氫化非晶硅薄膜制備及其橢圓偏振光譜測(cè)試分析

　　射頻磁控濺射法制備a-Si:H 薄膜，利用橢圓偏振光譜對(duì)不同氣壓下a-Si:H 薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和研究。薄膜采用雙層光學(xué)模型，通過(guò)Forouhi-Bloomer 模型對(duì)橢圓偏振光譜參數(shù)進(jìn)行擬合，獲得450-850 nm 光譜區(qū)域的a-Si:H 薄膜光學(xué)參數(shù)值。結(jié)果表明，隨著工作氣壓增加，薄膜厚度增厚，沉積速率升高;相同工作氣壓下，隨偏振光波長(zhǎng)增大，折射率呈下降趨勢(shì);相同波長(zhǎng)偏振光下，折射率隨工作氣壓上升而下降，折射率變化范圍在3.5-4.1;消光系數(shù)隨著工作氣壓增大呈略微增大的趨勢(shì)。根據(jù)吸收系數(shù)與消光系數(shù)的關(guān)系，獲得了薄膜的吸收譜，測(cè)算出不同工作氣壓下a-Si:H 薄膜的光學(xué)帶隙為1.63 eV-1.77 eV。

　　氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜是一種重要的光電功能材料。它具有光吸收率高、隙態(tài)密度低、電阻溫度系數(shù)大、可大面積低溫(<400 ℃)成膜、易摻雜、基片種類(lèi)不限、與硅半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。

　　近幾年來(lái)a-Si:H 薄膜在太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管、液晶顯示和光電探測(cè)等領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。a-Si:H 薄膜在研究和應(yīng)用過(guò)程中，折射率和消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)的分析和研究非常重要，對(duì)其精確測(cè)量更為重要。橢圓偏振光譜法(spectroscopic ellipsometry，SE)是表征半導(dǎo)體薄膜光學(xué)和結(jié)構(gòu)特性的有效手段，是一種主動(dòng)的、非破壞性的、無(wú)擾動(dòng)的、非介入測(cè)量薄膜厚度和光學(xué)性能的方法，具有測(cè)量精度高、靈敏度高、方便快捷等特點(diǎn)。光是一種電磁波，電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度及光的傳播方向共同構(gòu)成右旋的正交三矢族，偏振態(tài)與光的強(qiáng)度、位相、頻率等參量一樣也是光的基本量之一。若已知入射光束的偏振態(tài)，再測(cè)得光束透過(guò)薄膜后的偏振態(tài)，前后對(duì)比就能確定該薄膜的光學(xué)參量，如薄膜厚度、消光系數(shù)、折射率等。

　　本文利用橢圓偏振光譜儀(430 nm~850 nm)，簡(jiǎn)稱(chēng)橢偏儀，測(cè)量了射頻磁控濺射法制備的不同氣壓下的a-Si:H 薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)，考慮到薄膜上表面的粗糙度，建立了雙層光學(xué)模型，采用非線性回歸計(jì)算方法，并與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，根據(jù)吸收系數(shù)和消光系數(shù)的關(guān)系，獲得了薄膜的吸收譜圖，測(cè)算了a-Si:H 薄膜的光學(xué)帶隙。

1、實(shí)驗(yàn)

　　本文利用沈陽(yáng)慧宇公司生產(chǎn)的SY-500 射頻濺射系統(tǒng)制備了a-Si:H 薄膜。襯底分別為n 型Si片(面積l×l.5 cm2、電阻率2~8 Ω·cm、取向(100))和普通玻璃片，襯底在使用前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格清洗：在標(biāo)準(zhǔn)洗液(硫酸的高錳酸鉀飽和溶液)中浸泡24 h;然后，依次用甲苯、丙酮和乙醇分別超聲清洗15 min，其間用去離子水反復(fù)沖洗;最后，將清洗干凈的襯底放在分析純的乙醇中避光保存，待用。選用純度為99.999%的Si 靶，工作氣體為Ar和H2 的混合氣體，H2 所占比例為20%，射頻濺射功率為340 W，本底真空抽至小于8.0×10-5 Pa，襯底溫度為280 ℃，鍍膜時(shí)間為90 min。實(shí)驗(yàn)中，改變工作氣壓為0.1、0.3、0.4 Pa，研究工作氣壓對(duì)a-Si:H 薄膜光學(xué)參數(shù)的影響。

　　利用法國(guó)HORIBA 公司生產(chǎn)的MM-16 橢圓偏振光譜儀采用反射法測(cè)量了薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)，測(cè)量時(shí)光的入射角是70°，光子能量為1.5 eV～2.9 eV(掃描波長(zhǎng)范圍：430 nm~850 nm)，掃描能量間隔是0.02 eV，根據(jù)測(cè)量結(jié)果獲得薄膜的吸收光譜，并利用Tauc 公式測(cè)算了a-Si:H 薄膜的光學(xué)帶隙。

3、結(jié)論

　　本文采用射頻磁控濺射法制備了a-Si:H 薄膜，通過(guò)橢圓偏振光譜對(duì)不同氣壓下薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和研究。薄膜采用雙層光學(xué)模型，利用Forouhi-Bloomer 模型進(jìn)行擬合，擬合過(guò)程中采用Levenberg-Marquadt 算法的非線性回歸計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值擬合效果較好。研究發(fā)現(xiàn)，隨著工作氣壓增加，薄膜厚度增加，沉積速率升高。隨工作氣壓增加，薄膜的折射率降低，變化范圍為3.5~4.1;相同工作氣壓時(shí)，折射率隨入射光波長(zhǎng)增加先略微增加而后下降。消光系數(shù)k 隨入射光波長(zhǎng)增加呈下降趨勢(shì);隨工作氣壓的增大消光系數(shù)大體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。另外，根據(jù)吸收系數(shù)與消光系數(shù)的關(guān)系，獲得了薄膜的吸收譜，測(cè)算出不同工作氣壓下a-Si:H 薄膜的光學(xué)帶隙為1.63 eV~1.77 eV。本文的模型建立和測(cè)量分析在光電薄膜的研究中有參考價(jià)值，表明橢圓偏振光譜學(xué)在薄膜光學(xué)性質(zhì)研究方面具有重要應(yīng)用前景。