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薄膜生长的宽光谱监控技术及其应用研究

蔡清元  
【摘要】:高性能的光学薄膜器件的制备需要有先进的薄膜制备技术、监控技术及检测技术作支撑。作为一种非常重要的薄膜生长监控技术,光学监控技术正从单波长监控方式向多波长和宽光谱监控方式发展。以提高薄膜生长监控精度及薄膜生长工艺为目标,本论文针对宽光谱监控技术进行了研究,同时也研究了生长速率、薄膜厚度、温度等参数对薄膜的光学常数的影响。主要内容包括: 1、研制了用于电子束蒸发薄膜生长设备的一套宽光谱监控系统,解决了系统研制过程中的各种软硬件问题。对传统的宽光谱监控数据处理方法进行了改进,大大减少了计算量。提出软硬两种处理方法去除衬底干涉噪声,并分别采用K9玻璃衬底和双面抛光硅片衬底制备了窄带滤波片,均实现了良好的带通特性。利用宽光谱监控系统的在位误差补偿功能,所制备的薄膜的最终光谱与理论模拟光谱符合得很好,验证了所研发的红外宽光谱监控系统具有满意的监控效果。 2、研究了SiO2薄膜光学常数随生长厚度变化的趋势,及这种趋势与生长速率的关系。利用电子束蒸发方法在硅片衬底上制备系列SiO2薄膜样品,厚度范围为~1m到600nm。采用变角度椭圆偏振光谱仪对薄膜样品进行测量,每个样品获得200多组椭偏参数。选用适当的模型进行拟合得到了SiO2薄膜的折射率色散关系及厚度值。实验结果表明快速生长和慢速生长的SiO2超薄膜的折射率随厚度变化趋势不同,慢速生长的薄膜更容易形成致密膜层。 3、基于单振子的洛伦兹色散模型,分析了材料的光学常数随温度变化的关系。采用自制的温度可变的椭偏测量样品室对样品进行变温,从而实现了在不同温度下对样品进行椭偏参数的测量,并进一步获得不同温度条件下样品光学常数的色散曲线。作为例子,对硅片和金膜进行了变温椭偏测量。测量结果显示,材料光学常数随温度发生了变化,能隙左右的光学常数随温度变化的趋势不同,与包含温度因素的洛伦兹色散模型的理论分析相符合。实验表明,变温椭偏适合用于确定一些固体材料(例如半导体)的能隙位置。


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