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【实验目的】
1、了解测量薄膜厚度及折射率的方法,熟悉测厚仪工作的基本原理。
2、通过本实验了解薄膜表面反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成反射谱原理。
3、借助光学常数,对薄膜材料的光学性能进行分析。
【实验原理】
SGC-10薄膜测厚仪,适用于介质,半导体,薄金属,薄膜滤波器和液晶等薄膜和涂层的厚度测量。该薄膜测厚仪采用new-span公司先进的薄膜测厚技术,基于白光干涉的原理来测定薄膜的厚度和光学常数(折射率n,消光系数k)。它通过分析薄膜表面的反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成的反射谱,用相应的软件来拟合运算,得到单层或多层膜系各层的厚度d,折射率n,消光系数k。
【实验仪器及材料】
测厚仪、已制备好薄膜数片、参考反射板(硅片)
【实验过程及步骤】运行程序,如果出现下面错误提示窗口,请确认USB线已连接好仪器与计算
机。
关闭程序,连接好USB线,并重新启动程序。
第一次按“Measure”键时,如果出现下面的错误窗口,则是因为没有把软件安装在默认目录下。这时,请按下“Continue”按钮(也许需要连按5次),再切换到“MeasurementSetting”面板,选择薄膜层数4,再从材料数据库中选择基底和四层薄膜的材料(随便选取),然后按“SaveSetting”,以后就不会再出现错误窗口了。
Error7occurredat:?penFile+.vi:9penFile
Possiblereason(s):
LabVItW:^\aspathseparatorson■Windows^:onMacQ5jand/onUNI^'
NI-488;Non-existentboard.
Stop
各部分功能
1注册界面(Registration)
第一次运行程序会出现下面的注册界面。其中的“Serial#”会从仪器自动读出,如果运行后还是空白的,请确认你的USB线是否连接好了。如果仍旧是空白的,请参考安装说明重新安装软件。
“License#”需要你手动输入,其由你的供货商提供。输入注册码后请用鼠标左键点击界面上的“Enter”按钮完成注册,而不是按键盘上的“Enter”键。
2测量设置界面(MeasurementSetting)
各部分功能描述
9MeasureFilm
选择测量薄膜(MeasureFilm)或测量基底(MeasureSubstrate))
注意:对于参数n,k未知的基底,可以选择测量基底(MeasureSubstrate)来测量基底的参数。但是,这种测量有它的局限性,因为它只是通过基底表面的反射光来测定,而此反射光受到多种因素的影响。所以我们推荐使用科学出版物上的参数。
7NumberofFilmLayer:3
选择样品的薄膜层数。
最多可选择测量4层薄膜的厚度和光学参数。
9Measured
选择测量d(Measured)还是测量n,k,d(Measuren,k,d)。
如果薄膜的光学常数n,k已知,你可以选择Measured来减少计算的参量,提高测量的准确度。
SelectSubstrateSl
从默认的文件夹中或用户指定的文件夹选择基底的材料。
注意:用户自建的材料数据的格式见后面的说明。
Selt^LFimLciyei|
Sdeci」rdFimLoryer| 11:)?
Sdect2ndFilmLayer1 ':,
Select1stFimLaryer]SO2
从默认的文件夹中或用户指定的文件夹选择对应膜层的材料。
注意:用户自建的材料数据的格式见后面的说明。膜层的排列顺序见后面的说明。
GuessdRange
输入猜测的膜厚的范围。输入的范围越接近于真实
值,测量的精度越高,运算越快。如果某一层的膜厚是已知的,请在队赢得Min和Max中都输入这一膜厚值。
Min
^
输入猜测的膜厚的最小值。单位(um)
Max
^
输入猜测的膜厚的取大值。单位(um)
Min(nm)450
输入光谱范围的最小值。光谱仪响应的最小波长是350nm。但是,为了得到合理的信噪比,输入的最小值同时受到样品的反射率曲线和光源的发射谱特性的影响。设直到ScopeMode”通过调节平台得到最大反射,这时选择最小波长来得到合理的信噪比(例如选择反射能量为峰值的20%处的波长中较小的为最小值,)
^Max(nm)J850
输入光谱范围的最大值。光谱仪响应的最大波长是1000nm。但是,为了得到合理的信噪比,输入的最大值同时受到样品的反射率曲线和光源的发射谱特性的影响。设直到ScopeMode”通过调节平台得到最大反射,这时选择最大波长来得到合理的信噪比(例如选择反射能量为峰值的20%处的波长较大的为最大值)
BackSurfac
:|0M
:eCorrection
默认的基底是不透明的,或者说没有反射光从基底/空气界面反射上来。如果有反射光从基底下表面反射上来,就要对此加一个合理的猜测的修正,来消除反射光的影响。例如对于BK7玻璃基底,。对于其他材料,其值可估计为R=[(nl-n0)/(nl+n0)]人2。其中n1为基底折射率,n0大部分时候为空气折射率。
可根据实验的反射率曲线和拟合的实验曲线来判断修正系数是否合适,两者越接近说明修正系数越合适。如果无论怎样修正都得不到接近的曲线,请重新调节仪器和测量。
3测量界面(Measurement)
各部分功能描述
RealTime Real-Time
OIN Off
在“RealTimeON”时,显示的是从光谱仪采集到的实时数据。在“RealTimeOff”时,显示的是先前采集的数据;这时也可以通过按键“LoadReflectance,从文件夹中读取先前保存的反射比数据。
Save
Reflectance
“SaveReflectance”按钮保存测量得到的反射率数据到一个文件中,按下此键时,请确认切换到
“ReflectanceMode”保存的数据可以通过按键
“LoadReflectance”来读取。
Lo-ad
Reflectance
“LoadReflectance”按钮读取先前保存的反射率数据。
SpectrometerSetting
SpectrometerSetting框中是设直光谱仪的各个参数,在测量前,请将这些参量设置好。

A
“”设置光谱仪的积分时间(单位是毫秒),其值范围从3毫秒到65000毫秒。请正确设定光谱仪的积分时间以获得好的信噪比而不饱和。
Samples
厂
“Samples”设置光谱仪的米样数来取平均值,可以消除随即的噪声。但是太大的采样数会降低系统的测量速度。
Bo^csr
“Boxcar”设置平滑曲线时所用的临近数据。例如,“Boxcar”值为2,意味着左边两个数和右边两个数,再加上本身,共5个数取平均值。
DataAve.
•r
“DataAve.”用来设置从光谱仪得到的数据需要几个数据取平均值来得到一个测量数据。例如,如果
■}ScopeMode
EtoreRe£ei_ence
StoreDark
Power
0
BestFitted
值为4,则从光谱仪得到的650个数据,平均成125个数据用于测量。如果薄膜较薄,反射率曲线起伏较小,可以设较大的“DataAve.”值来加快测量速度;对于较厚的薄膜,反射率曲线有很多起伏,则要取较小的值,得到更多的数据来提高测量的准确性。
模式设置可以选择“ScopeMode”和“ReflectanceMode”。
“StoreReference”用来保存参考反射板(硅片)的反射谱。把硅片放到平台上,调整好,然后按下此按钮。
“StoreDark”用来保存暗噪声。用黑纸挡住光束,或者把硅片倾斜,然后按下此按钮来保存噪声。这里显示光谱范围的总能量。当把参考板和样品放到测量台上时,调节仪器使此值最大。
注意:只有在“RealTimeON”时此值才有意思,当“RealTimeOff”时,此值没有意义。
“Measured&FittedReflectance”窗口显示测量曲线和最佳拟合曲线。当按下“ShowFit”使之在
“ShowFitON”状态时,会显示拟合曲线。如果拟合曲线和实验曲线有相当的差异,则测量结果是不可信的,这时需要重新测量。
在“ON”状态时既显示实验曲线又显示拟合曲线,否则只显示实验曲线。
Measure
在测量薄膜时,按下此按钮计算薄膜厚度或计算薄膜厚度及光学参数。在测量基底时,按下此按钮计算基底的参数。
注意:计算时间从几秒到几分钟不等,依赖于薄膜的层数和计算的参数。
指示灯,在“Measure”按下运算时,此指示灯会闪亮。
Repeat#
$1
“Repeat#”输入计算重复的次数,已得到测量的平均值和标准偏差。
FilmThickness(pm)
测量得到的薄膜厚度(单位微米um)或厚度的平均值及标准偏差。
std.
d
0E+0
0E+0
0E+0
0E+0
测量的得到的每层薄膜的厚度和标准偏差,单位微米(um).
■:Layer#1MICPlot
5ubNKPlot
选择薄膜的编号来显示测量得到的n,k曲线。在测量基底时,显示测量得到的基底的n,k曲线。
600615

-
-
450 480
九(nm)
显示黄线指示位置的波长。

显示黄线指示位置波长对应的折射率。
保存测量得到的基底或薄膜的n,k数据。保存的数据按照标准的格式,详细情况参考后面的“硅的数据格式”
此窗口显示测量得到的折射率。可以用鼠标左右拖动黄线,来显示对应的不同波长的折射率。
600615

-
-
按下此按钮时,黄线会回到默认位置。
此窗口显示测量得到的消光系数。可以用鼠标左右拖动黄线,来显示对应的不同波长的消光系数。
九(nm)
显示黄线指示位置的波长。

显示黄线指示位置波长对应的k值。
数据格式(以硅为例)
三列数,第一列是波长(单位是纳米),第二列是折射率n,第三列是消光系数k,中间用“Tab”键分开。
膜层的次序定义
如图所示,紧挨着基底定义为第一层,和空气接触的定义为最后一层
Air
N4,K4,d4
N3,K3,d3
N2,K2,d2
N1,K1,d1
Ns,Ks
4thlayer
3rdlayer
2ndlayer
1stlayer
Substrate
通过下面的操作,将会对薄膜测厚系统的使用有所熟悉。
产品外观图和各调节部件名称编号如下
打开测厚系统电源(在仪器后面板),光源预热30分钟,使出射光强稳定。
通过调节准直旋钮,使探头出射为近似平行光,即出射的光在轴向光斑直径在一定范围大小不变。
调节光阑大小,以得到适当的出射光束直径。
将参考反射板(硅片)放到测量台上,打开软件并运行,通过调节水平旋钮1与水平旋钮2,使硅片表面与入射光束垂直,即使进入光纤探头的反射光强最大,也就是说软件界面上的“power”值最大。
5记下此“power”值;细调准直旋钮,再调节水平旋钮1与水平旋钮2,记下最大的“power”值,与原来的最大“power”值比较;重复此操作,以得到最大的“power”值,此时调焦最好,出射光束平行度最好。
6测量设置“MeasurementSetting”:参考下图
(1)选择“MeasureFilm”来测量薄膜,选择“MeasureSub.”来测量基底对于薄膜测量