靶磁控濺射沉積法制備a-sih薄膜的光譜研究

0薄膜厚度和光學常測試隨著電子儀器的發(fā)展，a-si:h薄膜具有高光裕性、禁帶寬度的可控、高阻值溫度系數(shù)、低熱導率、大規(guī)模低溫處理膜、膜積累基質的類型、生產(chǎn)工藝簡單、硅半技術的適應性等優(yōu)點，因此引起了人們的關注。它已廣泛應用于太陽能電池、薄膜場效應管、顯性成像、紅外成像等領域。薄膜的厚度和光學體積在很大程度上決定了薄膜的力學、光學和物理性能。厚度和光學常數(shù)的輕微變化可能會嚴重影響整個設備的性能。正確確定光學細膜的厚度和光學常量對于正確使用膜膜的使用非常重要。目前，有許多測量方法，如橢圓法、階厚法、鏡面論法等。然而，這些方法具有測量過程復雜、精度低、測量過程中薄膜容易損壞等缺點。相比之下，反射和透射光譜法只是一種更實用的測量方法，測量值的穩(wěn)定性、精確度和非損傷度相同。本文基于薄膜的反射和透射光譜,根據(jù)薄膜干涉效應,來確定薄膜的吸收系數(shù)、消光系數(shù)、折射率和薄膜厚度等參量.利用這些參量計算得出的薄膜透射譜,與實驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證了該方法的準確性.同時該方法的計算過程不基于最小值優(yōu)化算法,無需復雜軟件輔助,計算簡單、速度快,是確定a-Si:H薄膜厚度及光學常量的一種有效方法.1薄膜厚度的測量本工作利用對靶磁控反應濺射技術制備了a-Si∶H薄膜.濺射采用2inch的對靶設備,純度99.999%的Si作為靶材,樣品位于濺射靶底2cm位置,以石英作為襯底,背景真空度為6×10-4Pa.每次濺射前在Ar環(huán)境中放電半小時,以除去Si靶表面的氧化層及其他雜質.采用H2作為反應氣體源,沉積氣壓控制在0.6Pa,Ar和H2流量分別為15sccm和20sccm,濺射功率23W,沉積時間3h.采用ZolixSBP300型紫外-可見透射光譜儀測量所制備樣品在500~1100nm范圍的透射光譜和反射光譜.圖1中給出了光正入射薄膜系統(tǒng)的示意圖,薄膜系統(tǒng)置于空氣中,空氣折射率n0=1.0,薄膜復折射率?n=n+iκn?=n+iκ,其中n為折射率,κ為消光系數(shù).薄膜厚度為d,選用石英作為襯底,折射率為s.正入射時薄膜透射光譜和準正入射時薄膜反射光譜的測量結果示于圖2,由圖可見波長小于500nm范圍為強吸收區(qū)域,波長大于570nm的反射和透射光譜曲線上具有周期性變化的干涉峰,這是入射光在薄膜層的多光束干涉造成.若薄膜厚度不均勻,則經(jīng)過不同薄膜厚度的光反射或透射后,干涉峰相互疊加,其光譜中不出現(xiàn)干涉峰或干涉峰不明顯.圖2中明顯的干涉峰和較大的調(diào)制深度表明,實驗中制備的a-Si:H薄膜厚度比較均勻.2理論計算2.1薄膜的光學性質由于薄膜干涉效應,其透射光譜T和反射光譜R均存在干涉峰,直接由透射光譜計算得到的吸收光譜在帶隙吸收區(qū)和指數(shù)吸收區(qū)表現(xiàn)出很強的干涉峰,從而對薄膜光學常量的準確計算造成干擾.而T/(1-R)曲線呈單調(diào)增加趨勢,因此利用該單調(diào)性計算薄膜的吸收系數(shù)α,即α=-1dln(Τ1-R)(1)α=?1dln(T1?R)(1)再利用吸收系數(shù)與消光系數(shù)關系α=4πκ/λ,給出薄膜的消光系數(shù)κ.圖3中給出了a-Si:H薄膜的(αE)1/2與E的關系曲線及消光系數(shù)譜線,其中E為入射光子的能量.從圖中可以看出,薄膜帶隙為1.77eV,這是典型的a-Si∶H薄膜特征.2.2薄膜透射結果的法分析采用Origin繪圖軟件,繪出圖2透射光譜中的干涉極大點和極小點的包絡線,并對其進行多項式擬和得到TM(λ)和Tm(λ),如圖4,TM(λ)為上包絡線,Tm(λ)為下包絡線.由于材料的色散效應,a-Si∶H薄膜的折射率是隨光波長變化的.為更加準確地利用透射譜的干涉效應來確定薄膜的厚度,需要在計算過程中考慮折射率隨波長變化的影響.首先根據(jù)實驗測得的石英襯底透射率Ts(λ)來確定襯底折射率.由于石英襯底厚度比沉積的薄膜大幾個量級,不考慮光在襯底層的干涉,并忽略襯底的吸收.這時襯底折射率s滿足s=1/Ts+(1/Ts-1)1/2(2)再利用透射光譜包絡線TM(λ)和Tm(λ)給出薄膜的折射率n1n1=[N1+(N2121-s2)1/2]1/2(3)式中,N1=2s(TM-Tm)/TMTm+(s2+1)/2.取透射光譜干涉峰中兩相鄰透射最大值(或最小值)所對應的入射光波長λ1和λ2,n1(λ1)和n1(λ2)是入射光波長λ1和λ2所對應的折射指數(shù),則由干涉極值條件得出薄膜厚度為d1(λ)=λ1λ22[λ1n1(λ2)-λ2n1(λ1)](4)d1(λ)=λ1λ22[λ1n1(λ2)?λ2n1(λ1)](4)由式(2)~(4)計算出的薄膜系統(tǒng)參量s、n1、d1列于表1,d1列中數(shù)值與其它值明顯偏離的舍去,然后再對其求平均值ˉd1d1ˉˉˉ以減小測量誤差.計算所得a-Si∶H薄膜厚度平均值ˉd1d1ˉˉˉ和平均方差σ1也列于表1中.從式(4)確定的薄膜厚度易受擬合得到的TM(λ)、Tm(λ)和計算得到的折射率誤差的影響,因此與實際值會有一定偏差,為了進一步精確確定薄膜厚度,將計算出的n1(λ)和ˉd1代入干涉極值公式2n1ˉd1=m0λ(5)由此得出干涉級數(shù)m0.進一步,由于波峰干涉級數(shù)應為整數(shù),而波谷干涉級數(shù)應為半整數(shù),并且相鄰波峰或波谷的干涉級數(shù)應相差1.因此當計算得到的干涉級數(shù)不符合上述要求時,需要對相鄰的干涉級數(shù)加以調(diào)整,偏差較大的數(shù)值予以去除,調(diào)整后的干涉級數(shù)m0見表1中m列.這時再將n1(λ)和m代入干涉極值公式2n1d2=mλ(6)重新計算得到的薄膜厚度d2,以及計算出的薄膜厚度平均值ˉd2和平均方差σ2,也列于表1.σ2相對σ1顯著降低,這表明經(jīng)過優(yōu)化后的薄膜厚度值ˉd2更為準確.將優(yōu)化后的薄膜厚度ˉd2和干涉級數(shù)m代入干涉極值公式2n2ˉd2=mλ(7)給出薄膜在相應波長下的折射率n2(也列于表1中),此薄膜折射率更加精確.利用柯西公式n(λ)=a+b/λ2(8)對n2進行擬合,擬合參量a=2.72,b=2.12×105,得出的a-Si∶H簿膜的色散曲線如圖5.由圖可見隨著入射光波長的減小,a-Si∶H薄膜折射指數(shù)從近紅外光區(qū)2.9(1082nm)逐漸增大到可見光區(qū)的3.3(598nm).由此得出的薄膜色散曲線n2(λ)數(shù)據(jù)可以用于精確計算薄膜透射率.另外,圖中最后一個數(shù)據(jù)點(1082nm處)與擬合曲線具有較大的偏差,這是由于在繪制透射譜峰的包絡線時,1082nm附近取點存在較大誤差所致.由式(4)可見,薄膜厚度的準確性主要取決于材料色散關系的準確性,這里折射率數(shù)值與透射譜包絡線的選取密切相關,包絡線的不合理擬合會直接導致薄膜厚度計算的誤差.再加上測量儀器的誤差,因此采用不同波峰、波谷組合計算得到的薄膜厚度之間總會存在一定的偏差.通過多點測量然后求平均值的方法,可以大大減小上述因素引入的誤差.當a-Si∶H薄膜厚度在幾百納米~微米范圍內(nèi)時,由透射譜干涉效應確定的a-Si:H薄膜厚度較為準確.2.3薄膜透射曲線與光學困境光線正入射圖1所示薄膜系統(tǒng)時,考慮光在系統(tǒng)三個界面上的多次反射和透射,當薄膜消光系數(shù)遠小于其折射率(κ<<n)時,系統(tǒng)的透射率為Τ(λ,s,n,d,κ)=AxaB-Cxacosφ+Dx2a(9)式中,A=16n2s,B=(n+1)3(n+s2),C=2(n2-1)(n2-s2),D=(n-1)3(n-s2),φ=4πnd/λ,xa=e-αd.為檢驗本理論計算光學常量的準確性,將前面計算得到的a-Si∶H薄膜光學常量和薄膜厚度ˉd2代人式(9),計算得到a-Si∶H薄膜系統(tǒng)透射曲線,并與實驗測量數(shù)據(jù)進行對比,結果示于圖6.由圖可見在紫外、可見和近紅外區(qū)計算結果與測量數(shù)據(jù)基本符合,在579nm附近存在較大偏差,但在各參量計算過程中已去除了此點的影響.3薄膜的x射線衍射通過對a-Si:H薄膜透射光譜分析表明,所制備的a-Si∶H薄膜厚度均勻.利用T/(1-R)方法確定薄膜的吸收系數(shù),進而得到薄膜的消光系數(shù).薄膜的(αE)1/2與E的關系曲線表明所制備薄膜具有典型的非晶硅薄膜特征.通過擬合薄膜透射光譜干涉極大值和極小值的包絡線來確定薄膜折射率和厚