光譜學在薄膜制(zhì)造中的應用

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薄膜被廣泛應用于各種行(xíng)業，包括半導體(tǐ)、微電(diàn)子、顯示技術，當然還(hái)有(yǒu)光學元件。雖然薄膜的最終應用多(duō)種多(duō)樣，但(dàn)都要求在鍍膜過程中精确控制(zhì)每一個(gè)膜層的厚度。

而這個(gè)工作(zuò)非常具有(yǒu)挑戰性，因為(wèi)這些(xiē)膜層的厚度不盡相同，通(tōng)常在 1 納米到 100 微米之間(jiān)。精确測定薄膜厚度的方法之一就是使用光譜儀。對于這個(gè)範圍的膜層厚度來(lái)說，目前通(tōng)常有(yǒu)三種方法來(lái)量化表面厚度：輪廓測量法、橢圓光度法和(hé)光譜反射法（光譜法）。雖然包括原子力顯微鏡在內(nèi)的輪廓測量法能夠達到亞納米分辨率，但(dàn)這個(gè)技術測量時(shí)間(jiān)長，需要與被測物接觸，可(kě)能導緻薄膜表面損壞。

另一方面，橢圓光度法和(hé)光譜反射法都是采用非接觸式光學技術，可(kě)以對樣品進行(xíng)大(dà)面積掃描，而且幾乎不需要樣品制(zhì)備。橢偏儀是一種很(hěn)有(yǒu)效的測量儀器(qì)，但(dàn)通(tōng)常比光譜儀大(dà)且價格昂貴。這是因為(wèi)它需要離軸測量和(hé)多(duō)重極化。而光譜反射法是一種與偏振無關的技術，它可(kě)以在正入射角度下完成，從而大(dà)大(dà)降低(dī)了系統的成本和(hé)複雜程度。

薄膜厚度對光譜反射的影(yǐng)響

當光從一種介質傳播到另一種介質時(shí)，一定比例的光會(huì)從該界面反射回來(lái)。雖然用公式來(lái)描述這種相互作(zuò)用可(kě)能會(huì)相當繁瑣，但(dàn)在垂直入射時(shí)，可(kě)以簡化為(wèi)僅與兩個(gè)介質的折射率相關。公式 1 顯示了對于非吸收性材料，反射率 ( R ) 等于折射率差值的平方（n₁ 和(hé) n₂) 除以折射率之和(hé)的平方。這個(gè)簡單的方程式與您在日常生(shēng)活中看到的許多(duō)物理(lǐ)現象有(yǒu)關，如您在天黑(hēi)時(shí)可(kě)以在透明(míng)的窗戶中看到自己。此外，許多(duō)現代光電(diàn)子産品，如 LED 和(hé)激光二極管就是利用這種關系來(lái)提高(gāo)性能并降低(dī)成本。

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公式一

在處理(lǐ)單層薄膜的反射光譜時(shí)，有(yǒu)兩個(gè)不同的界面會(huì)發生(shēng)反射，第一個(gè)是空(kōng)氣-薄膜界面，第二個(gè)是薄膜-基底界面。根據薄膜的厚度和(hé)折射率，從每個(gè)表面以特定波長反射的光會(huì)具有(yǒu)相位差，從而産生(shēng)相長幹涉或相消幹涉。由于材料的折射率與波長有(yǒu)關，這個(gè)相位差在寬帶光源的光譜範圍內(nèi)會(huì)有(yǒu)所不同。

這種與波長相關的幹涉圖産生(shēng)啁啾正弦波譜，薄膜越厚，啁啾頻率越高(gāo)，如公式 2 所示。在該公式中，d 表示薄膜的厚度， n(l) 表示折射率作(zuò)為(wèi)波長的函數， l 是波長，而 I(l) 是強度作(zuò)為(wèi)波長的函數。

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公式2

雖然公式 2 進行(xíng)了許多(duō)簡化和(hé)假設，但(dàn)它可(kě)以用來(lái)理(lǐ)解光譜是如何作(zuò)為(wèi)薄膜厚度的函數而變化的。圖 1 是MgF₂光譜的一個(gè)理(lǐ)想示例，它清楚地表明(míng)了啁啾光譜的頻率随着薄膜厚度的增加而變大(dà)。在實踐中，大(dà)多(duō)數絕緣材料在光通(tōng)過時(shí)往往會(huì)吸收一些(xiē)光，從數學上(shàng)講，我們可(kě)以通(tōng)過材料的複折射率來(lái)描述這種特性，其中 n 是折射率， k 是吸收系數。需要注意的是雖然吸收系數在數學上(shàng)是虛構的，但(dàn)它又是一個(gè)真實的特性，在對一個(gè)薄膜厚度的反射光譜進行(xíng)準确建模時(shí)必須要把材料的吸收系數考慮進去。

圖 1：MgF2薄膜的理(lǐ)論反射光譜（假設沒有(yǒu)吸收），厚度值分别為(wèi)(A) 100 nm (B) 200 nm (C) 400 nm (D) 600 nm。

典型的薄膜反射光譜測量系統

除了探頭角度外，薄膜反射光譜測量系統與傳統的反射測量系統非常相似。薄膜反射光譜測量系統的照明(míng)端和(hé)采集端都必須垂直于樣品表面，這與大(dà)多(duō)數反射率測量中使用的45度角形成對比。該裝置包括Avantes公司的 AvaSpec-Mini2048CL 或 AvaSpec-ULS2048CL-EVO光譜儀，Avalight-HAL-S-Mini鹵鎢燈光源和(hé)FCR-7UV200-2-ME光纖反射探頭。對于紫外應用，可(kě)以使用Avalight-DH-S氘鹵鎢燈光源。注意一定要确保反射探頭要牢固固定，而且探頭和(hé)參考之間(jiān)的距離必須要等于探頭和(hé)樣品間(jiān)的距離。圖 2 顯示了典型的測量裝置。

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圖 2：反射法測量薄膜厚度的典型實驗裝置

薄膜測量

薄膜測量要先對未鍍膜的參考基底采集參考光譜，然後在相同條件下測量鍍膜的基底，用AvaSoft 軟件（圖 3）就可(kě)以确定薄膜厚度。

為(wèi)了實現準确的測量，必須将基底厚度和(hé)基底材料種類以及薄膜的設計厚度和(hé)薄膜材料種類輸入到軟件中。這些(xiē)數據允許軟件訪問其數據庫中的材料折射率和(hé)吸收系數，将測得(de)的反射光譜與給定薄膜厚度的理(lǐ)論曲線相關聯。圖 3 顯示了使用 AvaSoft 軟件中的薄膜測量模塊，所得(de)到的在 Si 基底上(shàng)塗覆的 655 nm厚的 SiO2 薄膜的反射光譜。除了軟件內(nèi)置的常用基底和(hé)薄膜材料庫外，用戶還(hái)可(kě)以對自己感興趣的每個(gè)波長通(tōng)過輸入一系列折射率( n ) 和(hé)吸收系數( n ) 來(lái)創建自己的“*.nk"文件。

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圖 3：矽基底鍍SiO2膜層的反射光譜的屏幕截圖，顯示計算(suàn)出的薄膜厚度為(wèi) 655.3 nm

總結

通(tōng)過在薄膜測量過程中利用反射光譜，工程師(shī)現在能夠在制(zhì)造過程的所有(yǒu)階段快速且經濟高(gāo)效地測試薄膜厚度。Avantes 公司可(kě)以提供多(duō)種系列的微型光譜儀、光源和(hé)探頭，與AvaSoft 薄膜測量軟件配合使用，可(kě)以對厚度從 10 nm 到 50 μm 的單層薄膜進行(xíng)測量，分辨率為(wèi)1 nm。我們提供可(kě)選的薄膜标準樣品，這些(xiē)标準樣品包括沒有(yǒu)鍍膜的基底和(hé)已知膜層厚度的鍍膜基底，用于确認和(hé)驗證鍍膜過程的可(kě)靠性和(hé)可(kě)重複性。

AvaSpec 光譜儀可(kě)以進行(xíng)高(gāo)速觸發或連續測量，非常适合于薄膜測量。此外，上(shàng)文中提到的那(nà)些(xiē)光譜儀也可(kě)提供OEM 模塊，可(kě)集成到多(duō)通(tōng)道(dào)可(kě)安裝型工業機箱中，非常适合薄膜過程監控系統。Avantes光譜儀中的AS-7010電(diàn)路闆包括USB、以太網和(hé)多(duō)功能I/O接口，可(kě)以極其方便地與其他設備進行(xíng)通(tōng)信。此外，Avantes還(hái)提供DLL 開(kāi)發包，以及在Delphi、Visual Basic、C#、C++、LabView、MatLab等編程環境中的示例程序，使用戶自己可(kě)以開(kāi)發薄膜應用程序代碼。該軟件開(kāi)發工具包對于集成到自動采樣系統或分析需要定制(zhì)代碼的複雜多(duō)層薄膜特别有(yǒu)用。

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