氢化非晶硅薄膜制备及其椭圆偏振光谱测试分析

　　射频磁控溅射法制备a-Si:H 薄膜，利用椭圆偏振光谱对不同气压下a-Si:H 薄膜的厚度、折射率和消光系数进行了测试和研究。薄膜采用双层光学模型，通过Forouhi-Bloomer 模型对椭圆偏振光谱参数进行拟合，获得450-850 nm 光谱区域的a-Si:H 薄膜光学参数值。结果表明，随着工作气压增加，薄膜厚度增厚，沉积速率升高;相同工作气压下，随偏振光波长增大，折射率呈下降趋势;相同波长偏振光下，折射率随工作气压上升而下降，折射率变化范围在3.5-4.1;消光系数随着工作气压增大呈略微增大的趋势。根据吸收系数与消光系数的关系，获得了薄膜的吸收谱，测算出不同工作气压下a-Si:H 薄膜的光学带隙为1.63 eV-1.77 eV。

　　氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜是一种重要的光电功能材料。它具有光吸收率高、隙态密度低、电阻温度系数大、可大面积低温(<400 ℃)成膜、易掺杂、基片种类不限、与硅半导体工艺兼容等优点。

　　近几年来a-Si:H 薄膜在太阳能电池、薄膜晶体管、液晶显示和光电探测等领域有着越来越广泛的应用。a-Si:H 薄膜在研究和应用过程中，折射率和消光系数等光学参数的分析和研究非常重要，对其精确测量更为重要。椭圆偏振光谱法(spectroscopic ellipsometry，SE)是表征半导体薄膜光学和结构特性的有效手段，是一种主动的、非破坏性的、无扰动的、非介入测量薄膜厚度和光学性能的方法，具有测量精度高、灵敏度高、方便快捷等特点。光是一种电磁波，电场强度、磁场强度及光的传播方向共同构成右旋的正交三矢族，偏振态与光的强度、位相、频率等参量一样也是光的基本量之一。若已知入射光束的偏振态，再测得光束透过薄膜后的偏振态，前后对比就能确定该薄膜的光学参量，如薄膜厚度、消光系数、折射率等。

　　本文利用椭圆偏振光谱仪(430 nm~850 nm)，简称椭偏仪，测量了射频磁控溅射法制备的不同气压下的a-Si:H 薄膜的厚度、折射率和消光系数，考虑到薄膜上表面的粗糙度，建立了双层光学模型，采用非线性回归计算方法，并与测量数据进行拟合，得到了较好的实验结果。最后，根据吸收系数和消光系数的关系，获得了薄膜的吸收谱图，测算了a-Si:H 薄膜的光学带隙。

1、实验

　　本文利用沈阳慧宇公司生产的SY-500 射频溅射系统制备了a-Si:H 薄膜。衬底分别为n 型Si片(面积l×l.5 cm2、电阻率2~8 Ω·cm、取向(100))和普通玻璃片，衬底在使用前经过严格清洗：在标准洗液(硫酸的高锰酸钾饱和溶液)中浸泡24 h;然后，依次用甲苯、丙酮和乙醇分别超声清洗15 min，其间用去离子水反复冲洗;最后，将清洗干净的衬底放在分析纯的乙醇中避光保存，待用。选用纯度为99.999%的Si 靶，工作气体为Ar和H2 的混合气体，H2 所占比例为20%，射频溅射功率为340 W，本底真空抽至小于8.0×10-5 Pa，衬底温度为280 ℃，镀膜时间为90 min。实验中，改变工作气压为0.1、0.3、0.4 Pa，研究工作气压对a-Si:H 薄膜光学参数的影响。

　　利用法国HORIBA 公司生产的MM-16 椭圆偏振光谱仪采用反射法测量了薄膜的厚度、折射率和消光系数，测量时光的入射角是70°，光子能量为1.5 eV～2.9 eV(扫描波长范围：430 nm~850 nm)，扫描能量间隔是0.02 eV，根据测量结果获得薄膜的吸收光谱，并利用Tauc 公式测算了a-Si:H 薄膜的光学带隙。

3、结论

　　本文采用射频磁控溅射法制备了a-Si:H 薄膜，通过椭圆偏振光谱对不同气压下薄膜的厚度、折射率和消光系数进行了测试和研究。薄膜采用双层光学模型，利用Forouhi-Bloomer 模型进行拟合，拟合过程中采用Levenberg-Marquadt 算法的非线性回归计算方法，实验值与理论计算值拟合效果较好。研究发现，随着工作气压增加，薄膜厚度增加，沉积速率升高。随工作气压增加，薄膜的折射率降低，变化范围为3.5~4.1;相同工作气压时，折射率随入射光波长增加先略微增加而后下降。消光系数k 随入射光波长增加呈下降趋势;随工作气压的增大消光系数大体呈现增加的趋势。另外，根据吸收系数与消光系数的关系，获得了薄膜的吸收谱，测算出不同工作气压下a-Si:H 薄膜的光学带隙为1.63 eV~1.77 eV。本文的模型建立和测量分析在光电薄膜的研究中有参考价值，表明椭圆偏振光谱学在薄膜光学性质研究方面具有重要应用前景。