納米尺度薄膜的制備及其光學(xué)性質(zhì)的橢偏研究.pdf

1、科學(xué)史上，測量技術(shù)的每次進步，都能夠推動科學(xué)的發(fā)展。所以從某種意義上來說，科學(xué)領(lǐng)域的進展都可以歸功于各種用于科學(xué)研究的測量手段。在過去五十年中，人們發(fā)明了許多新的表征技術(shù)，比如掃描隧道顯微鏡，就帶來了表面科學(xué)的一場革命并大大推動了表面科學(xué)的快速發(fā)展。
　　 然而，作為研究表面科學(xué)的重要技術(shù)，橢圓偏振測量術(shù)雖然在100多年前就已經(jīng)問世，但是一直被視為“沒有應(yīng)用價值的技術(shù)”。直到二十世紀九十年代，隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，橢圓偏

2、振測量術(shù)的境況發(fā)生了翻天覆地的變化。由于計算機技術(shù)的發(fā)展與成熟，實現(xiàn)了橢圓偏振測量術(shù)的自動化測量與測量數(shù)據(jù)的自動化分析，也因此帶動了九十年代中期光譜式橢圓偏振測量術(shù)的商用化進程?，F(xiàn)在，橢圓偏振測量術(shù)已經(jīng)成為了一種被廣泛應(yīng)用的技術(shù)，并且被用在了從半導(dǎo)體到生物學(xué)等多種領(lǐng)域。近年來，光譜式橢圓偏振測量術(shù)實現(xiàn)了對薄膜生長過程的實時表征，并且將應(yīng)用領(lǐng)域拓寬到了各向異性的光學(xué)材料。可以說光譜式橢圓偏振測量術(shù)已經(jīng)確立了其高精度光學(xué)表征技術(shù)的地位并且被

3、越來越多的學(xué)校、單位和公司使用，為基礎(chǔ)研究、能源產(chǎn)業(yè)、醫(yī)學(xué)生物學(xué)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)手段，大大促進了科學(xué)技術(shù)的進步。橢圓偏振測量術(shù)的原理常常被認為是困難的，部分是因為人們對橢圓偏振測量術(shù)中作為探測光的偏振光的知識了解有限，另一部分原因是橢圓偏振測量并非直接測量，而需要一個相對獨特的數(shù)據(jù)分析過程。
　　 隨著微電子、集成光學(xué)、自旋電子器件等領(lǐng)域的發(fā)展，薄膜在人們生活中扮演的地位越來越重要。不論是半導(dǎo)體薄膜、光學(xué)薄膜、磁性薄膜、鐵

4、電薄膜還是超導(dǎo)薄膜等，都是各個領(lǐng)域不可缺少的重要組成部分。在集成電路領(lǐng)域，作為硅基片上的絕緣層和保護層，二氧化硅薄鈍化膜的制備與性質(zhì)研究對其實際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。對于新興的拓撲絕緣體材料，其超薄膜的光學(xué)性質(zhì)作為其特性的重要組成部分，也值得人們深入研究。超薄鋁膜作為一種重要的鍍膜材料，在光學(xué)鍍膜和平板顯示等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，其光學(xué)性質(zhì)更是其在光學(xué)鍍膜和平板顯示中應(yīng)用的基礎(chǔ)。超薄鐵膜是巨磁阻效應(yīng)的必備材料，而巨磁阻效應(yīng)又是自旋

5、電子器件研究中重要的一部分，因此，超薄鐵膜的光學(xué)性質(zhì)便成了值得人們研究的課題。鐵氧化物的光學(xué)性質(zhì)，在磁學(xué)與磁光存儲中的地位非比尋常。因此，我們可以看出，薄膜的光學(xué)性質(zhì)的研究，在很多領(lǐng)域中都有非常重要的意義。而對于薄膜的研究，必然就會涉及到其厚度或者是光學(xué)性質(zhì)的研究。此時，光譜式橢圓偏振測量術(shù)由于其極高的測量精度、便捷的測量方式和對樣品無破壞的特點，在薄膜的研究領(lǐng)域具有不可替代的重要作用，也一直是表征薄膜厚度和光學(xué)性質(zhì)的重要手段。近年來，

6、隨著工業(yè)技術(shù)和加工水平的進步，人們逐漸意識到與塊體材料性質(zhì)迥異的超薄膜對于科學(xué)技術(shù)和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要性，對于厚度僅為幾十納米甚至幾納米的超薄薄膜的應(yīng)用和需求也越來越大。因此，對于超薄膜的研究就被推到了一個越來越重要的位置。然而光譜式橢圓偏振測量術(shù)在超薄膜的研究中卻遇到了困難。當(dāng)超薄膜的厚度減小到一定程度時，我們發(fā)現(xiàn)橢偏技術(shù)測量得到的橢偏數(shù)據(jù)對于超薄膜的光學(xué)常數(shù)不再敏感。這也就意味著通過傳統(tǒng)的橢偏測量來研究超薄膜，就會遇到難以準確測量超薄膜

7、厚度和光學(xué)常數(shù)的困難。
　　 本課題組基于光譜式橢圓偏振測量技術(shù)和薄膜制備技術(shù)，對納米尺度的部分金屬、非金屬和半導(dǎo)體薄膜進行了研究。探索了PECVD法制備集成電路領(lǐng)域常用的二氧化硅鈍化膜的工藝及其成膜性質(zhì)的影響。測量了新興的拓撲絕緣體材料超薄膜的光學(xué)常數(shù)和帶隙。研究了超薄金屬鋁膜的光學(xué)性質(zhì)及其隨厚度變化的規(guī)律。對磁控濺射法制備的納米尺度鉭膜的工藝參數(shù)與成膜性質(zhì)的關(guān)系進行了研究。在此基礎(chǔ)上對橢圓偏振測量術(shù)研究超薄膜的方法進行了改進

8、，提出了具有獨創(chuàng)性的有效可行的利用光譜式橢圓偏振測量術(shù)研究超薄膜的方法，解決了橢偏難以準確測量超薄膜的光學(xué)性質(zhì)和厚度的難題。本文主要內(nèi)容有如下幾個方面:
　　 第一、探索了PECVD法制備二氧化硅鈍化膜的性質(zhì)，并利用光譜式橢偏測量和X射線光電子能譜研究了PECVD法制備二氧化硅鈍化膜時襯底溫度對成膜質(zhì)量和光學(xué)性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)通過提高襯底溫度，能夠大大降低PECVD法制備的二氧化硅鈍化膜中的雜質(zhì)含量，并顯著提高成膜密度。
　

9、　 通過光譜式橢偏測量研究了分子束外延法制備的氧化鉍與硒化鉍超薄膜的光學(xué)性質(zhì)和帶隙，通過改進的評價函數(shù)，利用點對點擬合方法，得到并報道了兩種材料超薄膜的可見光范圍的光學(xué)常數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩種材料折射率在可見光范圍變化規(guī)律相似但消光系數(shù)差異明顯，通過計算得到了兩種材料的帶隙并發(fā)現(xiàn)其小于塊體材料。
　　 第二、研究了超薄金屬鋁膜的光學(xué)性質(zhì)隨厚度的變化規(guī)律，報道了2-5納米超薄鋁膜的光學(xué)性質(zhì)。通過不同橢偏模型的建立和比較，找到了描述超薄鋁膜

10、物理結(jié)構(gòu)的最佳模型。并在此基礎(chǔ)上得到了2-16納米厚度超薄鋁膜的光學(xué)常數(shù)。發(fā)現(xiàn)其折射率和消光系數(shù)隨厚度的變化規(guī)律相反。觀察到了12納米和16納米超薄鋁膜的吸收峰并觀察到隨著厚度的增加，其峰值位置向長波長方向的漂移。
　　 第三、研究了磁控濺射技術(shù)制備超薄金屬鉭膜的工藝參數(shù)及其對納米尺度鉭膜的表面形貌和光學(xué)常數(shù)的影響。
　　 1.利用磁控濺射法在不同制備條件下制備了一系列納米尺度鉭膜，并利用原子力顯微鏡觀察其表面形貌，探索

11、了濺射功率和襯底溫度影響納米尺度鉭膜表面形貌的規(guī)律，并通過對表面小丘狀突起的成因分析和實驗研究，找到了制備表面平整無突起的納米尺度鉭膜的最佳制備條件。
　　 2.利用光譜式橢偏測量對樣品進行測量，并建立了由德魯?shù)路匠毯吐鍌惼澐匠探M成的色散模型來描述納米尺度鉭膜的光學(xué)性質(zhì)，從而通過擬合得到了不同制備條件下的納米尺度鉭膜的光學(xué)常數(shù)。分析了濺射功率和襯底溫度對納米尺度鉭膜光學(xué)常數(shù)的影響，并觀察到了極小的薄膜應(yīng)力對光學(xué)常數(shù)的顯著影響。<

12、br>　　 第四、采用透射測量與橢偏測量結(jié)合的方法，研究了不同厚度超薄鐵膜的光學(xué)常數(shù)。
　　 1.使用覆蓋保護性鉭膜的方法，實現(xiàn)了超薄鐵膜的非原位橢偏研究。
　　 2.通過在透明襯底和不透明襯底上制備性質(zhì)相同的雙層超薄金屬膜的方法，配合透射數(shù)據(jù)與橢偏數(shù)據(jù)的同時分析，實現(xiàn)了雙層超薄金屬膜的透射測量與橢偏測量的結(jié)合運用。并通過對單獨制備的單層鉭膜的研究，降低了雙層超薄金屬膜中的未知量，從而使得雙層超薄金屬膜的橢偏研究成為可

13、能。
　　 3.利用Matlab編寫了點對點分析計算薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度的蟻群算法，并對其進行了優(yōu)化，使程序能夠高效率的實現(xiàn)對解空間的搜索并提高了程序?qū)ふ胰肿顑?yōu)解的能力。
　　 4.利用唯一性檢測分析，證明了透射測量與橢偏測量的結(jié)合大大提高了得到的薄膜厚度結(jié)果的唯一性。并在此基礎(chǔ)上得到了超薄鐵膜的厚度，進而得到了不同厚度超薄鐵膜的光學(xué)常數(shù)。結(jié)果表明超薄鐵膜的光學(xué)常數(shù)隨薄膜厚度變化明顯。7.1納米超薄鐵膜光學(xué)常數(shù)與其他厚度

14、鐵膜差別明顯。在370納米處觀察到了超薄鐵膜的寬吸收峰，發(fā)現(xiàn)其隨著厚度的降低，向長波長方向漂移，并就這一現(xiàn)象給出了理論解釋。
　　 第五、實現(xiàn)了利用等效襯底法對鐵材料襯底上超薄自然氧化薄膜的橢偏研究，并得到了鐵材料超薄自然氧化膜的厚度和光學(xué)性質(zhì)。
　　 1.通過對暴露在自然環(huán)境中的鐵材料襯底的不間斷測量，得到了橢偏測量數(shù)據(jù)隨暴露時間變化的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)隨著暴露時間的增加，測量數(shù)據(jù)的曲線形狀基本不變，但數(shù)值不斷降低。
　

15、　 2.利用等效襯底法，通過準介電函數(shù)的計算，實現(xiàn)了在未知光學(xué)性質(zhì)的鐵材料襯底上的未知厚度與光學(xué)性質(zhì)的超薄自然氧化膜即未知襯底上的厚度未知、光學(xué)性質(zhì)未知的超薄膜的橢偏研究。
　　 3.利用二維唯一性檢測方法，得到了鐵材料在自然環(huán)境下暴露一小時的超薄自然氧化膜的厚度為1.5納米。得到了超薄自然氧化膜的光學(xué)常數(shù)和帶隙。發(fā)現(xiàn)其比人為制備的三價鐵氧化物帶隙略小，并且在此基礎(chǔ)上得到了鐵材料襯底的光學(xué)常數(shù)。
　　 第六、搭建了高精

16、度可變溫光譜式橢偏測量平臺，研究了70K到425K溫度下的砷化鎵襯底的光學(xué)常數(shù)。實現(xiàn)了在較寬溫度范圍內(nèi)的高精度自動控溫橢偏測量。對杜瓦瓶進行了改進和升級，為其加裝了測量窗口、液氮加注口、真空閥、控溫電路以及冷頭，通過注入的液氮與電熱絲的配合達到控溫的目的，從而實現(xiàn)了真空環(huán)境下對樣品的寬溫域精確控溫的光譜式橢偏測量。
　　 綜上所述，本論文利用光譜式橢圓偏振測量術(shù)探索了二氧化硅鈍化膜的光學(xué)性質(zhì)及其與制備工藝的關(guān)系，研究了拓撲絕緣體