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上海奥析反射率专用分光光度计在镀膜厚度测试上的应用

2017-4-26 11:20:47      点击:
    许多先进的电子器件、光电器件、显示屏幕和太阳能光伏、光热转换薄膜的制备过程中都涉及到沉积单层或者多层的半导体薄膜。薄膜的光学性质不同于与其相应的块状材料,薄膜特性随不同的工艺变化很大,沉积速率不同会造成薄膜的厚度不同,有可能对整个器件的特性产生很大的影响,因此简单而精确获得薄膜的厚度很重要。现有的膜厚测定方法中,椭偏法[1]是应用最广泛的方法之一。它具有灵敏度高,适合于各种薄膜测量的优点,但是它需要比较复杂的测试设备和建立计算模型,并且其精度受到诸多因素的影响。现在工业中用的台阶仪测量精度高,但是造价非常昂贵,几乎都是从国外进口的。利用干涉方法通过紫外-可见分光光度计测透过率得到膜厚还鲜为报道。
现今越来越多的企业都使用磁控溅射方法制备半导体薄膜,磁控溅射镀膜有一个特点,就是当所有其他条件一定时,薄膜厚度与沉积时间成正比。本研究利用便宜常用的紫外-可见分光光度计测透过率方法,通过简单计算可以得出膜厚。
1。干涉方法测量半导体膜厚原理
当两束振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定的光波相遇时会发生干涉现象。对于半导体薄膜,由于半导体Ⅱ到Ⅵ族元素化合物的特殊性质,半导体材料吸收光子的能量,使电子由能量较低状态跃迁到能量较高的状态。其中最主要的吸收过程是电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收,即带间吸收或本征吸收。引起本征吸收的光子能量必须大于禁带宽度hγ≥hγ0=Eg,即本征吸收限。本征吸收限对应的波长称为本征吸收边。禁带宽度与吸收边之间的换算公式是λc(μm)=1.24/Eg(eV),吸收强度随光子能量(或波长)的变化曲线称为吸收谱,本征吸收边可在吸收谱中明显表现出来,特别是直接能带材料,由于吸收系数大,吸收强度在对于禁带宽度的地方陡峭上升(在透过光谱中陡然下降),大于λc的光可以透过[2]。透明基底上加一层这样的对于大于λc光透明薄膜,单色光在薄膜上表面的反射光和薄膜下表面的反射光相遇时,发生干涉现象。
    利用磁控溅射方法镀膜,膜层厚度与镀膜时间成正比,如图1所示:设空气、薄膜、介质的折射率分别为n1、n2、n3,当镀膜时间改变,相差间隔为Δxmin时,图像移动的距离为Δλ,Δxmin薄膜沉积的厚度改变Δl。薄膜增反减反的条件分别为:

单层薄膜减反条件[3]n1>n2>n3且n2l=λ/4;单层薄膜增反条件n1<n2>n3(或n1>n2<n3)且n2l=λ/4

     对于一种折射率为n2的半导体薄膜,无论满足条件n1<n2>n3或n1>n2<n3,在一定厚度时,λ从190nm到900nm之间变化时一定有一个波长是可以使ITO薄膜增反(或减反)。当薄膜厚度增大时使ITO增反的波长会增大,图像会整体向波长λ大(减反时向λ小)的方向移动,记下移动的Δλ,则在Δxmin沉积的厚度为:Δl=Δλ/4n2(1)
     进而可以知道1min沉积厚度,得出一定时间里沉积薄膜的厚度。实验结果证明了此结论为了证明上述观点本研究做了一些实验。采用射频磁控溅射方法制备了ITO薄膜。在溅射频率、工作气压、气体流量等条件不变的情况下,考虑薄膜沉积厚度与沉积时间成正比关系,仅以一定规律改变薄膜沉积时间,通过紫外可见分光光度计对薄膜测试透过率,计算可以得知厚度。实验设备:KDJ567型三室复合镀膜机、上海奥析反射率镀膜专用紫外-可见分光光度计、台阶仪VEECODEKTAK150Surfaceprofiler
     上海奥析镀膜反射率专用仪器: