光學(xué)薄膜性能監(jiān)測技術(shù)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1光學(xué)薄膜性能監(jiān)測技術(shù)光學(xué)薄膜性能監(jiān)測技術(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)測試：n和d；n非光學(xué)性能監(jiān)測：附著力、附著能、應(yīng)力和耐環(huán)境條件實驗?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)測技術(shù)也必須適應(yīng)器件特點； 薄膜性能提高，要求測試新的特性參數(shù)、更高江都測試技術(shù)不管出現(xiàn)。第1頁/共70頁第2頁/共70頁n紫外可見分光光度計：采用光譜分光原理測試；n紅外分光光度計：采用光譜分光原理測試；n紅外傅立葉光譜儀：采用干涉原理進行測試； 根據(jù)薄膜器件幾何結(jié)構(gòu)與形狀、尺寸、偏振選擇測試方法；第3頁/共70頁n是測量薄

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；n波段分類：紫外可見光分光光度計、紅外分光光度計；n測試原理：單色儀分光光度計和干涉型光譜測試系統(tǒng)； 單色儀型分光光度計原理單色儀 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/共70頁 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/共70頁 光源 樣品池單色儀光電探測器調(diào)制器n首先不放樣品，測出100透射的光譜信號；n放入樣品測試光譜信號；n兩個信號進行比較得到透射率； 特點n需要2次測量，測量速度慢；n對光源的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高；第6頁/共70頁 光源單色儀樣品臺光電探測器偏光鏡n任意角入射，形成偏振光測試

3、；n晶體偏光棱鏡：產(chǎn)生偏振光；n偏光棱鏡樣品臺=入射角可變的多角度透射與反射測試系統(tǒng)；第7頁/共70頁樣品池參比池單色光探測器第8頁/共70頁性能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反射測試可以可以可以偏振測試可以可以可以第9頁/共70頁第10頁/共70頁n一般光譜儀開機后要進行初始化；n進行樣品測試參數(shù)設(shè)定；n放置樣品，進行測試； 測試中的注意問題n測量樣品口徑的影響：當(dāng)樣品小于光斑尺寸(1

4、cm2)，采用光闌限制；n測試樣品的厚度：對于較厚的樣品在參考光路中也要放入等厚樣品n測試樣品楔形角影響：光束盡量準(zhǔn)直實用大口徑的積分球探測；n測試樣品后表面：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/共70頁第12頁/共70頁第13頁/共70頁第14頁/共70頁第15頁/共70頁第16頁/共70頁第17頁/共70頁第18頁/共70頁第19頁/共70頁第20頁/共70頁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/共70頁第22頁/共70頁第23頁/共70頁第24頁/共70頁 激光對光學(xué)薄膜的損傷過程包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)過程、場擊穿過程光學(xué)力學(xué)過程、場擊穿過程等，但最基本的還是熱熱過程過程，光通過本征吸收、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/共70頁)/exp(220arII)44exp()4(),(222220aDrDxaDDcaJtzrTtttt設(shè)激光強度是高斯分布，則a為高斯半徑，時間為瞬間作用時 I0和J0分別是x=0,r=0時的功率密度和

6、能量密度，Dt為熱擴散長度，為吸收系數(shù)。對于一般材料,=2/. 第26頁/共70頁 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，所以處理起來相當(dāng)困難，對于雜質(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/共70頁 雜質(zhì)缺陷的急劇加熱可能發(fā)展成熱爆炸過程，這個過程從缺陷內(nèi)部發(fā)生，在缺陷迅速升溫到數(shù)千度的高溫時，雜質(zhì)材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強，這種爆炸雜質(zhì)

7、材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強，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/共70頁第29頁/共70頁第30頁/共70頁第31頁/共70頁2008EF 20)/(20)(reErE第32頁/共70頁Laser systemSamplehold

8、erbeamdiagnosticVariableattenuatorWaveplateFocusingsystemBeamspliter第33頁/共70頁第34頁/共70頁第35頁/共70頁第36頁/共70頁第37頁/共70頁第38頁/共70頁第39頁/共70頁第40頁/共70頁第41頁/共70頁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/共70頁強激光薄膜相關(guān)的基礎(chǔ)研究優(yōu)質(zhì)的

9、強激光薄膜優(yōu)質(zhì)的強激光薄膜建設(shè)一個完備的薄膜相關(guān)檢測平臺工藝控制水平預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用工藝過程控制與固化專用鍍膜機的研制閾值問題面形問題小光斑預(yù)處理技術(shù)其他預(yù)處理技術(shù)優(yōu)質(zhì)的強激光薄膜優(yōu)質(zhì)的強激光薄膜預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用專用鍍膜機的研制閾值問題面形問題小光斑預(yù)處理技術(shù)其他預(yù)處理技術(shù)第43頁/共70頁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)反射率或透射率來確定n；n橢圓偏振法：利用偏振光的偏振性能來確定；n布儒斯特角法：利用布儒斯特原理來測試；第44頁/共70頁1/20(1)(1)sfR n nnRn對于理想光學(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，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/共70頁Glass/10H/Air 膜系對應(yīng)的曲線膜系對應(yīng)的曲線 H=Al2O3位相厚度為該波長的/2的奇數(shù)倍時位相厚度為該波長的/2的偶數(shù)倍時200)11(11nnRT2202)/1/1(11nnnnRTHH第46頁/共70頁12(21)2(1) 144ndmm12122 ()dn 第47頁/共70頁第48頁/共70頁第49頁/共70頁第50頁/

11、共70頁 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/共70頁第52頁/共70頁n 附著力和強度：薄膜受機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/共70頁第54頁/共70頁第55頁/共70頁第56頁/共70頁n 薄膜應(yīng)力的存在是薄膜生產(chǎn)、制備過程中的普遍現(xiàn)象，所有薄膜幾乎都處于某種應(yīng)力狀態(tài)之中。n它的存在不僅會直接導(dǎo)致薄膜破裂、脫落，使薄膜損傷；n而且會作用于基體，使基體發(fā)生形變，從而使通過薄膜元件傳輸?shù)男畔l(fā)生畸變，影響傳輸特性。n通過對薄膜應(yīng)力的研究，可以了解薄膜的破壞機理，進而達(dá)到改善薄膜抗損傷性能的目的。第57頁/

12、共70頁第58頁/共70頁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/共70頁殘余應(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/共70頁殘余應(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/共70頁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/共70頁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