光譜學(xué)在薄膜制造中的應用

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薄膜被廣泛應用于各種行業(yè)，包括半導體、微電子、顯示技術(shù)，當然還有光學(xué)元件。雖然薄膜的最終應用多種多樣，但都要求在鍍膜過(guò)程中精確控制每一個(gè)膜層的厚度。

而這個(gè)工作非常具有挑戰性，因為這些膜層的厚度不盡相同，通常在 1 納米到 100 微米之間。精確測定薄膜厚度的方法之一就是使用光譜儀。對于這個(gè)范圍的膜層厚度來(lái)說(shuō)，目前通常有三種方法來(lái)量化表面厚度：輪廓測量法、橢圓光度法和光譜反射法（光譜法）。雖然包括原子力顯微鏡在內的輪廓測量法能夠達到亞納米分辨率，但這個(gè)技術(shù)測量時(shí)間長(cháng)，需要與被測物接觸，可能導致薄膜表面損壞。

另一方面，橢圓光度法和光譜反射法都是采用非接觸式光學(xué)技術(shù)，可以對樣品進(jìn)行大面積掃描，而且幾乎不需要樣品制備。橢偏儀是一種很有效的測量?jì)x器，但通常比光譜儀大且價(jià)格昂貴。這是因為它需要離軸測量和多重極化。而光譜反射法是一種與偏振無(wú)關(guān)的技術(shù)，它可以在正入射角度下完成，從而大大降低了系統的成本和復雜程度。

薄膜厚度對光譜反射的影響

當光從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)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)描述這種相互作用可能會(huì )相當繁瑣，但在垂直入射時(shí)，可以簡(jiǎn)化為僅與兩個(gè)介質(zhì)的折射率相關(guān)。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 n₂) 除以折射率之和的平方。這個(gè)簡(jiǎn)單的方程式與您在日常生活中看到的許多物理現象有關(guān)，如您在天黑時(shí)可以在透明的窗戶(hù)中看到自己。此外，許多現代光電子產(chǎn)品，如 LED 和激光二極管就是利用這種關(guān)系來(lái)提高性能并降低成本。

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公式一

在處理單層薄膜的反射光譜時(shí)，有兩個(gè)不同的界面會(huì )發(fā)生反射，第一個(gè)是空氣-薄膜界面，第二個(gè)是薄膜-基底界面。根據薄膜的厚度和折射率，從每個(gè)表面以特定波長(cháng)反射的光會(huì )具有相位差，從而產(chǎn)生相長(cháng)干涉或相消干涉。由于材料的折射率與波長(cháng)有關(guān)，這個(gè)相位差在寬帶光源的光譜范圍內會(huì )有所不同。

這種與波長(cháng)相關(guān)的干涉圖產(chǎn)生啁啾正弦波譜，薄膜越厚，啁啾頻率越高，如公式 2 所示。在該公式中，d 表示薄膜的厚度， n(l) 表示折射率作為波長(cháng)的函數， l 是波長(cháng)，而 I(l) 是強度作為波長(cháng)的函數。

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公式2

雖然公式 2 進(jìn)行了許多簡(jiǎn)化和假設，但它可以用來(lái)理解光譜是如何作為薄膜厚度的函數而變化的。圖 1 是MgF₂光譜的一個(gè)理想示例，它清楚地表明了啁啾光譜的頻率隨著(zhù)薄膜厚度的增加而變大。在實(shí)踐中，大多數絕緣材料在光通過(guò)時(shí)往往會(huì )吸收一些光，從數學(xué)上講，我們可以通過(guò)材料的復折射率來(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(xué)上是虛構的，但它又是一個(gè)真實(shí)的特性，在對一個(gè)薄膜厚度的反射光譜進(jìn)行準確建模時(shí)必須要把材料的吸收系數考慮進(jìn)去。

圖 1：MgF2薄膜的理論反射光譜（假設沒(méi)有吸收），厚度值分別為(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端和采集端都必須垂直于樣品表面，這與大多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FCR-7UV200-2-ME光纖反射探頭。對于紫外應用，可以使用Avalight-DH-S氘鹵鎢燈光源。注意一定要確保反射探頭要牢固固定，而且探頭和參考之間的距離必須要等于探頭和樣品間的距離。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(shí)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，然后在相同條件下測量鍍膜的基底，用AvaSoft 軟件（圖 3）就可以確定薄膜厚度。

為了實(shí)現準確的測量，必須將基底厚度和基底材料種類(lèi)以及薄膜的設計厚度和薄膜材料種類(lèi)輸入到軟件中。這些數據允許軟件訪(fǎng)問(wèn)其數據庫中的材料折射率和吸收系數，將測得的反射光譜與給定薄膜厚度的理論曲線(xiàn)相關(guān)聯(lián)。圖 3 顯示了使用 AvaSoft 軟件中的薄膜測量模塊，所得到的在 Si 基底上涂覆的 655 nm厚的 SiO2 薄膜的反射光譜。除了軟件內置的常用基底和薄膜材料庫外，用戶(hù)還可以對自己感興趣的每個(gè)波長(cháng)通過(guò)輸入一系列折射率( n ) 和吸收系數( n ) 來(lái)創(chuàng )建自己的“*.nk"文件。

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

總結

通過(guò)在薄膜測量過(guò)程中利用反射光譜，工程師現在能夠在制造過(guò)程的所有階段快速且經(jīng)濟高效地測試薄膜厚度。Avantes 公司可以提供多種系列的微型光譜儀、光源和探頭，與AvaSoft 薄膜測量軟件配合使用，可以對厚度從 10 nm 到 50 μm 的單層薄膜進(jìn)行測量，分辨率為1 nm。我們提供可選的薄膜標準樣品，這些標準樣品包括沒(méi)有鍍膜的基底和已知膜層厚度的鍍膜基底，用于確認和驗證鍍膜過(guò)程的可靠性和可重復性。

AvaSpec 光譜儀可以進(jìn)行高速觸發(fā)或連續測量，非常適合于薄膜測量。此外，上文中提到的那些光譜儀也可提供OEM 模塊，可集成到多通道可安裝型工業(yè)機箱中，非常適合薄膜過(guò)程監控系統。Avantes光譜儀中的AS-7010電路板包括USB、以太網(wǎng)和多功能I/O接口，可以極其方便地與其他設備進(jìn)行通信。此外，Avantes還提供DLL 開(kāi)發(fā)包，以及在Delphi、Visual Basic、C#、C++、LabView、MatLab等編程環(huán)境中的示例程序，使用戶(hù)自己可以開(kāi)發(fā)薄膜應用程序代碼。該軟件開(kāi)發(fā)工具包對于集成到自動(dòng)采樣系統或分析需要定制代碼的復雜多層薄膜特別有用。

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