氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究解读.docx
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氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究解读
第28卷第2期光学学报
Vol.28,No.22008年2月
ACTAOPTICASINICA
February,2008
文章编号:
0253-2239（200802-0403-06
氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究
孙兆奇
1,2
曹春斌
1,2,3
宋学萍
1,2
蔡琪
1,2
1
安徽大学物理与材料科学学院,安徽合肥230029;
2
光电信息获取与控制教育部重点实验室,安徽合肥230039
3
安徽农业大学理学院,安徽合肥230036
摘要用溅射法在Si片上制备了厚度为140nm的氧化铟锡（ITO薄膜。
X射线衍射研究表明所制备的薄膜为多晶结构。
在1.5~4.5eV范围内对ITO薄膜进行了椭偏测量。
分别用德鲁德-洛伦茨谐振子（Drude+Lorenzoscillators模型、层进模型结合有效介质近似模型对椭偏参量、进行了拟合,得到ITO薄膜的折射指数n的变化范围在1.8~2.6之间,可见光范围内消光系数k接近于零,在350nm波长附近开始明显变化,且随着波长的减小k迅速增加。
计算得到直接和间接光学带隙分别是3.8eV和4.2eV。
并在1.5~4.5eV段给出一套较为可靠的、具有实用价值的ITO介电常量和光学常量。
关键词薄膜光学;椭圆偏振术;光学常量测量;椭偏建模及解谱;ITO薄膜中图分类号O484文献标识码A
收稿日期:
2007-07-04;收到修改稿日期:
2007-10-11
基金项目:
国家自然科学基金（50642038、教育部博士点专项基金（20060357003、安徽省人才专项基金（2004Z029和安徽大学人才队伍建设基金资助课题。
作者简介:
孙兆奇（1955-,男,回族,贵州贵阳人,教授,博士生导师,主要从事薄膜物理方面的研究。
E-mail:
szq@
StudyonEllipsometricSpectraofITOFilm
SunZhaoqi1,2CaoChunbin1,2,3SongXueping1,2CaiQi1,2
1
SchoolofPhysicsandMaterialScience,AnhuiUniversity,Hefei,Anhui230039,China
2
KeyLaboratoryofPhoto-ElectronicInformationAcquisitionandManipulation,MinistryofEducation,
Hefei,Anhui230029,China
3
SchoolofSciences,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China
AbstractIndiumtinoxide（ITOfilmwiththicknessof140nmwasgrownonSisubstratebysputteringmethod.X-raydiffraction（XRDanalysisshowsthatthefilmhasthepolycrystalstructrue.Thefilmwasstudiedwithreflectingspectroscopicellipsometryintheenergyrange1.5~4.5eV.Parameterizedanalyses,basedonLorenzoscillatorscombinedwithDrudemodel,GradedmodelassociatedwithBruggemaneffective-mediumapproximationmodel,wereusedtodeterminetheopticalconstantsandthethicknessofthethinfilm.TheresultsshowthattheindicesofrefractionofITOfilmareintherangeof1.8~2.6andtheextinctioncoefficientsareclosetozerointhevisiblerangeandincreasesharplynearthewavelengthof350nm.TheopticalbandgapoftheITOfilmwasestimated.Asetofapplicableandvaluabledataofdielectriccoefficientsandopticalconstantsofthefilmwerelisted.Keywordsthinfilmoptics;ellipsometry;opticalconstantsmeasurement;ellipsometricmodelbuildingandparameterizedanalyses;ITOfilm
1引言
透明导电薄膜具有接近金属的导电率、可见光范围内的高透射比、红外高反射比以及其半导体特性,广泛地应用于太阳能电池、显示器、气敏元件、抗静电涂层以及半导体/绝缘体/半导体（SIS异质结[1]
、现代战机和巡航导弹的窗口等[2]
。
由于氧化铟锡（ITO薄膜材料具有优异的光电性能,近年来得以迅速发展,特别是在薄膜晶体管（TFT[3]制
造、平板液晶显示器（LCD[4]
、太阳能电池透明电
极[5]以及红外辐射反射镜涂层、交通工具用玻璃除霜、建筑物幕墙玻璃[6]等方面获得广泛应用。
椭偏测量技术因其精度高和非破坏性而越来越受到关注[7~10]。
随着椭偏仪自动化程度的提高,研究者可以快速获得薄膜的椭偏数据,但关键是如何建立适当的模型去拟合椭偏数据以获取薄膜精确的厚度和光学常量。
本文对溅射法制备的ITO薄膜进行了
光学学报28卷
椭偏测量,采用不同的模型解谱,并提供了一套较为可靠的、具有实用价值的ITO薄膜光学常量。
2实验
2.1样品制备
在JGP560型超高真空多功能磁控溅射仪上采用直流磁控溅射工艺制备了ITO透明导电薄膜。
靶材为高纯度（99.99%的氧化铟锡陶瓷靶（质量分数90%In2O3+10%SnO2,60mm,基片为单面抛光硅片。
在样品制备前,硅片先后经丙酮、酒精和去离子水超声各清洗15min,烘箱烘干。
本底真空度6.010-4Pa,基体温度为室温,靶基距6cm,Ar气流量45sccm（标准状态下45ml/min,溅射压强1Pa,溅射电压320V,溅射电流0.14A。
2.2椭偏解谱原理及数据测量
椭圆偏振光谱法是利用椭圆偏振光经薄膜反射后,其偏振状态会随薄膜的厚度和光学性质而改变的特点,来测量薄膜的厚度和光学常量[10,11]。
反射式椭圆偏振光谱仪测量空气-薄膜-基片所构成的单层膜系统情况,如图1
所示。
图1反射式椭偏术单层膜系统模型Fig.1Monolayersystemmodelofreflectiontype
ellipsometry
若一束单色平行光以i0入射角入射到薄膜,则在薄膜表面,利用反射、透射公式进行理论推导。
由多束反射光干涉后的结果,并引入椭偏参量、,得到椭偏参量与入射媒质折射率n0、薄膜厚度d及折射率nF、基片折射率ns、光束的入射角i0和波长的函数关系:
F（,=F（n0,nF,nS,i0,,d,
（1
若膜有吸收,则nF为复折射率,可用nF=n+ik表示（n和k分别为薄膜的光学折射率和消光系数。
方程中存在三个变量n、k、d。
测出不同入射角i0所对应的椭偏参量、随波长的变化数据,建立适当
模型通过解谱软件由（1式算出薄膜的光学常量
n（、k（和膜厚d。
采用RAP-I型入射角和波长可变的反射式全自动椭圆偏振光谱仪,入射角准确度优于0.01。
测量了所制备ITO膜的、在270~775nm光频范围内随波长的变化。
光子能量范围为1.5~4.5eV,能量扫描间隔为0.1eV,入射角为70。
2.3椭偏数据分析
对实验所获得的椭偏数据建立适当的物理模型再利用线性回归分析方法进行解谱。
先从简单理想化的模型开始,逐步将实际的薄膜结构信息考虑到模型中去,使计算的数据向实验数据接近。
最终的模型选择要考虑以下标准:
在全谱范围内计算的数据与实验数据要相当的一致;尽可能小的均方根误差:
RMSE=
n
j=1
Ytargetj-Ycalcj
2
w2j
n
j=1
w
2
j
（2
其中n为测量的椭偏数据（target数目,Ytarget是椭偏参量和的值,Ycalc为拟合得到的椭偏参量计算值,w是每个椭偏测量数据的权重,本实验中均取值为1。
图2ITO薄膜的X射线衍射图
Fig.2X-raydiffraction（XRDpatternforITOfilm
3结果与分析
3.1微结构分析
用MACM18XHF型X射线衍射仪（CuK射线源,管压为40kV,管流为100mA,掠射角为2,扫速为8/min测量了淀积在硅片上的ITO薄膜X射线衍射谱,如图2所示。
根据In2O3的粉末衍射
文件（PDF标准谱图（#71-2195可知,ITO薄膜为In2O3的立方结构,没有发现单质Sn或Sn氧化物（SnO,SnO2的特征峰,表明Sn已经溶入In2O3晶格中形成了固溶体。
（222、（400、（440和（622衍射峰较强,薄膜呈多晶结构。
404
2期孙兆奇等:
氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究
3.2、椭偏解谱3.2.1德鲁德-洛伦茨谐振子模型
在椭偏解谱实际应用中,首先要建立模型。
建立模型有两层含义,其一是薄膜的结构模型,是单层膜还是多层膜,每层膜中是均质结构还是多元结构;其二是各膜层的算法模型,也就是色散关系模型。
通常解谱软件中提供了适应各类材料的算法模型,也可以编辑公式设置自定义模型。
对一些未知材料或者没有其他相应的技术手段预先获知膜厚、膜层结构等信息的薄膜进行拟合,则拟合时模型的建立和拟合参量初始值的设定比较困难。
可先用均质单层模型且参量较少的算法模型。
这样可以较快获得薄膜的厚度。
再考虑薄膜的实际结构,运用较复杂模型进行拟合。
考虑到ITO薄膜既透明又导电,与光场的作用既有自由电子的贡献也有晶格散射贡献,所以首先建立单层均质的德鲁德-洛伦茨谐振模型[13],其色散关系如下:
=
1+
m
j=1
A2
j
（Ecenter2
j-E（E-i
-2p
E（E+i
（3
式中谐振子数j（在此取1,高频介电常量,中心能量Ecenter,谐振子振幅Aj（其数值为
2L-2
T,L
和T分别为纵向和横向光学声子的角频率,等离
子体谐振频率p,碰撞频率。
以上参量的初始设置采用缺省值,结合拟合结果逐一优化更改,直至拟合达到满意效果。
式中E为入射光光子的能量,在输入椭偏数据时可以选择E（单位:
eV也可以选择波长（单位:
nm。
椭偏参量、
的拟合结果如图3所示。
由图可以看出在500nm波长附近、在700nm附近拟合的均不够理想。
结果所得均方根误差为2.5358,厚度为123.7nm。
图3用德鲁德-洛伦茨谐振模型拟合、结果
Fig.3FitresultsofandbyDrude-Lorenzoscillatormodel
3.2.2层进模型[14]
利用单层德鲁德-洛伦茨谐振模型拟合得到薄
膜的大致厚度为120nm左右。
由于在制备过程中薄膜的岛状生长模式使得靠近基片表面的薄膜有空隙,随着膜厚的增加,薄膜的空隙越来越少,而空隙的组分比随着膜厚的增加可以看成线性递减[12,13]。
对于常温下制备且未退火的薄膜,通常有一层表面粗糙层。
而上一种模型则认为整个薄膜是匀质的,必然会造成拟合结果与实际的偏差。
设置的模型如图4所示。
膜的最上部是表面粗糙层,ITO和空隙体积分数各占50%,厚约8nm。
表面层以下是ITO层,
该层的总厚度设为125nm。
将其分为10个等厚的分层,设膜基界面处的分层中空隙占15%。
随着膜的生长空隙越来越少且呈线性变化,最后其组分为零。
其中ITO材料的色散关系仍然用方程（3描述,表
图4层进模型设置图Fig.4Filmsetbygradedmodel
面粗糙层中ITO和空隙的混合体用有效介质近似（EMA中的布鲁格曼（Bruggeman模型:
m
j=1
fjj-j+Y=0,（4式中、j分别是复合体和第j种材料的介电常量,fj
是第j种材料的体积分数,Y是相关的形状因子。
405
光学学报28卷
椭偏参量、的拟合结果如图5所示。
均方根误差为1.61477,总厚度为140.5nm。
各项标准均
优于上一种单一均质模型,
结果可靠。
图5用层进模型拟合、结果Fig.5Fitresultsof,bygradedmodel
3.3光学常量
图6为用层进模型拟合ITO
薄膜所得的光学常量色散谱。
图6层进模型拟合所得ITO薄膜的光学常量
Fig.6OpticalconstantsofITOfilmobtainedbyusingGradedmodel
可看出折射率n的变化范围在1.8~2.6之间,可见光范围内消光系数k很小,在350nm波长处开始明显变化,且随着波长的减小k迅速增加,与相似制备条件下M.Losurdo等
[13]
报道的结果接近。
而
S.Laux[17]
报道的消光系数k在400nm处明显变化;陈猛等[18]所制备的ITO薄膜消光系数k在430nm处迅速变化。
这都是因为不同制备方法造成了薄膜的微结构的差异,从而导致ITO薄膜在紫外波段光吸收阈值的不同。
拟合所得的不同波长处的介电常量和光学常量列入表1。
表1不同波长处的ITO薄膜介电常量和光学常量Table1Dielectricconstantsandopticalconstants
ofITOfilmindifferentwavelength
E/eV1
2
kn1.500003.127000.348150.094161.791101.600163.241890.243040.067441.801791.70022
3.41012
0.19255
0.05211
1.84739
（续表一
E/eV1
2
kn1.800203.555770.151140.040071.886101.900083.683620.116440.030331.919522.000003.797630.086670.022241.948882.100293.901030.060440.015301.975162.200183.995470.036920.009231.998892.300194.083470.015140.003752.020762.400394.166770.005600.001372.041272.500104.246310.025800.006262.060672.600254.324170.046230.011122.079492.700504.401340.067440.016072.098002.800544.478830.090000.021262.116432.900124.557660.114600.026842.135043.000484.640160.142440.033062.154363.100274.726650.174310.040082.174463.200314.819440.211930.048262.195853.300854.920750.257510.058022.219033.400445.031240.313140.069772.244133.50028
5.15473
0.38342
0.08438
2.27197
406
2期孙兆奇等:
氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究
（续表二
E/eV1
2
kn3.600935.295090.474970.103102.303423.700905.453540.595510.127312.338753.800745.633530.759340.159602.378873.901205.837050.990300.204222.424624.000656.053581.319340.266552.474804.101226.258711.808550.357822.527204.201296.363812.522910.490842.569974.300386.170963.489970.677692.574924.401145.343714.543440.913902.485744.50018
3.84349
5.03103
1.11528
2.25551
3.4吸收系数与光学带隙
多晶和非晶的ITO材料光吸收既有直接带间跃迁也有间接带间跃迁[19]
。
直接跃迁的吸收光谱中的光学吸收系数可用（5式表示:
h=Bdh-Eg
1/2
（5
式中Bd是直接跃迁的吸收常量,h为光子能量,Eg
为带隙,为吸收系数;间接跃迁的光学吸收系数则由（6式表示:
h=Bi（h-Eg2
（6
式中Bi是间接跃迁的吸收常量。
将吸收系数的1/2
和2
作图,在两曲线上沿
吸收边作切线交于横轴的光子能量值对应的分别是间接带隙和直接带隙。
由（7式[20]将椭偏数据拟合所得的消光系数k换算成吸收系数:
2k/c=4k/0,（7
其中
0为真空中光的波长。
作1/2和2
关于波长的
曲线,如图7所示。
图71/2和2
关于波长的图像
Fig.71/2and2
asafunctionofthewavelength
作切线与横轴的交点分别为329.7nm和294.6nm,换算成光子能量是3.8eV和4.2eV。
所得的直接带隙4.2eV与Y.Ohhata[12]
、H.El
Rhaleb[12]
报道的相符,而间接带隙3.8eV均高于
文献报道[17,12]
。
这是因为本文所制备的ITO薄膜
主要为多晶结构。
4结论
用溅射法制备了厚度为140nm的ITO薄膜,利用椭偏技术对所制备的薄膜进行了测量和解谱。
通过椭偏参量、的拟合图形、均方根误差和拟合时各个变量之间的影响因子等标准判断可知,用层进模型比德鲁德-洛伦茨谐振模型拟合效果更好,且符合薄膜的真实结构。
得到ITO薄膜的折射指数n的变化范围在1.8~2.6之间,可见光范围内消光系数k很小,在350nm波长附近开始明显变化,且随着波长的减小k迅速增加。
并给出光学常量在1.5~4.5eV波段的数值。
进一步计算得到了所制备ITO薄膜的直接光学带隙为4.2eV,间接光学带隙为3.8eV。
参
考
文
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9ZhaoPei,WuFuqu
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