1、會(huì)計(jì)學(xué)1光學(xué)薄膜性能監(jiān)測(cè)技術(shù)光學(xué)薄膜性能監(jiān)測(cè)技術(shù)n光學(xué)特性：光譜反射、透射以及器件的光學(xué)損耗(吸收和散射）；n薄膜光學(xué)參數(shù)測(cè)試：n和d；n非光學(xué)性能監(jiān)測(cè)：附著力、附著能、應(yīng)力和耐環(huán)境條件實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?光學(xué)薄膜應(yīng)用范圍廣泛，器件的光學(xué)特性以及幾何結(jié)構(gòu)形狀各異，所以薄膜器件的監(jiān)測(cè)技術(shù)也必須適應(yīng)器件特點(diǎn)； 薄膜性能提高，要求測(cè)試新的特性參數(shù)、更高江都測(cè)試技術(shù)不管出現(xiàn)。第1頁(yè)/共70頁(yè)第2頁(yè)/共70頁(yè)n紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：采用光譜分光原理測(cè)試；n紅外分光光度計(jì)：采用光譜分光原理測(cè)試；n紅外傅立葉光譜儀：采用干涉原理進(jìn)行測(cè)試； 根據(jù)薄膜器件幾何結(jié)構(gòu)與形狀、尺寸、偏振選擇測(cè)試方法；第3頁(yè)/共70頁(yè)n是測(cè)量薄

2、膜透射率常用的光譜分析儀器，特別是單色儀型分光光度計(jì)；n波段分類(lèi)：紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)、紅外分光光度計(jì)；n測(cè)試原理：?jiǎn)紊珒x分光光度計(jì)和干涉型光譜測(cè)試系統(tǒng)； 單色儀型分光光度計(jì)原理單色儀 光源照明光學(xué)系統(tǒng) 樣品池單色儀傳感器處理系統(tǒng)第4頁(yè)/共70頁(yè) 光源照明光學(xué)系統(tǒng) 樣品池單色儀傳感器處理系統(tǒng)單色儀第5頁(yè)/共70頁(yè) 光源 樣品池單色儀光電探測(cè)器調(diào)制器n首先不放樣品，測(cè)出100透射的光譜信號(hào)；n放入樣品測(cè)試光譜信號(hào)；n兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較得到透射率； 特點(diǎn)n需要2次測(cè)量，測(cè)量速度慢；n對(duì)光源的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高；第6頁(yè)/共70頁(yè) 光源單色儀樣品臺(tái)光電探測(cè)器偏光鏡n任意角入射，形成偏振光測(cè)試

3、；n晶體偏光棱鏡：產(chǎn)生偏振光；n偏光棱鏡樣品臺(tái)=入射角可變的多角度透射與反射測(cè)試系統(tǒng)；第7頁(yè)/共70頁(yè)樣品池參比池單色光探測(cè)器第8頁(yè)/共70頁(yè)性能Lamda900PECary 5000島津UV365Hitachi 4100光譜1753330175333019025001853330分辨率0.08nm0.1nm0.1nm0.1nm透射精度0.000080.00030.0010.0003反射測(cè)試可以可以可以偏振測(cè)試可以可以可以第9頁(yè)/共70頁(yè)第10頁(yè)/共70頁(yè)n一般光譜儀開(kāi)機(jī)后要進(jìn)行初始化；n進(jìn)行樣品測(cè)試參數(shù)設(shè)定；n放置樣品，進(jìn)行測(cè)試； 測(cè)試中的注意問(wèn)題n測(cè)量樣品口徑的影響：當(dāng)樣品小于光斑尺寸(1

4、cm2)，采用光闌限制；n測(cè)試樣品的厚度：對(duì)于較厚的樣品在參考光路中也要放入等厚樣品n測(cè)試樣品楔形角影響：光束盡量準(zhǔn)直實(shí)用大口徑的積分球探測(cè)；n測(cè)試樣品后表面：根據(jù)空白基板的雙面透射率，從樣品雙面透射率數(shù)值中求出前表面的透射率數(shù)值；n光線的偏振效應(yīng)：樣品垂直放置偏振測(cè)試裝置；n儀器的光譜分辨率：選擇合適的分辨率，濾光片要求分辨率高；n空氣中某些成分的吸收帶影響：二氧化碳吸收，方法是樣品室充氮；第11頁(yè)/共70頁(yè)第12頁(yè)/共70頁(yè)第13頁(yè)/共70頁(yè)第14頁(yè)/共70頁(yè)第15頁(yè)/共70頁(yè)第16頁(yè)/共70頁(yè)第17頁(yè)/共70頁(yè)第18頁(yè)/共70頁(yè)第19頁(yè)/共70頁(yè)第20頁(yè)/共70頁(yè)na: 表示垂直方向上表

5、面的起伏和粗糙度；nl: 表示水平方向上的起伏和粗糙度；第21頁(yè)/共70頁(yè)第22頁(yè)/共70頁(yè)第23頁(yè)/共70頁(yè)第24頁(yè)/共70頁(yè) 激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷過(guò)程包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)過(guò)程、場(chǎng)擊穿過(guò)程光學(xué)力學(xué)過(guò)程、場(chǎng)擊穿過(guò)程等，但最基本的還是熱熱過(guò)程過(guò)程，光通過(guò)本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為熱，由熱熔融或熱力耦合熱熔融或熱力耦合導(dǎo)致薄膜的最終損傷。第25頁(yè)/共70頁(yè))/exp(220arII)44exp()4(),(222220aDrDxaDDcaJtzrTtttt設(shè)激光強(qiáng)度是高斯分布，則a為高斯半徑，時(shí)間為瞬間作用時(shí) I0和J0分別是x=0,r=0時(shí)的功率密度和

6、能量密度，Dt為熱擴(kuò)散長(zhǎng)度，為吸收系數(shù)。對(duì)于一般材料,=2/. 第26頁(yè)/共70頁(yè) 缺陷是薄膜結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的成分，從幾何形態(tài)上看，缺陷可以是空洞和結(jié)瘤空洞和結(jié)瘤，從其功能上看，應(yīng)包括：結(jié)結(jié)構(gòu)缺陷、雜質(zhì)缺陷、化學(xué)缺陷、力學(xué)缺陷、電致缺陷構(gòu)缺陷、雜質(zhì)缺陷、化學(xué)缺陷、力學(xué)缺陷、電致缺陷等。 鑒于缺陷的組分形狀千變?nèi)f化，所以處理起來(lái)相當(dāng)困難，對(duì)于雜質(zhì)缺陷一般理解為吸收缺陷吸收缺陷，為了便于處理把吸收缺陷當(dāng)作小球處理把吸收缺陷當(dāng)作小球處理。 第27頁(yè)/共70頁(yè) 雜質(zhì)缺陷的急劇加熱可能發(fā)展成熱爆炸過(guò)程，這個(gè)過(guò)程從缺陷內(nèi)部發(fā)生，在缺陷迅速升溫到數(shù)千度的高溫時(shí)，雜質(zhì)材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強(qiáng)，這種爆炸雜質(zhì)

7、材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強(qiáng)，這種爆炸力向薄膜的外層發(fā)展，首先使膜層隆起繼而把膜層沖掉力向薄膜的外層發(fā)展，首先使膜層隆起繼而把膜層沖掉形成破坑形成破坑，并在破坑的周邊形成波浪式力學(xué)波。 雜質(zhì)缺陷不僅是直接熱源，而且還是非線性過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)，缺陷區(qū)域是初始電子易于發(fā)射的區(qū)域，缺陷區(qū)域是初始電子易于發(fā)射的區(qū)域，這些電子構(gòu)成雪崩離化的初始電子從而大大降低薄膜的這些電子構(gòu)成雪崩離化的初始電子從而大大降低薄膜的擊穿閾值擊穿閾值。第28頁(yè)/共70頁(yè)第29頁(yè)/共70頁(yè)第30頁(yè)/共70頁(yè)第31頁(yè)/共70頁(yè)2008EF 20)/(20)(reErE第32頁(yè)/共70頁(yè)Laser systemSamplehold

8、erbeamdiagnosticVariableattenuatorWaveplateFocusingsystemBeamspliter第33頁(yè)/共70頁(yè)第34頁(yè)/共70頁(yè)第35頁(yè)/共70頁(yè)第36頁(yè)/共70頁(yè)第37頁(yè)/共70頁(yè)第38頁(yè)/共70頁(yè)第39頁(yè)/共70頁(yè)第40頁(yè)/共70頁(yè)第41頁(yè)/共70頁(yè)減少材料和薄膜中有害雜質(zhì)的含量提高破壞閾值穩(wěn)定氧化鋯材料的結(jié)晶相提高破壞閾值離子清洗提高破壞閾值氧分壓的改變提高破壞閾值控制缺陷率提高破壞閾值退火過(guò)程提高三倍頻膜的破壞閾值離子后處理提高破壞閾值保護(hù)膜提高破壞閾值激光預(yù)處理提高破壞閾值沉積技術(shù)提高破壞閾值第42頁(yè)/共70頁(yè)強(qiáng)激光薄膜相關(guān)的基礎(chǔ)研究?jī)?yōu)質(zhì)的

9、強(qiáng)激光薄膜優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)激光薄膜建設(shè)一個(gè)完備的薄膜相關(guān)檢測(cè)平臺(tái)工藝控制水平預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用工藝過(guò)程控制與固化專(zhuān)用鍍膜機(jī)的研制閾值問(wèn)題面形問(wèn)題小光斑預(yù)處理技術(shù)其他預(yù)處理技術(shù)優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)激光薄膜優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)激光薄膜預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)用鍍膜機(jī)的研制閾值問(wèn)題面形問(wèn)題小光斑預(yù)處理技術(shù)其他預(yù)處理技術(shù)第43頁(yè)/共70頁(yè)n折射率隨厚度的變化，即折射率的各向異性；n折射率的微弱吸收(很小的吸收系數(shù)k)；n消光系數(shù)的不均勻性與各向異性；n光度法：根據(jù)反射率或透射率來(lái)確定n；n橢圓偏振法：利用偏振光的偏振性能來(lái)確定；n布儒斯特角法：利用布儒斯特原理來(lái)測(cè)試；第44頁(yè)/共70頁(yè)1/20(1)(1)sfR n nnRn對(duì)于理想光學(xué)薄膜，光

10、學(xué)厚度為/2的整數(shù)倍處，透射率和反射率等于光潔基板的值；n而在薄膜光學(xué)厚度為/4 時(shí)，反射率正好是極值；n如果薄膜折射率nfns，反射率將是極小值；n如果薄膜折射率nfns，反射率將是極大值；22020/fsfsnnnRnnn T, Rfn第45頁(yè)/共70頁(yè)Glass/10H/Air 膜系對(duì)應(yīng)的曲線膜系對(duì)應(yīng)的曲線 H=Al2O3位相厚度為該波長(zhǎng)的/2的奇數(shù)倍時(shí)位相厚度為該波長(zhǎng)的/2的偶數(shù)倍時(shí)200)11(11nnRT2202)/1/1(11nnnnRTHH第46頁(yè)/共70頁(yè)12(21)2(1) 144ndmm12122 ()dn 第47頁(yè)/共70頁(yè)第48頁(yè)/共70頁(yè)第49頁(yè)/共70頁(yè)第50頁(yè)/

11、共70頁(yè) 非光學(xué)性能n 薄膜的應(yīng)力；n 薄膜與基板之間的附著力；n 薄膜的組分與微結(jié)構(gòu)；第51頁(yè)/共70頁(yè)第52頁(yè)/共70頁(yè)n 附著力和強(qiáng)度：薄膜受機(jī)械力破壞的難易程度；n 化學(xué)穩(wěn)定性：化學(xué)上變質(zhì)的難易程度；第53頁(yè)/共70頁(yè)第54頁(yè)/共70頁(yè)第55頁(yè)/共70頁(yè)第56頁(yè)/共70頁(yè)n 薄膜應(yīng)力的存在是薄膜生產(chǎn)、制備過(guò)程中的普遍現(xiàn)象，所有薄膜幾乎都處于某種應(yīng)力狀態(tài)之中。n它的存在不僅會(huì)直接導(dǎo)致薄膜破裂、脫落，使薄膜損傷；n而且會(huì)作用于基體，使基體發(fā)生形變，從而使通過(guò)薄膜元件傳輸?shù)男畔l(fā)生畸變，影響傳輸特性。n通過(guò)對(duì)薄膜應(yīng)力的研究，可以了解薄膜的破壞機(jī)理，進(jìn)而達(dá)到改善薄膜抗損傷性能的目的。第57頁(yè)/

12、共70頁(yè)第58頁(yè)/共70頁(yè)ZrO2薄膜中殘余應(yīng)力隨沉積溫薄膜中殘余應(yīng)力隨沉積溫度的變化度的變化 ZrO2薄膜熱應(yīng)力隨沉積溫度的薄膜熱應(yīng)力隨沉積溫度的變化曲線變化曲線 第59頁(yè)/共70頁(yè)殘余應(yīng)力隨沉積溫度的變化曲線殘余應(yīng)力隨沉積溫度的變化曲線 第60頁(yè)/共70頁(yè)殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 (MPa) 沉積沉積 溫度溫度室溫室溫190260350 退火退火 溫度溫度 沉積沉積 應(yīng)力應(yīng)力 退火退火 應(yīng)力應(yīng)力 沉積沉積 應(yīng)力應(yīng)力 退退火火 應(yīng)應(yīng)力力 沉積沉積 應(yīng)力應(yīng)力 退火退火 應(yīng)力應(yīng)力 沉積沉積 應(yīng)力應(yīng)力 退火退火 應(yīng)力應(yīng)力200 113-205 24 113 -72 61 -211 200300 85 -49 18 45 -44 57 -247 66.5400 64-240 0 247 -18 34 -147 38第61頁(yè)/共70頁(yè)不同沉積溫度下不同沉積溫度下SiO2薄膜中殘余應(yīng)力的變化曲線薄膜中殘余應(yīng)力的變化曲線 第62頁(yè)/共70頁(yè)不同氧分壓下不同氧分壓下SiO2薄膜中殘余應(yīng)力的變化曲線薄膜中殘余應(yīng)力