2.7 薄膜评价方法

一座新的面板厂，薄膜在新设备新系统里第一次沉积，总是需要一定程度的材料评价的。事实上，为了确保薄膜沉积的控制参数稳定性，在一个特定的薄膜沉积系统的寿命期限内定期检测薄膜材料质量也是非常必要的。下面介绍几种薄膜的重要评价方法。

2.7.1 傅里叶变换红外光谱

基于许多原子间的键有位于红外区域的共振振动频率，因此可以利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）来研究薄膜材料的化学键结构和化学组分。当红外光照射到一种材料上时，那些与红外光子有相同频率的化学键由于谐振而吸收了光子能量。一个a-Si：H薄膜样品的典型红外吸收谱如图2.16所示。在吸收谱中特征峰和特定的Si—H键有关联性。表2.4列出了常见的红外吸收谱的化学键共振频率。

为了实现共振，薄膜样品必须沉积在红外线透明的衬底上，而且为了获得合适的信噪比，薄膜膜厚要高于50nm。理想的衬底材料是未掺杂或低掺杂的晶体硅衬底，而且为了减少光的散射其两侧最好还要进行抛光处理。这一测试方法的测试精度能精确到接近±1%的原子比，对于确定 a-Si：H 薄膜中氢含量特别有用。如果绝大多数的氢都以 Si—H 形式成键，则只存在630cm ^-1 和 2000cm ^-1 的波峰；如果薄膜材料氢含量太多并形成了微空洞，可能有相当数量的氢以 Si—H ₂ 键存在，这时在 2000cm ^-1 和2090cm ^-1 的波峰必须去卷积并分别积分以区分Si—H键和Si—H ₂ 键的含量。高性能a-Si：H薄膜的氢含量原子比约为10%。

2.7.2 紫外线-可见光谱

半导体和绝缘体对电磁频谱的可见光和紫外光部分的光子吸收通常是价带中的电子吸收光子后被激发到导带并产生电子空穴对。对于直接带隙半导体晶体，价带和导带的边界是确定的，光子的能量必须大于带隙的能量方可被吸收。

通过钨或氘灯发射的光使用衍射光栅产生单色光束，在紫外和可见光谱波段进行测试。薄膜材料沉积在紫外和可见光波段透明的石英衬底上，光束透射过测试样品。通过测量光的透射 T 和反射 R 百分比，可以确定样品吸收光的百分比 A 。

a-Si：H薄膜材料由于带尾态和悬挂键的存在，因此吸收光子的能量不是突变的。光子可以激发电子从价带的扩展态跃迁到导带中的局域态和扩展态，或者从价带的局域态跃迁到导带的扩展态。在迁移率隙附近的能量范围内，薄膜材料对光子的吸收将随着光子能量的增加从0%增加到100%。常用光学带隙（Tauc Gap）和E ₀₄ 带隙作为薄膜材料带隙的相对测量方法，但是E ₀₄ 很少用。a-Si：H薄膜的吸收光谱如图2.17所示。从图2.17中可以看出，Tauc带隙定义为吸收取向中线性区的延长线与 x 轴的截距（1.8eV）。Tauc带隙的定义取决于通常价带尾的宽度远大于导带尾的宽度。因此，接近于迁移率带隙的吸收谱形状，有效地反映了价带尾的形状，它本身接近抛物线。

2.7.3 恒定光电流方法

紫外线-可见光谱仪没有足够的灵敏度去探测低吸收区域，此时，需要用恒定光电流方法来测量在10 ^-1 ～10 ³ cm ^-1 区间内的半导体吸收系数（ α ），它是利用半导体的导体性和自由载流子的浓度成正比这一现象进行测量的，即半导体吸收一个光子就产生一个电子-空穴对，导电性就会成比例地增加。

在透明绝缘衬底上沉积半导体薄膜，在表面上制备两个一定间距的金属电极。从衍射光栅出来的单色光照射在金属间隙上，然后在这两个金属电极间施加一个电压并监测电流的变化。光源的强度逐渐增加直到流过金属间隙的光电流达到预定的水平。通过衍射光栅改变光子能量和光源强度以保持同样的光电流并记录光强。吸收系数和光源每秒钟发射的光子数量有关：

把紫外线-可见光谱和恒定光电流光谱联系起来，其中吸收在一定的波长范围内是已知的，相关于 α （ E ）和 N _ph 的比例常数是可以确定的，从而得知低吸收区域下的吸收系数 α 。这样，氢化非晶硅薄膜的Urbach斜率就能够测量了。

除了恒定光电流测试方法外，光热偏转光谱也是另一种测试低吸收区域光吸收系数 α 的测试方法。其测试原理是衍射光栅产生的单色光束照射到沉积在石英衬底上的薄膜半导体样品上。如果光子被样品吸收并产生电子-空穴复合时，光子的能量将会在半导体薄膜里以热的形式消失。在测量期间把样品浸入有机液体中，液体热量改变会引起其折射率的变化。再用一束激光照射液体，探测液体折射率的变化而求得样品所吸收的能量和吸收系数 α 。

2.7.4 拉曼光谱

当入射的激光光子被样品中的声子（晶格振动）散射时，入射光的波长会发生变化，这种现象称为拉曼频移。拉曼光谱提供了探测薄膜材料键结构的一种非破坏性测试方法。

拉曼光谱常用来确定微晶硅薄膜中晶体含量。因为晶体材料在520cm ^-1 波数处产生一个尖锐的拉曼峰，而无序的非晶材料是在 480cm ^-1 波数处产生一个宽的拉曼峰。对于合理的一级近似，当两峰彼此重叠时，两个峰面积比就是薄膜中晶体相和非晶相的体积比。

2.7.5 椭偏仪

椭偏仪是确定薄膜材料的膜厚和反射率的一种非破坏性测试方法。其工作原理就是用激光系统产生的圆偏振单色光照射到沉积在已知折射率的衬底上的薄膜材料表面（衬底用已知折射率的高反射晶体硅衬底），测量入射光的角度，一部分光被材料表面直接反射，一部分光入射到材料内部并经过内部多次折射。反射光和折射光叠加的相位和振幅与样品的膜厚和折射率有关。实际上这种技术已经应用于实时监视微晶硅薄膜的生长，可以实时测量成核区的厚度和薄膜晶体分量。