氧化铟锡薄膜的椭偏光谱研究解读Word文件下载.docx

1、椭圆偏振术;光学常量测量;椭偏建模及解谱;IT O 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:szqStudy on Ellipsometric Spe ctra of ITO FilmSun Zhao qi 1,2 Cao Chunbin 1,2,3 S

2、o ng Xueping 1,2 Cai Qi 1,2School of Phy si cs an d Ma ter ia l Scien ce ,Anhu i Univ er sity ,Hefei ,Anhu i 230039,Chin aKey La bor a tor y of Photo -Electr on ic In f or m at ion Acquisition an d Ma nipu lat ion ,M inistr y of Educa tion ,Hefei ,Anhu i 230029,Chin aSchool of S ciences ,An hu i Agr

3、 icu ltu r al Un iver sity ,Hef ei ,An hui 230036,Chin aAbstract I ndium tin oxide （I TOfilm with thickness of 140nm was grown on Si substrate by sputtering method.X -ray diffrac tion （XRDanalysis shows that the film has t he polycrystal structrue.The film was studied with reflecting spec troscopic

4、ellipsometry in the energy range 1.54.5eV.Pa rameterized analyses,based on Lorenz oscillators combined with Drude model,Graded model associa ted with Bruggeman effective -medium approxim ation m odel,were used to determine the optical constants and the thickness of the thin film.The results show tha

5、t the indices of refraction of I TO film are in the range of 1.82.6and the extinction coefficients are close to zero in the visible range and increase sharply near the wavelength of 350nm.The optical band gap of the ITO film was estimated.A set of applicable and valuable data of dielectric coefficie

6、nts and optica l constants of the film were listed.Key wo rds thin film optic s;ellipsometry;optical constants measurement;ellipsometric model building and parameterized analyses;ITO film1 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。

7、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（LCD4、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710。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JGP

8、560 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IT O 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%In 2O 3+10%SnO 2, 60m m,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6.0 10-4Pa,基体温度为室温,靶基距6cm ,Ar 气流量45sccm （标准状态下45ml/m in,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

9、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F ig.1M ono layer system model o f reflection typeellipsometr y若一束单色平行光以i 0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n 0、薄膜厚度d 及折射率n F 、基片折射率n s 、光束的入射角i 0和波长 的函数关系:F（ , =F（n 0,n F ,n S ,i 0, ,d,（1若膜有吸收,则

10、n F 为复折射率,可用n F =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i 0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270775nm 光频范围内随波长 的变化。光子能量范围为1.54.5eV,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

11、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 =nj =1Y target j -Y calc jw 2jwj,（2其中n 为测量的椭偏数据（tar get数目,Y target 是椭偏参量 和 的值,Y calc 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2IT O 薄膜的X 射线衍射图F ig.2X -ray diff ractio n （XRDpatt er n for I T O film

12、3 结果与分析3.1 微结构分析用M AC M18XH F 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 /m in测量了淀积在硅片上的IT O 薄膜X 射线衍射谱,如图2所示。根据In 2O 3的粉末衍射文件（PDF标准谱图（#71-2195可知,IT O 薄膜为In 2O 3的立方结构,没有发现单质Sn 或Sn 氧化物（SnO,SnO 2的特征峰,表明Sn 已经溶入In 2O 3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。4042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

13、-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

14、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+mj=1A 2（E center 2j -E（E -i - 2pE（E +i ,（3式中谐振子数j （在此取1,高频介电常量 ,中心能量E center ,谐振子振幅A j （其数值为2L - 2T , 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、

15、 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F ig.3F it results o f and by Dr ude -L orenz o scillator model3.2.2 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

16、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,IT O 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IT O 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F ig.4F ilm set by g raded mo del面粗糙层中IT O 和空隙的混合体用有效介质近似（EM A中的布鲁格曼（Brugg em an模型:f j j - j +Y =0,（4式中 、 j 分别是复合体和第

17、j 种材料的介电常量,f j是第j 种材料的体积分数,Y 是相关的形状因子。405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.5Fit results of , by g raded model3.3 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IT O 薄膜的光学常量F ig.6O ptical constants o f IT O f ilm o bta ined by using Gr aded model可看出折射率n 的变化

18、范围在1.82.6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.Lo surdo 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IT O 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IT O 薄膜介电常量和光学常量T able 1Dielect ric constants and o pt ical con

19、stantsof IT O film in different wav elengthE /eV 1k n 1.50000 3.127000.348150.09416 1.791101.60016 3.241890.243040.06744 1.801791.700223.410120.192550.052111.84739（续表一k n 1.80020 3.555770.151140.04007 1.886101.90008 3.683620.116440.03033 1.919522.00000 3.797630.086670.02224 1.948882.10029 3.901030.0

20、60440.01530 1.975162.20018 3.995470.036920.00923 1.998892.30019 4.083470.015140.00375 2.020762.40039 4.166770.005600.00137 2.041272.50010 4.246310.025800.00626 2.060672.60025 4.324170.046230.01112 2.079492.70050 4.401340.067440.01607 2.098002.80054 4.478830.090000.02126 2.116432.90012 4.557660.11460

21、0.02684 2.135043.00048 4.640160.142440.03306 2.154363.10027 4.726650.174310.04008 2.174463.20031 4.819440.211930.04826 2.195853.30085 4.920750.257510.05802 2.219033.40044 5.031240.313140.06977 2.244133.500285.154730.383420.084382.27197406（续表二k n 3.60093 5.295090.474970.10310 2.303423.70090 5.453540.

22、595510.12731 2.338753.80074 5.633530.759340.15960 2.378873.90120 5.837050.990300.20422 2.424624.00065 6.05358 1.319340.26655 2.474804.10122 6.25871 1.808550.35782 2.527204.20129 6.36381 2.522910.49084 2.569974.30038 6.17096 3.489970.67769 2.574924.40114 5.34371 4.543440.91390 2.485744.500183.843495.

23、031031.115282.255513.4 吸收系数与光学带隙多晶和非晶的IT O 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 =B d h -E g1/2,（5式中B d 是直接跃迁的吸收常量,h 为光子能量,E g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 =B i （h -E g 2,（6式中B i 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 :2 k /c =4

24、k/ 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7 1/2和 2关于波长的图像Fig.7 1/2and 2as a functio n o f the waveleng th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.ElRhaleb 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IT O 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。

25、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1.54.5eV 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 。参考文献1H.Nan to,T.M inami,S.Shooji et al.Electrical and opticalproperties of

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