[发明专利]一种SiO2薄膜生长过程微结构演化的研究方法

摘要

本发明属于针对薄膜生长过程性能演化的逆向研究领域，具体涉及一种SiO₂薄膜生长过程微结构演化的研究方法，其可用于评价SiO₂薄膜生长过程微结构演化规律。该研究方法采用化学溶液腐蚀方法，通过对SiO₂薄膜分层腐蚀，分别对腐蚀的SiO₂薄膜进行红外介电常数测试，进而实现对不同厚度的SiO₂薄膜短程有序结构评价，对于深入理解SiO₂薄膜生长过程的微观结构具有重要意义，为薄膜材料生长过程性能演化规律的研究提供了逆向研究方法。该方法避免了传统分层制备方法的周期长、成本高等缺点，为薄膜的生长过程逆向研究提供了新方法。

主权项

一种SiO₂薄膜生长过程微结构演化的研究方法，其特征在于，其包括如下步骤：步骤S1：首先在超光滑表面的基底上制备SiO₂薄膜；步骤S2：采用化学腐蚀的方法对SiO₂薄膜分层腐蚀，使用氢氟酸+氨水+丙三醇+乙二醇作为腐蚀化学溶液；步骤S3：为了保证腐蚀溶液的均匀性，将腐蚀样品侧放在聚四氟乙烯托盘上，然后将其放入烧杯中在超声波清洗机中超声腐蚀；步骤S4：通过控制不同的腐蚀时间t，从而得到不同物理厚度的薄膜；步骤S5：使用椭圆偏振仪测量薄膜物理厚度；步骤S6：对不同物理厚度的薄膜进行红外光谱透射率测量；步骤S7：以透过率和反射率光谱为输入参数，依据介电常数模型，设定解析解n_f、k_f、d_f和误差δ的范围，得到初始值n_f、k_f、d_f，当评价函数MSE<δ时，输出n_f、k_f、d_f；如果MSE>δ,则将产生的新解n_f、k_f、d_f输入透过率和反射率光谱中重新计算；通过对红外光谱透射率反演计算出薄膜的介电常数ε(ω)，实部为ε_r(ω)，虚部为ε_i(ω)；步骤S8：根据Barker的能量损耗函数理论，计算出薄膜在TO和LO两个模式下的能量损耗函数如下：f_TO＝ε_i(ω)               (1)$f_{\mathrm{LO}}=\mathrm{Img}(1/\mathrm{\&epsiv;})=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_i\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r^2\left(\mathrm{\&omega;}\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_i^2\left(\mathrm{\&omega;}\right)}---\left(2\right)$f_TO和f_LO最大值对应的ω即为TO和LO模式的振动频率ω_TO和ω_LO；步骤S9：SiO₂薄膜的短程有序微结构主要用Si‑O‑Si键角表征，不同的键角表征了[SiO₄]的连接方式；SiO₂在红外振动吸收区内振动模式有TO和LO两种，TO与LO振动频率与Si‑O‑Si键角的关系如下：${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{TO}}={\left[\frac{2}{m}(\mathrm{\&alpha;}{\sin }^2\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}+\mathrm{\&beta;}{\cos }^2\frac{\mathrm{\&theta;}}{2})\right]}^{1/2}---\left(3\right)$${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{LO}}={\left[\frac{2}{m}(\mathrm{\&alpha;}{\sin }^2\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}+\mathrm{\&beta;}{\cos }^2\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}+\mathrm{\&gamma;})\right]}^{1/2}---\left(4\right)$$\mathrm{\&gamma;}=\frac{Z^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_v{\mathrm{\&epsiv;}}_{\&infin;}(2m+M)}\mathrm{\&rho;}---\left(5\right)$在这里，m为氧原子质量，θ为[SiO₄]四面体相互连接的Si‑O‑Si键角，ε_∞为SiO₂的静介电常数，ε_v为真空绝对介电常数，Z是与氧伸缩运动相关的横向电荷，ρ为SiO₂的密度；α和β为与Si‑O‑Si键角无关的力学常数，与氧原子和硅原子的摇摆振动频率相关，表达式如下：${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{oxygen}}\&ap;{\left(\frac{2}{m}\mathrm{\&beta;}\right)}^{1/2}---\left(6\right)$${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{si}}\&ap;{\left(\frac{4}{3M}(\mathrm{\&alpha;}+2\mathrm{\&beta;})\right)}^{1/2}---\left(7\right)$步骤S10：根据公式(1)‑公式(7)，分别计算出不同物理厚度的SiO₂薄膜键角和密度，由此可以逆向确定SiO₂薄膜的键角在薄膜生长过程的演化规律，通过键角确定[SiO₄]的连接方式，达到表征SiO₂薄膜微结构演化规律的目的。