一种简单的光学薄膜厚度测量方法

第48卷第5期2011年9月

真空VACUUM

Vol. 48, No. 5Sep. 2011

一种简单的光学薄膜厚度测量方法

门智新，何翔，孙奉娄

（中南民族大学，湖北武汉430074）

摘

要：使用紫外可见分光光度计测量光学薄膜，获得透过率图谱或者反射、吸收谱，利用薄膜上下表面光的干涉原理，通过简单计算，就可以方便快捷地估算出薄膜厚度。用磁控溅射法制备了ITO 薄膜，使用该干涉法和台阶仪分别测量了膜厚，将结果进行了对比。结果表明，干涉法测量光学薄膜简单、快捷，设备要求不高，实用性强，方法可行。关键词：半导体；透过率；光的干涉；膜厚中图分类号：TB43;TP212.1

文献标识码：B

文章编号：1002-0322（2011）05-0032-03

A simple method of optical film thickness measurement

MEN Zhi-xin, HE Xiang, SUN Feng-lou

(South-centraluniversity for nationalities, Wuhan 430074，China)

Abstract:The transmittance spectra of optical films were tested by UV -Vis spectrophotometer. According to the optical

interference principle of thin films, the film thickness could be easily estimated through calculation. The thickness of ITO films prepared by magnetron sputtering were tested by the interference method and step profiler respectively. The results were compared and showed that the interference method is simple, fast, practical and feasible.

Key words:semiconductor ; transmittance; optical interference; film thickness

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h γ≥h γ0=E g ，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/E g (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

收稿日期：2011-04-26

作者简介：门智新（1981-），女，内蒙古自治区乌海市人，硕士。

通讯作者：孙奉娄，教授。

第5期门智新，等：一种简单的光学薄膜厚度测量方法

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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n 1、n 2、n 3，当镀膜时间改变，相差间隔为Δx min 时，图像移动的距离为Δλ，Δx min 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]n 1＞n 2＞n 3且n 2l =λ/4；单层薄膜增反条件n 1＜n 2＞n 3(或n 1＞n 2＜n 3) 且n 2l =λ/4。

太阳能电池等做透特性，被广泛应用于显示器、

明电极。本文使用磁控溅射法制备ITO 薄膜，考察膜层厚度随时间变化的规律[4~7]。

本研究的实验条件是：射频磁控溅射法，溅射功率为60W ，靶基距为50mm ，基底温度120℃，工作气压为0.2Pa 。

各样品的可见-紫外透过率谱线图见图2所示。由图2可以看出，1#到5#样品透过率图像依次整体向λ大的方向移动，平均每个样品移动100nm ，ITO 的折射率n 2为2.0，由导出公式（1），得出Δl 为14.5nm ，即每3min 沉积厚度为14.5nm ，沉积速率为4.8nm/min。

图1

Fig.1

光通过薄膜上下表面干涉示意图

Schematic of the optical interference principle of thin films

对于一种折射率为n 2的半导体薄膜，无论满足条件n 1＜n 2＞n 3或n 1＞n 2＜n 3，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Δx min 沉积的厚度为：Δl =Δλ/4n 2（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。

Fig.2

图2ITO 透过率谱线图

Transmittance spectra of ITO thin films

表1ITO 样品制备时间与膜厚的关系

Table 1Relationship between the preparation time and

film thickness of ITO samples

ITO 样品号(#)时间（min ）台阶仪测厚度(nm)干涉法测厚度(nm)

1533.1724

2857.1338.4

31180.652.8

414

517

104.93126.3367.2

81.6

2实验与讨论

为了证明上述观点本研究做了一些实验。采

溅射时间及由干涉法测出样品厚度见表1。为验证干涉法测量结果的正确性，用台阶仪测出的厚度也列于表1中。从表1可以看到，台阶仪测出的厚度要比所计算的厚些，但是数量级相同。一方面存在测量读数误差，另一方面存在测量方法误差。因为磁控溅射靶结构决定了沉积过程中样品圆周边缘膜厚些，中间膜薄些。测量时，台阶仪只扫描了边缘800μm 的范围，而用干涉法计算则是测出的平均厚度，所以测出的会比计算中的稍大些，推知厚度计算比较准确。

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：沈阳科友真空研究所生产的型号为KDJ567型三室复合镀膜机、紫外-可见分光光度计、台阶仪VEECO DEKTAK 150Surface profiler 。

2.1磁控溅射射频方法沉积ITO 薄膜

ITO 是一种透明导电氧化物（TCO ）膜，掺杂氧化锡的氧化铟因为其具有低电阻率，高透过率

3小结

本研究介绍了一种简单而适用的薄膜物理

厚度测量方法，尤其是针对较薄的薄膜测量准确性更高些。利用单层薄膜上下表面的干涉原理，会

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和折射率[C].第八届光伏会议论文集.

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产生增透增反的性质，利用测量薄膜的透射率即可方便地得到薄膜的厚度。本文用ITO 薄膜进行了实验验证，利用紫外可见分光光度计测量薄膜的透过率，通过识图计算得出薄膜厚度，对比台阶仪测量结果，结果表明，误差较小，在纳米级范围内是准确的。这只能是一种简单粗略的方法，为测量薄膜厚度提供简单快速估计薄膜厚度的有效方法。

[2]季振国, 半导体物理[M].杭州：浙江大学出版社,

2005.

[3]陈小莉, 钟生海, 胡必禄. 薄膜干涉理论中的几个问题

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[6]Fallah H R, Ghasemi H, Hassanzadeh A et al . [J].

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[7]Lin Y C, Li J Y. [J].Appl.Surf. Sci, 2008,254:3262.

参考文献

[1]马逊, 刘祖明, 陈庭金, 等. 椭圆偏振仪测量薄膜厚度

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《真空测量与控制》一书出版发行

合肥工业大学朱武、干蜀毅编著、王先路教授主审的《真空测量与控制》一书于2008年4月由合肥工业大学出版社出版发行。

系统介绍了真空测量、真空校准、真空检漏、真空控制的原理和方法。主要内容包括：真空测量技术、液《真空测量与控制》

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本书编写过程中注意知识体系的完整性，也力求能够反映新技术新成果，达到知识性和实用性的统一。本书可作为高等学校真空技术及设备、材料科学与工程、物理学等相关专业本科生、研究生的教材，也可供从事真空获得、真空测量和真空应用的工程技术人员参考。

本书的出版，得到了合肥工业大学出版社的热情支持和帮助，谨致衷心的感谢！

（朱武供稿）

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经中国化工报网络公司组织, 由徐成海任主编, 陆国柱、谈治信、陈荣法任副主编，王毓民、白玉石、徐法俭、徐玉江、李春影、陆峰、张建伟、周士海、张华、赵悦呈、彭润玲、惠进德参加编写的《真空设备选型与采购指南》一书已于2009年4月出版。

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电话：024-83683447

（张志军供稿）