基于橢偏測(cè)量技術(shù)的io薄膜光學(xué)性能研究

基于橢偏測(cè)量技術(shù)的io薄膜光學(xué)性能研究

1錫薄膜材料在高安市時(shí)期的應(yīng)用進(jìn)展透明導(dǎo)電膜具有接近金屬的導(dǎo)電性、在光刻上的高透射率、在紅色外的高反射率和其導(dǎo)電性能。廣泛應(yīng)用于太陽能電池、顯示器、氣敏件、抗靜電涂層、單元單元、半夏（sis）異質(zhì)結(jié)、現(xiàn)代戰(zhàn)艦和巡洋艦的窗口。由于氧化銦錫(ITO)薄膜材料具有優(yōu)異的光電性能,近年來得以迅速發(fā)展,特別是在薄膜晶體管(TFT)制造、平板液晶顯示器(LCD)、太陽能電池透明電極以及紅外輻射反射鏡涂層、交通工具用玻璃除霜、建筑物幕墻玻璃等方面獲得廣泛應(yīng)用。橢偏測(cè)量技術(shù)因其精度高和非破壞性而越來越受到關(guān)注。隨著橢偏儀自動(dòng)化程度的提高,研究者可以快速獲得薄膜的橢偏數(shù)據(jù),但關(guān)鍵是如何建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ腿M合橢偏數(shù)據(jù)以獲取薄膜精確的厚度和光學(xué)常量。本文對(duì)濺射法制備的ITO薄膜進(jìn)行了橢偏測(cè)量,采用不同的模型解譜,并提供了一套較為可靠的、具有實(shí)用價(jià)值的ITO薄膜光學(xué)常量。2實(shí)驗(yàn)2.1氧化錫陶瓷靶在JGP560Ⅰ型超高真空多功能磁控濺射儀上采用直流磁控濺射工藝制備了ITO透明導(dǎo)電薄膜。靶材為高純度(99.99%)的氧化銦錫陶瓷靶(質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%In2O3+10%SnO2,Φ60mm),基片為單面拋光硅片。在樣品制備前,硅片先后經(jīng)丙酮、酒精和去離子水超聲各清洗15min,烘箱烘干。本底真空度6.0×10-4Pa,基體溫度為室溫,靶基距6cm,Ar氣流量45sccm(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下45ml/min),濺射壓強(qiáng)1Pa,濺射電壓320V,濺射電流0.14A。2.2入射角和波長(zhǎng)的測(cè)量橢圓偏振光譜法是利用橢圓偏振光經(jīng)薄膜反射后,其偏振狀態(tài)會(huì)隨薄膜的厚度和光學(xué)性質(zhì)而改變的特點(diǎn),來測(cè)量薄膜的厚度和光學(xué)常量。反射式橢圓偏振光譜儀測(cè)量空氣-薄膜-基片所構(gòu)成的單層膜系統(tǒng)情況,如圖1所示。若一束單色平行光以i0入射角入射到薄膜,則在薄膜表面,利用反射、透射公式進(jìn)行理論推導(dǎo)。由多束反射光干涉后的結(jié)果,并引入橢偏參量ψ、Δ,得到橢偏參量與入射媒質(zhì)折射率n0、薄膜厚度d及折射率nF、基片折射率ns、光束的入射角i0和波長(zhǎng)λ的函數(shù)關(guān)系:F(ψ,Δ)=F(n0,nF,nS,i0,λ,d),(1)F(ψ,Δ)=F(n0,nF,nS,i0,λ,d),(1)若膜有吸收,則nF為復(fù)折射率,可用nF=n+ik表示(n和k分別為薄膜的光學(xué)折射率和消光系數(shù))。方程中存在三個(gè)變量n、k、d。測(cè)出不同入射角i0所對(duì)應(yīng)的橢偏參量ψ、Δ隨波長(zhǎng)λ的變化數(shù)據(jù),建立適當(dāng)模型通過解譜軟件由(1)式算出薄膜的光學(xué)常量n(λ)、k(λ)和膜厚d。采用RAP-I型入射角和波長(zhǎng)可變的反射式全自動(dòng)橢圓偏振光譜儀,入射角準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01°。測(cè)量了所制備ITO膜的ψ、Δ在270～775nm光頻范圍內(nèi)隨波長(zhǎng)λ的變化。光子能量范圍為1.5～4.5eV,能量掃描間隔為0.1eV,入射角為70°。2.3全譜范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲得的橢偏數(shù)據(jù)建立適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ驮倮镁€性回歸分析方法進(jìn)行解譜。先從簡(jiǎn)單理想化的模型開始,逐步將實(shí)際的薄膜結(jié)構(gòu)信息考慮到模型中去,使計(jì)算的數(shù)據(jù)向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)接近。最終的模型選擇要考慮以下標(biāo)準(zhǔn):在全譜范圍內(nèi)計(jì)算的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要相當(dāng)?shù)囊恢?盡可能小的均方根誤差:ΔRMSE=∑j=1n[(Ytargetj?Ycalcj)2×w2j]∑j=1nw2j?????????????????ue001?ue000ue000ue000ue000,(2)ΔRΜSE=∑j=1n[(Ytargetj-Ycalcj)2×wj2]∑j=1nwj2,(2)其中n為測(cè)量的橢偏數(shù)據(jù)(target)數(shù)目,Ytarget是橢偏參量ψ和Δ的值,Ycalc為擬合得到的橢偏參量計(jì)算值,w是每個(gè)橢偏測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)重,本實(shí)驗(yàn)中均取值為1。3結(jié)果與分析3.1x-射線衍射ss用MACM18XHF型X射線衍射儀(CuKα射線源,管壓為40kV,管流為100mA,掠射角為2°,掃速為8°/min)測(cè)量了淀積在硅片上的ITO薄膜X射線衍射譜,如圖2所示。根據(jù)In2O3的粉末衍射文件(PDF)標(biāo)準(zhǔn)譜圖(#71-2195)可知,ITO薄膜為In2O3的立方結(jié)構(gòu),沒有發(fā)現(xiàn)單質(zhì)Sn或Sn氧化物(SnO,SnO2)的特征峰,表明Sn已經(jīng)溶入In2O3晶格中形成了固溶體。(222)、(400)、(440)和(622)衍射峰較強(qiáng),薄膜呈多晶結(jié)構(gòu)。3.2、偏解譜3.2.1薄膜擬合的初始設(shè)置在橢偏解譜實(shí)際應(yīng)用中,首先要建立模型。建立模型有兩層含義,其一是薄膜的結(jié)構(gòu)模型,是單層膜還是多層膜,每層膜中是均質(zhì)結(jié)構(gòu)還是多元結(jié)構(gòu);其二是各膜層的算法模型,也就是色散關(guān)系模型。通常解譜軟件中提供了適應(yīng)各類材料的算法模型,也可以編輯公式設(shè)置自定義模型。對(duì)一些未知材料或者沒有其他相應(yīng)的技術(shù)手段預(yù)先獲知膜厚、膜層結(jié)構(gòu)等信息的薄膜進(jìn)行擬合,則擬合時(shí)模型的建立和擬合參量初始值的設(shè)定比較困難?？上扔镁|(zhì)單層模型且參量較少的算法模型。這樣可以較快獲得薄膜的厚度。再考慮薄膜的實(shí)際結(jié)構(gòu),運(yùn)用較復(fù)雜模型進(jìn)行擬合?？紤]到ITO薄膜既透明又導(dǎo)電,與光場(chǎng)的作用既有自由電子的貢獻(xiàn)也有晶格散射貢獻(xiàn),所以首先建立單層均質(zhì)的德魯?shù)?洛倫茨諧振模型,其色散關(guān)系如下:ε=ε∞[1+∑j=1mA2j(Ecenter)2j?E(E?iν)?ω2pE(E+iν)],(3)ε=ε∞[1+∑j=1mAj2(Ecenter)j2-E(E-iν)-ωp2E(E+iν)],(3)式中諧振子數(shù)j(在此取1),高頻介電常量ε∞,中心能量Ecenter,諧振子振幅Aj(其數(shù)值為ω2L?ω2T???????√?ωLωL2-ωΤ2?ωL和ωT分別為縱向和橫向光學(xué)聲子的角頻率),等離子體諧振頻率ωp,碰撞頻率ν。以上參量的初始設(shè)置采用缺省值,結(jié)合擬合結(jié)果逐一優(yōu)化更改,直至擬合達(dá)到滿意效果。式中E為入射光光子的能量,在輸入橢偏數(shù)據(jù)時(shí)可以選擇E(單位:eV)也可以選擇波長(zhǎng)λ(單位:nm)。橢偏參量ψ、Δ的擬合結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出ψ在500nm波長(zhǎng)附近、Δ在700nm附近擬合的均不夠理想。結(jié)果所得均方根誤差為2.5358,厚度為123.7nm。3.2.2膜的表面粗糙度、孔隙層、背景材料的重新擬合利用單層德魯?shù)?洛倫茨諧振模型擬合得到薄膜的大致厚度為120nm左右。由于在制備過程中薄膜的島狀生長(zhǎng)模式使得靠近基片表面的薄膜有空隙,隨著膜厚的增加,薄膜的空隙越來越少,而空隙的組分比隨著膜厚的增加可以看成線性遞減。對(duì)于常溫下制備且未退火的薄膜,通常有一層表面粗糙層。而上一種模型則認(rèn)為整個(gè)薄膜是勻質(zhì)的,必然會(huì)造成擬合結(jié)果與實(shí)際的偏差。設(shè)置的模型如圖4所示。膜的最上部是表面粗糙層,ITO和空隙體積分?jǐn)?shù)各占50%,厚約8nm。表面層以下是ITO層,該層的總厚度設(shè)為125nm。將其分為10個(gè)等厚的分層,設(shè)膜基界面處的分層中空隙占15%。隨著膜的生長(zhǎng)空隙越來越少且呈線性變化,最后其組分為零。其中ITO材料的色散關(guān)系仍然用方程(3)描述,表面粗糙層中ITO和空隙的混合體用有效介質(zhì)近似(EMA)中的布魯格曼(Bruggeman)模型:∑j=1mfjεj?εεj+Yε=0,(4)∑j=1mfjεj-εεj+Yε=0,(4)式中ε、εj分別是復(fù)合體和第j種材料的介電常量,fj是第j種材料的體積分?jǐn)?shù),Y是相關(guān)的形狀因子。橢偏參量ψ、Δ的擬合結(jié)果如圖5所示。均方根誤差為1.61477,總厚度為140.5nm。各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均優(yōu)于上一種單一均質(zhì)模型,結(jié)果可靠。3.3薄膜的光學(xué)測(cè)試圖6為用層進(jìn)模型擬合ITO薄膜所得的光學(xué)常量色散譜。可看出折射率n的變化范圍在1.8～2.6之間,可見光范圍內(nèi)消光系數(shù)k很小,在350nm波長(zhǎng)處開始明顯變化,且隨著波長(zhǎng)的減小k迅速增加,與相似制備條件下M.Losurdo等報(bào)道的結(jié)果接近。而S.Laux報(bào)道的消光系數(shù)k在400nm處明顯變化;陳猛等所制備的ITO薄膜消光系數(shù)k在430nm處迅速變化。這都是因?yàn)椴煌苽浞椒ㄔ斐闪吮∧さ奈⒔Y(jié)構(gòu)的差異,從而導(dǎo)致ITO薄膜在紫外波段光吸收閾值的不同。擬合所得的不同波長(zhǎng)處的介電常量和光學(xué)常量列入表1。3.4間接帶隙的光學(xué)特性多晶和非晶的ITO材料光吸收既有直接帶間躍遷也有間接帶間躍遷。直接躍遷的吸收光譜中的光學(xué)吸收系數(shù)可用(5)式表示:αhν=Bd(hν?Eg)1/2,(5)αhν=Bd(hν-Eg)1/2,(5)式中Bd是直接躍遷的吸收常量,hν為光子能量,Eg為帶隙,α為吸收系數(shù);間接躍遷的光學(xué)吸收系數(shù)則由(6)式表示:αhν=Bi(hν?Eg)2,(6)αhν=Bi(hν-Eg)2,(6)式中Bi是間接躍遷的吸收常量。將吸收系數(shù)α的α1/2和α2作圖,在兩曲線上沿吸收邊作切線交于橫軸的光子能量值對(duì)應(yīng)的分別是間接帶隙和直接帶隙。由(7)式將橢偏數(shù)據(jù)擬合所得的消光系數(shù)k換算成吸收系數(shù)α:α≡2ωk/c=4πk/λ0,(7)α≡2ωk/c=4πk/λ0,(7)其中λ0為真空中光的波長(zhǎng)。作α1/2和α2關(guān)于波長(zhǎng)的曲線,如圖7所示。作切線與橫軸的交點(diǎn)分別為329.7nm和294.6nm,換算成光子能量是3.8eV和4.2eV。所得的直接帶隙4.2eV與Y.Ohhata、H.ElRhaleb報(bào)道的相符,而間接帶隙3.8eV均高于文獻(xiàn)報(bào)道。這是因?yàn)楸疚乃苽涞腎TO薄膜主要為多晶結(jié)構(gòu)。4薄膜的光學(xué)性能分析用濺射法制備了厚度為140nm的ITO薄膜,利用橢偏技術(shù)對(duì)所制備的薄膜進(jìn)行了測(cè)量和解譜。通過橢偏參量ψ、Δ的擬合圖形、