系数是6个拟合的参量。
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3)Lorentz经典共振模型
其中:λ0是共振的中心波长,A是振荡强度,g是阻尼因子。第一个方程 组中,等式右边代表无限能量(零波长)的介电函数,大多数情况下用 拟合参数ε∞ 来代替更加符合实际情况,代表远小于测量波长的介电函
趋向于选择5至7个λ/4 膜厚作为用光度法测量光学常数时的薄膜样品
标准厚度。
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“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.
考虑玻璃基板背表面的影响:
厚度: 几个毫米(mm) 处理思路:非相干表面——前后表面之间的光强是以 强度相加而不是矢量相加 具体方法: 空白基板(双面)透射率T0 有膜样品(双面)透射率T
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如果薄膜的厚度较厚 ,可以从两个相邻的极值波长中
进一步求得薄膜的几何厚度:
考虑到在较短的波段中有几个干涉极大、极小值。目前,国际上
Schl. of Optoelectronic Inform. State Key Lab. 国防重点实验室 “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.
一、从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数 透明薄膜的光学常数测试
弱吸收薄膜光学常数的确定
单层、多层光学薄膜的基本测试
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常用薄膜材料的“色散关系”
1)Cauchy方程
折射率和消光系数可以展开为波长的无穷级数,适
用于透明材料如:SiO2,Al2O3,Si3N4,BK7,玻璃等,折射率 的实部与消光系数可表示为:
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极小值,反之,如果nf > ns,则反射率R极大值。
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我们知道 ,极值反射率为:
上式中n0是空气的折射率。 从上式中解出nf就得到: 从样品光谱透射曲线上求出对应于λ/4的奇数 倍波长处的极值透射率T,然后用1-T=R换算至极 值反射率R。考虑基板背表面反射的影响,代入上 式,就可以求得薄膜的折射率。
3)薄膜在各波长处的消光系数为零。
R+T=1
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对于“理想”光学薄膜
在光学厚度为λ/2的整数倍处,透射率T和反射率R 等于光洁基板的值; 在光学厚度为λ/4的奇数倍处,反射率R正好是极值, 如果薄膜折射率nf小于基板折射率ns,反射率R将是
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1、透明薄膜的光学常数测试
“理想”透明薄膜的假设: 1)薄膜具有均匀的折射率;
2)不考虑薄膜的色散影响;
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薄膜光学参数的测量
从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数
其它的薄膜光学常数测试方法 薄膜波导法 光学薄膜厚度的测试
其中:多项式的系数是6个拟合的参量。
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2)Sellmeier方程
适用于透明材料和红外半导体材料,是Cauchy方程 的综合,原始的Sellmeier方程仅仅用于完全透明的材料 (k=0),但是有时也能用于吸收区域:
数。
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4)Forouhi-Bloomer色散关系
一般只用于模拟材料的间带光谱区域的色散,也能被用于次能带隙区域 以及常规的透明区域,且能处理一些带有弱吸收的薄膜的折射率色散。
此外,还可以利用下列公式从单面透射率极值Tm(即薄 膜透射率Tf对应于λ/4 奇数倍的极值)中直接求解折射率:
考虑薄膜材料的色散对反射率和透射率曲线的影响:
当薄膜有色散时,在光学厚度为λ/4 奇数倍的波长处
不再是极值;但是,光学厚度为λ/2 倍数的波长处仍然是 极值,而与没有色散时关系一样。 一般薄膜材料的折射率均有些色散,及存在色散关系。
同理,多项式的系数是6个拟合的参量。
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3)Lorentz经典共振模型
其中:λ0是共振的中心波长,A是振荡强度,g是阻尼因子。第一个方程 组中,等式右边代表无限能量(零波长)的介电函数,大多数情况下用 拟合参数ε∞ 来代替更加符合实际情况,代表远小于测量波长的介电函
趋向于选择5至7个λ/4 膜厚作为用光度法测量光学常数时的薄膜样品
标准厚度。
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考虑玻璃基板背表面的影响:
厚度: 几个毫米(mm) 处理思路:非相干表面——前后表面之间的光强是以 强度相加而不是矢量相加 具体方法: 空白基板(双面)透射率T0 有膜样品(双面)透射率T
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如果薄膜的厚度较厚 ,可以从两个相邻的极值波长中
进一步求得薄膜的几何厚度:
考虑到在较短的波段中有几个干涉极大、极小值。目前,国际上
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一、从透射、反射光谱确定薄膜的光学常数 透明薄膜的光学常数测试
弱吸收薄膜光学常数的确定
单层、多层光学薄膜的基本测试
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常用薄膜材料的“色散关系”
1)Cauchy方程
折射率和消光系数可以展开为波长的无穷级数,适
用于透明材料如:SiO2,Al2O3,Si3N4,BK7,玻璃等,折射率 的实部与消光系数可表示为:
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“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.
极小值,反之,如果nf > ns,则反射率R极大值。
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我们知道 ,极值反射率为:
上式中n0是空气的折射率。 从上式中解出nf就得到: 从样品光谱透射曲线上求出对应于λ/4的奇数 倍波长处的极值透射率T,然后用1-T=R换算至极 值反射率R。考虑基板背表面反射的影响,代入上 式,就可以求得薄膜的折射率。
3)薄膜在各波长处的消光系数为零。
R+T=1
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对于“理想”光学薄膜
在光学厚度为λ/2的整数倍处,透射率T和反射率R 等于光洁基板的值; 在光学厚度为λ/4的奇数倍处,反射率R正好是极值, 如果薄膜折射率nf小于基板折射率ns,反射率R将是
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1、透明薄膜的光学常数测试
“理想”透明薄膜的假设: 1)薄膜具有均匀的折射率;
2)不考虑薄膜的色散影响;