1、科學(xué)史上，測(cè)量技術(shù)的每次進(jìn)步，都能夠推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。所以從某種意義上來(lái)說(shuō)，科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展都可以歸功于各種用于科學(xué)研究的測(cè)量手段。在過(guò)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(lái)了表面科學(xué)的一場(chǎng)革命并大大推動(dòng)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(cè)量術(shù)雖然在100多年前就已經(jīng)問(wèn)世，但是一直被視為“沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)”。直到二十世紀(jì)九十年代，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，橢圓偏

2、振測(cè)量術(shù)的境況發(fā)生了翻天覆地的變化。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟，實(shí)現(xiàn)了橢圓偏振測(cè)量術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量與測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析，也因此帶動(dòng)了九十年代中期光譜式橢圓偏振測(cè)量術(shù)的商用化進(jìn)程?，F(xiàn)在，橢圓偏振測(cè)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(lái)，光譜式橢圓偏振測(cè)量術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)時(shí)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?？梢哉f(shuō)光譜式橢圓偏振測(cè)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(lái)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(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。橢圓偏振測(cè)量術(shù)的原理常常被認(rèn)為是困難的，部分是因?yàn)槿藗儗?duì)橢圓偏振測(cè)量術(shù)中作為探測(cè)光的偏振光的知識(shí)了解有限，另一部分原因是橢圓偏振測(cè)量并非直接測(cè)量，而需要一個(gè)相對(duì)獨(dú)特的數(shù)據(jù)分析過(guò)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(lái)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(gè)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(hù)層，二氧化硅薄鈍化膜的制備與性質(zhì)研究對(duì)其實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。對(duì)于新興的拓?fù)浣^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(chǔ)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(duì)于薄膜的研究，必然就會(huì)涉及到其厚度或者是光學(xué)性質(zhì)的研究。此時(shí)，光譜式橢圓偏振測(cè)量術(shù)由于其極高的測(cè)量精度、便捷的測(cè)量方式和對(duì)樣品無(wú)破壞的特點(diǎn)，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(lái)，

6、隨著工業(yè)技術(shù)和加工水平的進(jìn)步，人們逐漸意識(shí)到與塊體材料性質(zhì)迥異的超薄膜對(duì)于科學(xué)技術(shù)和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要性，對(duì)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(lái)越大。因此，對(duì)于超薄膜的研究就被推到了一個(gè)越來(lái)越重要的位置。然而光譜式橢圓偏振測(cè)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(shí)，我們發(fā)現(xiàn)橢偏技術(shù)測(cè)量得到的橢偏數(shù)據(jù)對(duì)于超薄膜的光學(xué)常數(shù)不再敏感。這也就意味著通過(guò)傳統(tǒng)的橢偏測(cè)量來(lái)研究超薄膜，就會(huì)遇到難以準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量技術(shù)和薄膜制備技術(shù)，對(duì)納米尺度的部分金屬、非金屬和半導(dǎo)體薄膜進(jìn)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(cè)量了新興的拓?fù)浣^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(duì)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(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上對(duì)橢圓偏振測(cè)量術(shù)研究超薄膜的方法進(jìn)行了改進(jìn)

8、，提出了具有獨(dú)創(chuàng)性的有效可行的利用光譜式橢圓偏振測(cè)量術(shù)研究超薄膜的方法，解決了橢偏難以準(zhǔn)確測(cè)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(gè)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(cè)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(shí)襯底溫度對(duì)成膜質(zhì)量和光學(xué)性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(guò)光譜式橢偏測(cè)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(guò)改進(jìn)的評(píng)價(jià)函數(shù)，利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)擬合方法，得到并報(bào)道了兩種材料超薄膜的可見(jiàn)光范圍的光學(xué)常數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩種材料折射率在可見(jiàn)光范圍變化規(guī)律相似但消光系數(shù)差異明顯，通過(guò)計(jì)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(bào)道了2-5納米超薄鋁膜的光學(xué)性質(zhì)。通過(guò)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(duì)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(guò)對(duì)表面小丘狀突起的成因分析和實(shí)驗(yàn)研究，找到了制備表面平整無(wú)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(cè)量對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)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(lái)描述納米尺度鉭膜的光學(xué)性質(zhì)，從而通過(guò)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(duì)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(duì)光學(xué)常數(shù)的顯著影響。<

12、br>　　 第四、采用透射測(cè)量與橢偏測(cè)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(hù)性鉭膜的方法，實(shí)現(xiàn)了超薄鐵膜的非原位橢偏研究。
　　 2.通過(guò)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(shí)分析，實(shí)現(xiàn)了雙層超薄金屬膜的透射測(cè)量與橢偏測(cè)量的結(jié)合運(yùn)用。并通過(guò)對(duì)單獨(dú)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(xiě)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分析計(jì)算薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度的蟻群算法，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，使程序能夠高效率的實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)分析，證明了透射測(cè)量與橢偏測(cè)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(jìn)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(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移，并就這一現(xiàn)象給出了理論解釋。
　　 第五、實(shí)現(xiàn)了利用等效襯底法對(duì)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(guò)對(duì)暴露在自然環(huán)境中的鐵材料襯底的不間斷測(cè)量，得到了橢偏測(cè)量數(shù)據(jù)隨暴露時(shí)間變化的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)隨著暴露時(shí)間的增加，測(cè)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(guò)準(zhǔn)介電函數(shù)的計(jì)算，實(shí)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(cè)方法，得到了鐵材料在自然環(huán)境下暴露一小時(shí)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(jià)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(cè)量平臺(tái)，研究了70K到425K溫度下的砷化鎵襯底的光學(xué)常數(shù)。實(shí)現(xiàn)了在較寬溫度范圍內(nèi)的高精度自動(dòng)控溫橢偏測(cè)量。對(duì)杜瓦瓶進(jìn)行了改進(jìn)和升級(jí)，為其加裝了測(cè)量窗口、液氮加注口、真空閥、控溫電路以及冷頭，通過(guò)注入的液氮與電熱絲的配合達(dá)到控溫的目的，從而實(shí)現(xiàn)了真空環(huán)境下對(duì)樣品的寬溫域精確控溫的光譜式橢偏測(cè)量。
　　 綜上所述，本論文利用光譜式橢圓偏振測(cè)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?fù)浣^緣體