非晶硅薄膜表面形貌和光学性质的工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究氮化硅薄膜（PECVD）是一种在室温下生长的非晶硅薄膜，具有多种优良性质，如硬度高、抗腐蚀性好、导电性能低等。
这些性质使得氮化硅薄膜在微电子、光学器件、生物传感器等领域中有广泛应用。
本文将对PECVD氮化硅薄膜的性质及工艺进行研究。
首先，PECVD氮化硅薄膜具有良好的机械性能。
该薄膜的硬度可达到10GPa，相对于其他常见的薄膜材料，如二氧化硅、氮化硅具有更高的硬度。
这使其在微机械系统中有较好的应用前景，如传感器和微机械器件中的表面保护层。
其次，PECVD氮化硅薄膜具有出色的耐腐蚀性。
与其他材料相比，这种薄膜展现出更好的抗化学腐蚀性能。
这种耐腐蚀性使得氮化硅薄膜在微电子行业中的设备制造过程中有广泛的应用，如平板显示器、太阳能电池等。
此外，PECVD氮化硅薄膜是一种特殊的绝缘材料，具有较低的导电性能。
这种特点使其成为一种理想的衬底材料，可用于制备电容器、晶体管等微电子器件。
它还可用于光学薄膜的辅助材料，如光学反射镜片等。
针对PECVD氮化硅薄膜的制备工艺，一般采用射频等离子体化学气相沉积（RFPECVD）技术。
该方法通过在气相中加入硅源、氨气和稀释剂，利用射频电场激活气体原子和离子，在衬底表面沉积出氮化硅薄膜。
制备过程中，关键的参数包括沉积温度、沉积气压、沉积物与气体流量比等。
沉积温度一般在250℃-400℃之间，气压一般在1-20Torr之间。
较高的沉积温度可提高薄膜质量，但也容易产生杂质。
而较高的气压可以提高沉积速率，但也有可能导致薄膜内部应力增大。
此外，对PECVD氮化硅薄膜进行表征，一般采用横截面和表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）、厚度的椭圆仪、成分的能量散射光谱（EDS）等技术。
这些表征方法可以从多个角度对氮化硅薄膜的性质进行评估。
总结起来，PECVD氮化硅薄膜具有优异的硬度、耐腐蚀性和绝缘性能等优良性质，广泛应用于微电子、光学器件等领域。
沉积工艺中的温度、气压和气体流量比等参数对薄膜质量具有重要影响，需要合理选择和控制。
掺硼p型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征
第28卷 第4期影像科学与光化学Vol.28 No.4 2010年7月Imaging Science and Photochemistry J uly,2010 研究简报掺硼p型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征夏冬林,王慧芳,石正忠,张兴良,刘 俊(武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实验室,湖北武汉430070)摘 要:以高氢稀释的硅烷(Si H4)为反应气体,硼烷(B2H6)为掺杂气体,利用RF2PECVD方法,在玻璃衬底上制备出掺硼的氢化非晶硅(a2Si∶H)薄膜,研究了硼掺杂量对氢化非晶硅(a2Si∶H)薄膜的光学性能的影响.利用N KD27000W光学薄膜分析系统测试薄膜的透射谱和反射谱,并利用该系统的软件拟合得出薄膜的折射率、消光系数、吸收系数等光学性能参数,利用Tauc法计算掺硼的非晶硅薄膜的光学带隙.实验结果表明,随着硼掺杂量的增加,掺杂非晶硅薄膜样品在同一波长处的折射率先增大后减小,而且每一样品均随着入射光波长的增加而减小,在波长500nm处的折射率均达到4.3以上;薄膜的消光系数和吸收系数随着硼掺杂量的增大而增大,在500nm处的吸收系数可高达1.5×105cm-1.在实验的硼掺杂范围内,光学带隙从1.81eV变化到1.71eV.关键词:RF2等离子体增强化学气相沉积方法;非晶硅薄膜;折射率;消光系数;吸收系数;光学带隙文章编号:167420475(2010)0420296209 中图分类号:O484 文献标识码:A自从1975年Spear等人[1]在非晶硅薄膜中成功实现气相掺杂以来,非晶硅薄膜迅速在半导体器件领域获得应用.氢化非晶硅薄膜具有高的光吸收系数,制备工艺简单并易于大规模生产,被广泛应用于制作大面积、高效率的薄膜太阳能电池,大屏幕液晶显示和显像平面电视机等[2,3].目前,氢化非晶硅薄膜制备技术主要有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)[427],微收稿日期:2010203218;修回日期:2010204222.基金项目:材料复合新技术国家重点实验室(武汉理工大学)开放基金(20102KF29);武汉市科技攻关(20061002037).作者简介:夏冬林(19642),男,副研究员,通讯联系人,E2mail:donglinxia@.296 第4期夏冬林等:掺硼P型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征297 波电子回旋共振化学气相沉积(MWECR2CVD)[8]以及射频磁控溅射法[9,10]等.其中, PECVD制备技术具有对衬底温度要求低,易于在玻璃衬底上大面积制备的优点,这些制备优点使其在太阳能屋顶,太阳能玻璃幕墙等光伏与建筑结合方面具备很大的应用潜力,被认为是更有发展潜力的沉积方法,并且已经应用于工业领域.硅基薄膜太阳电池一般多为PIN结构,P层作为太阳能电池的窗口层,是影响电池整体性能的重要因素,其带隙的宽窄、电导率的高低将直接影响电池的短路电流及填充因子[11].国内外科学工作者[12215]对掺杂非晶硅薄膜材料结构和性能的研究多有报道,而专门对薄膜材料的光学性能参数进行全面表征的报道还较少,而太阳电池窗口层的光学性能会直接影响到电池性能的好坏,因此我们有必要对P型非晶硅薄膜的光学性能进行全面的表征与研究,从而起到对太阳电池窗口层制备的重要指导作用.本论文采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)沉积掺硼氢化非晶硅薄膜,研究硼掺杂量对于薄膜光学性能参数的影响.1 实验部分实验采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)沉积掺硼氢化非晶硅薄膜, PECVD沉积设备的射频电源的激发频率为13.56M Hz,极板直径为20cm,反应室本底真空最高可达10-5Pa.衬底为普通载玻片,采用酒精和去离子水超声清洗,基片在沉积薄膜之前用氮气吹干.本实验固定沉积气压、辉光功率、衬底温度等其它工艺参数,以髙氢稀释的硅烷(Si H4体积分数[Si H4]/[Si H4+H2]=10%)和硼烷(B2H6体积分数[B2H6]/[B2H6+ H2]=3%)分别为反应气体和掺杂气体.通过改变硼烷掺杂气体的比例(R=[B2H6]/ [Si H4]),在玻璃衬底上制备掺硼非晶硅薄膜,研究硼烷掺杂比例对氢化非晶硅(a2Si: H)薄膜光学性能的影响,其制备工艺参数如表1所示.表1 硼掺杂非晶硅薄膜制备的工艺参数Processing parameters of boron2doped amorphous silicon t hin film deposited by PECVD 样品编号a b c d e 衬底温度/℃250250250250250沉积气压/Pa150150150150150射频功率/W150150150150150氢稀释比/Si H4200200200200200掺杂气体比[B2H6]/[Si H4]0.4%0.5%0.6%0.8% 1.0%沉积时间/min3040403040薄膜厚度/nm127232********* 采用英国Aquila公司生产的N KD27000W薄膜分析系统测试硼掺杂氢化非晶硅薄膜的透射光谱与反射光谱,并采用该系统分析软件,根据柯西模型进行理论计算,得出薄膜的厚度、消光系数和折射率等光学常数.掺硼非晶硅薄膜的吸收系数,可由公式α(hν)=4πk/λ计算得出.其中α(hν)表示吸 影 像 科 学 与 光 化 学第28卷 298收系数,它是光子能量(hν)的函数,k表示材料的消光系数.掺硼非晶硅薄膜是间接带隙半导体材料,其光学带隙可以通过Tauc公式计算:(αhν)1/2=B(hν-E g),α为吸收系数, hν为光子能量,E g为掺硼非晶硅薄膜的光学带隙,B为常数.根据Tauc公式,可以得到不同条件下制备的掺硼非晶硅薄膜的(αhν)1/2-hν曲线图,曲线的线性部分外延到与横坐标相交所得截距的大小,即为光学2隙E g[16].2 结果和讨论2.1 硼烷的掺杂量对薄膜的紫外2可见光的透过率和反射率的影响图1为不同硼烷掺杂量所制备的氢化非晶硅薄膜样品的透射光谱.从图1中可以明显的看出,随着硼烷掺杂浓度的增加,薄膜的透过率曲线的截止边红移,薄膜透过率曲线的干涉峰位置也出现红移现象,即薄膜在短波长的透过率急剧减小,在波长60021000nm 的范围内薄膜的透过率也明显降低,使得可见光区域的大部分太阳光的透过都降低,因而导致薄膜太阳电池的活性层I层得到的可见光区域的光子减少,I层的光响应必然降低,影响太阳能电池的开路电压、短路电压、转换效率[17].由此可见,低硼烷掺杂浓度(a 号样)有利于薄膜透过率的提高.图1 不同硼烷掺杂比沉积的a2Si∶H薄膜样品的透射谱Transmission spectra of a2Si∶H t hin films wit h different boron doped gas ratio 图2是不同硼烷掺杂比例的薄膜样品在350-1100nm波段的反射率曲线.从图2中可以看出,在测试波段范围内硼掺杂的非晶硅薄膜出现了多个干涉峰(干涉峰的位置和个数与薄膜的厚度有很大的关系),并且随着硼烷掺杂比例的增加,薄膜的干涉峰红移,且反射峰逐渐变宽.反射峰变宽,在更长的波段内光透过就少,因而薄膜太阳电池窗口层材料的光谱响应的光波减少.有文献表明[18],薄膜在紫外2可见光反射率曲线的反射峰的强弱可以反映薄膜结构的有序状况.从反射率曲线可知,掺杂比例为0.4%时得到的薄膜的反射率最高,薄膜结构的有序性最好,其余几个薄膜样品的反射峰都比较弱,说明 第4期夏冬林等:掺硼P型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征299其薄膜无序化程度非常高,这说明硼的掺杂可以抑制硅薄膜的晶化.图2 不同硼烷掺杂比沉积的a2Si∶H薄膜的反射谱Reflection spectra of a2Si∶H t hin films wit h different boron doped gas ratio2.2 硼烷的掺杂量对薄膜折射率、消光系数、吸收系数的影响图3为不同硼烷掺杂量所制备非晶硅薄膜样品的折射率曲线.从图3中可以观察到,随着硼烷掺杂比例的升高,薄膜的折射率增大;薄膜样品在波长500nm处的折射率图3 不同硼烷掺杂比沉积的a2Si∶H薄膜样品的折射率曲线Refraction spectra of a2Si∶H t hin films wit h different boron dopant gas ratio都达到了4.3以上;但当硼烷的掺杂比例为1.0%时,薄膜的折射率反而降低了. 影 像 科 学 与 光 化 学第28卷 300 当硼烷掺杂浓度在0.5%-0.8%范围内变化时,随着硼烷掺杂浓度的加大,薄膜中H原子的脱附能降低,薄膜表面的B原子加速其周围生长表面上H原子的脱附,增大表面悬挂键密度,从而提高了反应前驱物Si H x(主要是Si H3)在生长表面的吸附几率,增大了薄膜的沉积速率.薄膜的沉积速率的增大,使沉积的薄膜结构更为致密,薄膜中的微孔等缺陷更少,薄膜的折射率增大.当硼烷的掺杂比例达到1.0%时,由于硼烷的比例过大,薄膜的沉积速率过大,薄膜中的组成基团得不到及时的迁移,使薄膜中出现很多的缺陷.同时,由于沉积速率过大,反应基团来不及在衬底表面扩散、均匀分布,导致薄膜的结构不致密,因此折射率下降.图4 不同硼烷掺杂比沉积的a2Si∶H薄膜的消光系数曲线Extinction coefficient spectra of a2Si∶H t hin films wit h different boron dopant gas ratio 由N KD拟合也可以得到薄膜的消光系数曲线,如图4所示.从图4中可以知道:随着波长的增大,消光系数减小;随着硼烷掺杂浓度的升高,薄膜的消光系数增大.由公式α(hν)=4πk/λ可知,消光系数与薄膜的吸收系数成正比,因此高的消光系数,意味着薄膜对入射光更高的吸收.因此作为太阳能电池的窗口层,薄膜的消光系数必须控制在很低的水平. 吸收系数决定了薄膜对光子的吸收的多少,影响透过窗口层的光子的数量,从而影响薄膜电池的性能.图5为通过公式α(hν)=4πk/λ计算得到的薄膜的吸收系数曲线.由图5可知,在波长500—700nm的范围内,薄膜的吸收系数随波长的增大而减小;在波长为700—1000nm范围内,薄膜的吸收系数基本上不随波长的变化而变化.由不同掺杂浓度的吸收系数曲线可知,随着制备薄膜的硼烷掺杂浓度的增大,吸收系数不断增大.硼烷掺杂比例为0.4%和0.8%时得到的薄膜在500nm处的吸收系数分别为1.0×105cm-1和1.5×105cm-1.因此低硼烷掺杂浓度有利于让更多的光通过薄膜窗口层,从而提高电池的性能. 第4期夏冬林等:掺硼P型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征301图5 不同硼烷掺杂比沉积的a2Si∶H薄膜样品的吸收系数曲线Absorption coefficient spectra of a2Si∶H t hin films wit h different boron doped gas ratio2.3 硼烷的掺杂比对薄膜的光学带隙的影响图6示出了不同硼烷掺杂比例沉积的薄膜的光学带隙.由图6可以看出,随着硼烷掺杂浓度的增加,薄膜的光学带隙出现递减趋势,由1.81eV下降到1.71eV.这与前面得到的薄膜透过率降低,消光系数、吸收系数增大的结果相一致.薄膜光学带隙变窄的原因可能是由于硼烷掺杂使薄膜中的H的脱附能降低,H的脱附增加,使薄膜中的H含量降低,进而使光学带隙变窄.硼的掺杂,还使得薄膜结构的无序度增加,由此引起从能带到带尾态的重新分布,在薄膜的带隙中引入了多个带隙态,从而导致由能带到带尾和带尾到带尾的跃迁数目的增加.这些位于原吸收边附近的带隙态是使得薄膜光学带隙变窄的主要原因.硼的掺入,会改变薄膜的结构,抑制硅薄膜的晶化,使薄膜中的非晶成份增多,导致光学带隙减小[19].因此从光学带隙的角度上看,应尽量减小硼烷的掺杂浓度,当然硼烷掺杂浓度太低也会导致薄膜电导率的急剧下降.3 结论研究表明,硼掺杂对非晶硅薄膜的光学性能有着极其重要的影响:随着硼烷掺杂浓度的增加,(a)薄膜的透过率曲线的截止边红移.(b)薄膜的反射谱干涉峰红移,且反射峰逐渐变宽.(c)掺杂非晶硅薄膜的折射率随着入射光波长的增加而减小,并且在波长500nm处的折射率都达到了4.3以上.(d)薄膜在500nm处吸收系数高达1.5×105cm-1,光学带隙从1.8eV变化到1.7 eV. 影 像 科 学 与 光 化 学第28卷 302图6 不同硼烷掺杂比沉积的a2Si∶H薄膜的光学带隙Optical band gap of a2Si∶H t hin films wit h different boron doped gas ratio (e)所有的光学参数表征都表明,硼烷掺杂浓度不宜过高,在本实验范围内,0.4%掺杂浓度制得的薄膜做窗口材料最宜.薄膜电学性能这里未做研究和表征,硼烷掺杂浓度的具体确定还需综合考虑薄膜的电学性能.因此低浓度硼烷掺杂(体积分数为0.4%),可以得到光学性能优异的低吸收的p型窗口层. 第4期夏冬林等:掺硼P型非晶硅薄膜的制备及光学性能的表征303 参考文献:[1] Spear W E,Lecomber P G.Substitutional doping of amorphous silicon[J].S oli d S tate Com munication,1975,17(9):119321196.[2] 余云鹏,林舜辉,林璇英,等.非晶硅薄膜厚度均匀性对其透射光谱的影响[J].汕头大学学报,2004,19(1):50254.Yu Y P,Lin S H,Lin X Y,et al.Effect of t hickness homogeneity on optical transmittance spectra of a2Si∶H films[J].J ournal of S hantou Universit y,2004,19(1):50254.[3] 韩大星,王万录,张 智.非晶硅电致发光机理及用电致发光谱研究太阳能电池本征层中的缺陷态能量分布[J].物理学报,1999,48(8):148421490.Han D X,Wang W L,Zhang Z.Mechanism of electroluminescence from a2Si∶H and studies of defect energy dis2 tribution in intrinsic layer of a2Si∶H solar cells by electroluminescence spectra[J].Chi nese Physics,1999,48(8):148421490.[4] 朱嘉琦,卢 佳,田 桂,等.非晶硅太阳电池窗口层材料掺硼非晶金刚石的研究[J].无机材料学报,2008,23(5):106421066Zhu J Q,L u J,Tian G,et ing boron doped amorphous diamond films as window layer of amorphous silicon solar cells.J ournal of I norganic M aterials,2008,23(5):106421066.[5] 倪 牮,张建军,王先宝,等.低温高速率沉积非晶硅薄膜及太阳电池[J].光电子・激光,2010,21(2):2172221.Ni J,Zang J J,Wang X B,et al.Low temperature and high deposition rate fabricating a2Si∶H t hin films and solar cells[J].J ournal of Optoelect ronics・L aser,2010,21(2):2172221.[6] Platz R,Wagner S,Hof C,et al.Influence of excitation frequency,temperature,and hydrogen dilution on t hestability of plasma enhanced chemical vapor deposited a2Si∶H[J].J.A p pl.Phys.,1998,84(7):394923953. [7] Hishikawa Y,Tsuda S,Nakamura N,et al.Device2quality wide2gap hydrogenated amorphous silicon films deposi2ted by plasma chemical vapor deposition at low substrate temperatures[J].J.A p pl.Phys.,1991,69(1):5082 510.[8] Chen G H,Hu X H,Y in S Y,et al.Improvement on t he conventional MW ECR2CVD system and preparation ofhydrogenated amorphous silicon films[J].V acuum,2005,77(3):3552358.[9] G oncalves C,Charvet S,Zeinert A,et al.Nanocrystalline silicon t hin films prepared by radiofrequency magnetronsputtering[J].T hin S oli d Fil ms,2002,403∃404:91296.[10] 罗士雨,冯 磊,汪 洪,等.非晶硅薄膜制备及其晶化特性研究[J].人工晶体学报,2008,37(5):119121194.Luo S Y,Feng L,Wang H,et al.Study on t he preparation of amorphous silicon film and it s crystallization prop2 erty[J].J ournal of S y nt hetic Crystals,2008,37(5):119121194.[11] Tarui H,K ishi Y,Nakamura N,et al.On P layers for high efficiency amorphous silicon solar cells[J].S olarEnergy M aterials,1991,23(224):2272238.[12] Tao K,Zhang D X,Zhao J F,et al.Low temperature deposition of boron2doped microcrystalline Si∶H t hinfilm and it s application in silicon based t hin film solar cells[J].J ournal of N on2Crystalli ne S oli ds,2010,356 (628):2992303.[13] 钱祥忠.硼轻掺杂对非晶硅薄膜光电性能的影响[J].光电子技术,2004,24(2):93295.Qian X Z.Influence of light2dope boron on optoelectronic properties of a2Si films[J].O ptoelect ronic Technolo2 gy,2004,24(2):93295.[14] Chattopadhyay S,Das D.Efficient boron incorporation in hydrogenated amorphous silicon films by a novel com2bination of rf glow discharge technique and heated filament[J].J pn.J.A p pl.Phys.,1995,34(10):57432 5748.[15] Fedders P A,Drabold D A.Simulation of boron doping in a2Si∶H[J].J ournal of N on2Crystalli ne S oli ds,1998,2272230:3762379. 影 像 科 学 与 光 化 学第28卷 304[16] 何宇亮,陈光华,张仿清.非晶态半导体物理学[M].北京:高等教育出版社,1989.2842292.He Y L,Chen G H,Zhang F Q.A morp hous Semiconductor Physics[M].Beijing:Higher Education Press,1989.2842292.[17] 汪昌州,杨仕娥,卢景霄.硅基薄膜太阳电池窗口材料的研究进展[J].材料导报,2007,27(2):14217.Wang C Z,Yang S E,Lu J X.Progress in research on window materials of silicon film solar cells[J].M aterials Review,2007,27(2):14217.[18] Veneri P D,Mercaldo L V,Minarini C,et al.V HF2PECVD microcrystalline silicon:from material to solar cells[[J].Thin Solid Films,2004,4512452:2692273.[19] Yamasaki S,Mat suda A,Tanaka K.Anomalous optical and structural properties of B2doped a2Si∶H[J].J pn.J.A p pl.Phys.,1982,21(12):7892791.Preparation and Characterization of Boron2Dopedp2type a2Si∶H Thin FilmXIA Dong2lin,WAN G Hui2fang,SHI Zheng2zhong,ZHAN G Xing2liang,L IU J un (Key L aboratory of S ilicate M ateri als S cience and Engineering,Minist ry of Education,W uhan Universit y of Technology,W uhan430070,H ubei,P.R.China)Abstract:The boron2doped amorphous silicon(a2Si∶H)t hin film was deposited on glass sub2 strate by plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD).Si H4and B2H6wit h high hy2 drogen dilution are used as t he reactive gas and dopant gas,respectively.The transmission spectra and t he reflection spectra of the films were measured by N KD t hin film analysis sys2 tem,the refractive index,extinction coefficient,absorption coefficient and ot her optical param2 eters of t he films were fitted out and optical band gap of t he samples were calculated using Tauc met hod.The result s have shown t hat with t he dopant increase,t he refractive index of amor2 phous silicon thin film decreases as t he light wavelengt h increases,and t he refractive index at 500nm wavelengt h was more t han4.3;and t he absorption coefficient was as high as1.5×105 cm-1at500nm wavelength.Optical band gap of boron2doped amorphous silicon(a2Si∶H)t hin film ranges from1.7to1.8eV.In a word,it is necessary to reduce t he dopant concentration to get t he widow layer wit h low absorption.K ey w ords:RF2PECVD;amorphous silicon t hin film;refractive;extinction coefficient;absorp2 tion coefficient;optical bandgapCorresponding aut hor:XIA Dong2lin。
无机非晶态薄膜的制备及性能研究
无机非晶态薄膜的制备及性能研究无机非晶态薄膜是指由无机材料构成的非晶态薄膜。
这种材料具有较高的硬度、抗腐蚀性、透明性、化学惰性和热稳定性等特点，在许多领域有广泛应用。
一、无机非晶态薄膜的制备方法1. 物理气相沉积法（PVD）物理气相沉积法是其中一种无机非晶态薄膜制备方法，常见的有溅射、电子束蒸发、直流磁控溅射等。
PVD制备的薄膜具有密度高、结晶度低、 chemically inert 结构简单等特点。
2. 化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是利用气态前驱体在表面反应生成凝固相薄膜的方法。
CVD制备的薄膜具有高成膜速率、良好的复合性和优异的晶粒尺寸控制等特点。
3. 真空热蒸发法（VTE）真空热蒸发法是利用热量将固体材料转变为气态，并沉积在基板上形成银膜。
与PVD相比，VTE制备薄膜的厚度更薄，质量更高。
二、无机非晶态薄膜的性能研究1. 光电性能无机非晶态薄膜在太阳能电池、显示器件、LED、半导体器件等领域中具有广泛应用。
薄膜的光电性能是影响其应用性能的重要指标，包括光吸收特性、能带结构、电子传输性能等。
2. 机械性能由于无机非晶态薄膜材料具有优异的硬度和韧性，因此适用于表面涂层、防护材料等领域。
材料的硬度、韧性、可扩散性、疲劳拱起等机械性能指标对其性能有重要影响。
3. 其他性能研究除了光电性能和机械性能外，其他性能指标也值得研究。
例如电学特性较佳的薄膜可以用于制备纳米电子器件；耐酸碱性和高温稳定性使得薄膜应用于化学传感器等领域。
三、未来展望随着无机非晶态薄膜的制备技术和性能研究的不断深入，其在新能源、信息技术、生物医学和环境保护等领域的应用前景越来越广阔。
同时，发展绿色制备技术，提高材料的应用性能和可持续性也是未来无机非晶态薄膜研究应该关注的方向。
总之，无机非晶态薄膜的制备和性能研究是一项远大而有前途的工作，需要不断探索、创新和发展。
随着科技的进步，我们相信无机非晶态薄膜将会在越来越多的领域得到广泛应用。
非晶合金薄膜的制备及性能研究
非晶合金薄膜的制备及性能研究近年来，随着科学技术的不断发展，非晶合金材料在各个领域中得到了广泛的应用。
从材料领域到信息技术领域，从航天航空到医学领域，非晶合金材料陆续地展现出了其卓越的性能和不可替代的优势。
而其中，非晶合金薄膜则是受到了大量关注。
本文将从非晶合金薄膜的制备和性能研究两个方面进行详细的探讨。
一、非晶合金薄膜的制备1.热蒸镀法热蒸镀法是一种常用的制备非晶合金薄膜的方法。
其基本原理是将合金材料加热，将物质转化成气体，在真空条件下，将气体沉积在衬底上，形成薄膜。
该方法具有操作简单、制备周期短、成本低等优点，且可用于大规模生产。
但是这种方法的薄膜质量相对一些其他方法较低，存在失控成分的问题。
2.快速固化法快速固化法是一种制备非晶合金薄膜的先进方法。
其基本原理是将合金材料加工成粉末状，通过高速喷射或高温烧结等方法，使粉末迅速经历高温冷却，形成非晶材料。
该方法具有制备工艺简单、制备周期短、合金成分均匀等优点，但是其设备复杂，高成本，也较难用于大规模生产。
二、非晶合金薄膜的性能研究1.机械性能非晶合金薄膜的独特结构使其具有优异的力学性能。
由于其结构类似于液态金属，可以有效防止晶化和断裂，从而提高其延展性和韧性。
同时，良好的硬度和耐磨性也使其得到广泛应用。
2.磁性能非晶合金薄膜的磁性能是其另一个重要的研究方向。
由于其不规则的质点分布和无序的原子排布，使得其具有较强的磁畴壁和磁晶畴壁阻挡效应，具有高饱和磁化强度、低磁滞、优异的磁导率等特点。
3.光学性能非晶合金薄膜的光学性能也是其研究的一个方向。
由于其结构的非晶性和无序性，使得其具有特殊的光学反应，具有高透过率、低反射率、优异的光学均匀性等特点，可用于光学器件等领域。
4.生物相容性非晶合金薄膜的生物相容性是其应用于医学领域的一个关键因素。
研究表明，与晶态合金相比，非晶合金薄膜表面更为光滑，因此容易被生物体接受。
同时，其惊人的高硬度也有助于防止刮伤和磨损。
非晶合金薄膜的结构与性能研究
非晶合金薄膜的结构与性能研究随着先进制造技术发展，非晶合金材料的应用越来越广泛。
非晶态合金材料不同于传统的结晶态材料，其原子或分子排列十分无序，原子的位移距离也极为微小。
这种特殊结构给予了非晶合金材料出色的物理性能，因此越来越多的研究关注于非晶合金材料薄膜的制备及其性能研究。
本文将从非晶合金薄膜的结构与性能两个方面入手进行探讨。
1.结构非晶合金薄膜的结构研究是制备高性能非晶合金薄膜的关键。
一般来说，非晶合金材料的结构可以通过X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HRTEM）和中子衍射等方法进行研究。
由于非晶态合金材料缺乏明确的结晶面及晶面间距，因此在实验中通常利用无定形缺陷代替结晶面，控制非晶合金的晶体结构。
此外，传统的结晶态合金材料中，原子在长程上存在着周期性的排列，而非晶态合金材料则产生了有序无序混杂的情况，这也是非晶态合金材料表现出的特殊性质原因之一。
2.性能非晶合金薄膜的性能与其结构紧密相连。
一方面，由于非晶合金材料的无序排列，其独特的结构使得其具有较高的硬度和韧性；另一方面，非晶态合金材料具有较高的化学反应活性，在某些情况下还具有记忆性，这也是它在新型材料领域应用广泛的原因之一。
研究表明，非晶合金薄膜在电子器件和传感器等领域具有广阔的应用前景。
相比于其他材料，非晶合金薄膜其优异的力学性能和热稳定性显得更加突出。
与此同时，其较高的硬度和导电性也让其在化工、电子等领域得到了广泛应用。
总之，非晶合金薄膜的结构和性能是互相关连的，其制备技术和研究方法也在不断进步和发展。
随着人们对高性能材料需求的不断提高，相信非晶合金薄膜在各个领域中的应用前景也将越来越广。
不同沉积温度下非晶硅光学薄膜的光学特性研究
⦠ ˇ ∳ ∯ ’
∑ ˇ∑ ˇ ˋæ ∳ ∯ ∳ ∰⦠ ˇ ∳ ∯ ∳ ∯ ∭ ‟ ∳ ∰ ∳ ∑∰ ˇ ’ ∳ ˇ ∭ ˋ ∑ ’‟ ’∑ˇ
ˋ ∳ ∰ ∰æ ˋ∰ ∳∳ ∳
∰ ∳ ∯∢ æ ‟ ∳‟， ∳ ∰‟ ≏
ˋ ∳ ∰ˈ ˋ∰ ’∰ ∳
∭ æ ∳∰ ‟， ∰ ∳２ ０ ０ ０ ８ ３， ∳ ∰ ）
图 １ 不同的沉积温度下硅薄膜透射率曲线 Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓｏ ｆＳ ｉ ｆ ｉ ｌ ｍｉ ｎｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｇ ｄ ｅ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｄｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｐ ｐ
并且温度越高 ， 消光系数的变化幅度越 光系数越小 ， 小 。 虽然硅 的 可 见 透 射 区 间 到 １ μ 但 是， 通过 ｍ， 图３ 可知 ， 在１ 硅薄膜的消 光系数明 显 ５ ０ ０ｎ ｍ 以下 ，
不 是 一件 容易的 事
沉积温度的变 化 对 非 晶 硅 光 学 薄 膜 的 光 学 性 能 情， 影响很大 。 本文 主 要 研 究 了 在 １． ０～２． ５μ ｍ 近红 ［ ４］ 外波 段 范 围 内 ， 通过光度法 拟合非晶硅薄膜在不 同沉积温度下的光 学 特 性 ， 综合选择合适的沉积温
２ ０ １ ３ １ ０ ０ ８；收到修改稿日期 ： ２ ０ １ ３ １ １ １ ３ 收稿日期 ： 基金项目 ：中国科学院上海技术物理研究所创新专项 （ ） 、 上海市自然科学基金青年项目 （ ） Ｑ Ｄ Ｘ ２ ４ １ ３ Ｚ Ｒ １ ４ ６ ３ ７ ０ ０ 作者简介 ：罗海瀚 （ ， 男， 博士 ， 助理研究员 ， 主要从事薄膜光学与技术方面的研究 。 １ ９ ８ ４—） ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ａ ｉ ｈ ａ ｎ ． ｌ ｕ ｏ ａ ｉ ｌ ． ｓ ｉ ｔ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ＠ｍ ｐ ０ ４ ３ １ ０ ０ １ １
非晶态和纳米晶态薄膜材料的构建与性能研究
非晶态和纳米晶态薄膜材料的构建与性能研究自20世纪60年代以来，非晶态和纳米晶态薄膜材料在材料科学领域引起了广泛的关注。
这些材料具有独特的性质和应用前景，因此，许多研究人员致力于研究它们的构建和性能。
一、非晶态薄膜材料的构建与性能研究非晶态薄膜材料是一种材料，其结构没有长程周期性。
相比于晶体材料，非晶态薄膜材料具有较高的硬度、高的耐腐蚀性和较低的表面能。
因此，非晶态薄膜材料广泛应用于电子器件、太阳能电池、生物传感器、传感器、防反射涂层等领域。
非晶态薄膜材料的构建方法有很多种，包括磁控溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法等。
其中，磁控溅射法是非常常用的方法。
在该方法中，将目标材料置于气氛稀薄的真空室中，通过高能量电子或离子轰击目标材料，在真空室内形成等离子体而溅射出薄膜。
非晶态薄膜材料的性能受到溅射参数（如功率、气压、沉积时间等）和目标材料的影响。
研究人员在探究非晶态薄膜材料性质时，通常使用X射线衍射、原子力显微镜等技术来了解其结构和形貌。
这些技术可以使研究人员了解非晶态薄膜材料中的晶体有序性和微观结构的特性。
二、纳米晶态薄膜材料的构建与性能研究纳米晶态薄膜材料是一种具有纳米级晶体的薄膜材料。
与晶体材料相比，纳米晶态薄膜材料具有更高的比表面积和更高的扭曲能量。
因此，纳米晶态薄膜材料在催化剂、生物传感器、防反射涂层等方面有着广泛的应用。
构建纳米晶态薄膜材料的方法也多种多样，主要包括溅射法、离子束沉积法、溶胶凝胶法等。
其中，溅射法是最常用的构建方法之一。
在该方法中，目标材料被轰击成分子或原子，薄膜还原到底部的衬底上形成。
纳米晶态薄膜材料的性能与溅射参数和目标材料的性质密切相关。
研究人员使用透射电镜、扫描电镜等技术来了解纳米晶态薄膜材料中纳米晶体的形貌和分布。
此外，研究人员还使用X射线衍射、表面等离子体共振等技术探究其结构和光学特性。
三、非晶态和纳米晶态薄膜材料的应用前景非晶态和纳米晶态薄膜材料具有广泛的应用前景。
SbSe薄膜的晶化特性研究
第19卷第5期 半 导 体 学 报 V o l.19,N o.5 1998年5月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S M ay,1998 Sb Se薄膜的晶化特性研究鲍海飞 叶水驰 兰慕杰 袁保红 何代义 周士仁 王 骐(哈尔滨工业大学航天学院微电子技术系 哈尔滨 150001)摘要 对以Se为基的非晶半导体材料的应用作以简单的回顾.利用热蒸发的方法制备了单层的Se、Sb膜、含Sb的Se膜以及Sb Se双层薄膜.利用X射线衍射技术分析了薄膜退火前后的晶化特性,用光学显微镜观察了薄膜退火前后的表面形貌,发现双层膜表面出现较多的裂纹,从X射线衍射的结果和材料的热学参数分析了导致这种现象的几种原因.PACC:6140D,6150C,6110F1 前言半导体材料Se及其合金广泛应用于静电复印、大容量可逆存储器、光敏电阻等各个领域中[1].这是由于它们具有独特的物理和化学性质.目前尤其令人瞩目的是其在光存储[2]这一领域中的应用.基于Sb和Se所制备的相变光盘[3],这一类半导体材料具有较低的相变转变温度,且无论是晶态还是非晶态均具有相当长的室温稳定性,对光、热响应的灵敏度高;基于Se的全息记录[4]更具有诱人的发展前景,其记录机理可能是光晶化和光致结构变化.尤其最近,也有利用溅射方法制备非晶态Se与其它金属构成交叉结构的多层薄膜,然后对薄膜进行退火制备超晶格[5].这无疑为半导体超晶格的制备提供了新的方法,也为我们开创了新的思维.本文主要从单层Se薄膜,掺杂Sb的Se薄膜及双层结构的Sb Se薄膜入手,研究其晶化机理和导致薄膜微裂纹产生的原因.对薄膜晶化特性的研究能加深我们对原子之间的相互作用有深刻的了解和认识.2 样品制备及测试将纯度为99199%的Se与Sb分别用酸及有机溶剂、去离子水超声处理,衬底材料采用厚为112mm、直径为25mm的光学K9玻璃.利用M o舟,采用真空热蒸镀的方法制备薄膜.蒸发前,对源材料及衬底进行辉光放电处理.衬底温度为300K,真空度小于1133×10-2Pa;分别在玻璃衬底上蒸镀单层的Se膜厚约017Λm,淀积速率为70nm s,蒸发电流为70A;蒸镀单层Sb膜约015Λm,淀积速率为50nm s,蒸发电流为90A;双舟同时蒸镀少鲍海飞 男,1968年出生,讲师,现工作于哈尔滨工业大学微电子专业叶水驰 男,1957年出生,副教授,现工作于哈尔滨工业大学微电子专业1997203225收到,1997206205定稿量的Sb 掺杂到Se 中约111Λm 厚,以及双层的Sb Se 膜.然后在N 2气保护下对样品在较低的温度下进行退火.采用日本R igaku Co rpo rati on 的X 射线衍射仪CuK Α(Κ=011524nm ),型号为D m ax 2RB ,缝宽为R S 0115mm ,工作电压为40kV ,电流为50mA ,对样品进行结构分析与测试;采用光学显微镜对样品的晶化及表面形貌进行观察.3 结果分析与讨论1.淀积的单层Se 薄膜、Sb 薄膜及在44℃时下退火的Se 膜其X 射线衍射结果如图1所示.淀积态Se 为非晶态,如图1中曲线a 所示;淀积态Sb 为晶态,如图1中曲线c 所示;图1 a 淀积态非晶Se 薄膜的X 射线衍射,b Se 在40℃退火20分钟的X 射线衍射,c 淀积态Sb 的X 射线衍射薄膜样品Se 在44℃下退火40分钟,X 射线衍射显示出其已晶化,如图1中曲线b 所示,这与文献[6]给出的结果相符.对于Se 进一步的试验结果表明,退火温度高于40℃后就导致材料Se的升华[6].实验发现,当温度为125℃时,在N 2气保护下退火10分钟,样品表面颜色由红色转变为灰色并大量升华;光学显微镜下(10×50)观察发现有直径约20Λm 的放射状圆形斑点形成,如图2(a )所示(图2见图版I ).X 射线衍射结果分析表明样品已晶化,由非晶态转变为灰色的六角晶系结构.另一样品,当温度为70℃,退火时间为90分钟时,样品表面已由无定形红色的Se 转变为灰色的六角晶系的Se 且升华较少,用显微镜观察样品,发现薄膜表面有许多微裂纹,从衬底侧观察亦有许多微裂纹.如图2(b )、(c )所示.这种微裂纹的产生可能是由Se 薄膜晶化所致.在热处理过程中,非晶态膜逐渐晶化,这导致晶化膜与衬底的热胀系数不同,因而导致这种微裂纹的产生.对于Se 薄膜在不同温度下退火时,其晶化行为和形貌特征还在研究之中.2.对于Sb 掺杂到Se 中的薄膜,Sb 含量为12199%(或Sb 10Se 67),组分测量用日本H itach i 的带X 射线能谱的扫描电镜测试,型号为S 25701从X 射线衍射结果分析可以看出,如图3(见图版II )中曲线a ,淀积态为非晶态,但从中可以发现较弱的Sb 2Se 3和Se 的晶化峰.这表明,在蒸镀过程中,较热的Se 和Sb 原子以团簇的形式蒸发到衬底上,并释放其热量,导致Sb 2Se 3和Se 晶核的形成.Sb 需要较高的蒸发温度为545℃,而Se 的蒸发温度为220℃[2],因此Sb 原子具有更高的温度和热量,进一步冷却过程中将释放其热量,这样就导致Se 和Sb 2Se 3的生长因而部分晶化.随后在90℃下退火40分钟,X 射线衍射给出了较强的Se 和Sb 2Se 3晶化峰,如图3中曲线b ,这表明在较低的温度下退火即可以完成晶化.833 半 导 体 学 报 19卷3.在玻璃衬底上,先生长Se 膜层约017Λm 厚,然后再淀积Sb 薄膜约012Λm ,构成双层膜.然后在90℃的温度下退火40分钟后,在光学显微镜下(10×20)观察,发现样品表面有许多裂纹,如图4所示(见图版II ).同时从玻璃衬底侧观察亦存在裂纹,薄膜上下裂纹是相对应的.分析有以下几点原因:(1)在薄膜的淀积中,残余气体滞留在薄膜内或吸附在衬底上不可避免,这将导致在加热过程中气泡的形成并膨胀因而产生薄膜裂纹;从观察结果上看,由这种原因引起的可能性较小.(2)对于退火的样品,从图5(见图版II )中X 射线衍射的结果曲线b 看,有明显的Se 结晶峰且相当强;而没有退火的样品(图5中曲线a ),则无明显的Se 晶化峰(Se (201)与Sb 2Se 3(061)可能共峰).这表明非晶态的Se 在此温度下显著地晶化,首先形成的是Se 的晶粒进而生长形成了较大的Se 晶化层.Se 晶化层的热导率和热胀系数与Sb [7]层的不同,其间明显的热应力将导致样品表面出现裂纹.(3)从退火样品的X 射线衍射结果上我们还可以看到较多的Sb 2Se 3晶化峰,这些晶化峰的出现表征了Sb 2Se 3晶粒的形成.在没有退火的样品中则没有明显的Sb 2Se 3X 射线衍射峰(出现的Sb 2Se 3(061)峰可能与Se (201)重合).这从另一个角度可以说,在样品的制备过程中先形成了非晶态的Se 膜,随后Sb 原子淀积到非晶态Se 膜上;具有较高温度的Sb 原子沉积到Se 膜上,释放出其热量,这一部分热量会导致Sb 2Se 3晶核以及Se 晶核的形成,随后沉积到样品表面来的Sb 原子则逐步增厚,形成晶态的Sb 膜.当退火时,存在于Se 、Sb 薄膜界面处的Se 和Sb 2Se 3晶核就会随之长大;由于不同粒度的Sb 2Se 3晶核存在,退火时,它们按照一定的生长速度生长,生长成不同尺寸的晶粒,形成晶界和晶化层.这样,在Sb 与Se 两界面层之间存在Sb 2Se 3晶化层或较大的Sb 2Se 3晶粒;同样,对于这一界面层的存在,其热胀系数与Se 层和Sb 层都不同,这无疑会导致裂纹的产生.退火前的样品,从玻璃衬底上看,Se 层呈现出淡红色,而正面则是银灰色的Sb 膜层;退火后,发现另一个明显的现象是,整个样品呈现较暗的银灰颜色.由此可见,非晶态的Se 已晶化,同时Se 、Sb 间退火时存在明显的扩散.由于Se 在40℃时晶化[6],温度再升高时即导致Se 样品的升华;我们认为,Se 在整个退火过程中,存在晶化和升华以及由升华导致的与Sb 层之间的相互热扩散两个过程,Se 晶化过程中释放的热量以及升华导致原子所具备足够大的动能,同时Se 与Sb 结合导致的放热反应都将导致在较低的温度下(90℃)Sb 2Se 3的晶化.而从符合化学配比的非晶态Sb 2Se 3中结晶出Sb 2Se 3需要较高的温度(150℃至170℃之间).在光记录介质中通常需要具有较低晶化温度的材料,这是由记录光学头半导体激光器的读和写功率限定的.(4)最后一个可能因素,存在于衬底与Se 层之间的热匹配关系.晶化前,非晶态的Se 与玻璃衬底附着很好;退火过程中,Se 由红色变成灰色表明非晶态的Se 已转变成了晶态的Se ,这从X 射线衍射分析中可见.在热处理过程中,非晶态的Se 显著地晶化,Se 膜层受到Sb 层的屏蔽作用,得不到升华进而形成大面积的晶化层,因此得到较强的晶化峰;否则,Se 的升华会破坏已形成的晶体完整性.由此可见,存在于Se 层与玻璃间明显的应力将导致样品表面出现裂纹.这与前面所观察到的单层Se 薄膜晶化时出现的裂纹机理是相一致的.但由于受到Sb 层的阻止作用,非晶态的Se 在热处理过程中得到较大的晶化层,因此出现的裂纹要比单层Se 膜中出现的裂纹要少得多.同时薄膜产生的热应力相应要大,因此裂纹也相应要大.综上所述,样品裂纹的出现与非晶态Se 膜的晶化有较大的关系.在热处理过程中,由于受到Sb 晶化层的屏蔽作用,抑制了Se 的升华,使得非晶态的Se 生长成较大的晶化膜,9335期 鲍海飞等: Sb Se 薄膜的晶化特性研究 043 半 导 体 学 报 19卷晶化膜与玻璃衬底之间的热应力失配是导致这种现象的主要原因,同时Sb2Se3的晶化及Se晶化层与Sb层之间的热应力失配也是不可忽略的因素,这还有待实验的进一步证实.4 结论由以上分析可见,在薄膜制备过程中,材料的淀积速率、真空度、衬底温度无疑会在不同程度上影响着薄膜的特性,而材料本身的特性则是第一位的.在薄膜淀积到衬底上时,界面间以及层内晶核的形成不可避免,同时导致Sb与Se原子之间的化学反应,这种化学反应进一步释放其热量会导致周围材料的晶核形成及晶化.对于双层膜,在退火过程中, Se原子的升华促进了层与层之间原子的相互扩散,引起组分的改变;扩散过程使原子本身携带相当大的动能,这动能可能会加剧薄膜的晶化.文献[8]中论述了这种动力学机制导致材料状态变化的可能.薄膜在晶化过程中,不同的晶核按照各自的生长速率生长,形成较大的晶粒或晶化层以及晶界界面,晶化层之间晶格失配以及其热胀系数的差异会导致薄膜表面裂纹的形成.研究薄膜特性,能为我们提供更多的方法和途径以解决目前所面临的合成方法问题.参考文献[1] 何宇亮,陈光华,张仿清,非晶态半导体物理学,北京:高等教育出版社,1989年6月.[2] 戎蔼伦,司徒活,张忠麟,光信息存储的原理、工艺及系统设计,北京:国防工业出版社,1993年9月.[3] 司俊杰,戎蔼伦,无机材料学报,1991,6(3):306～314.[4] E.H aro2Poniatow sk i et al.,Physica,1994,A207:329～333.[5] Johnson et al.,Science,1995,270:1157～1158.[6] K.Ko lev and M.W autelet,A pp l.Phys.,1991,A52:192.[7] 饭田修一,大野和郎,等,物理学常用数表,北京:科学出版社,1979年8月.[8] M.L ibera,A pp l.Phys.L ett.,1996,68(3):331～333.Study of Crysta ll iza tion of Sb Se Th i n F il mB ao H aifei,Ye Shu ich i,L an M u jie,Yuan B aohong,H e D aiyi,Zhou Sh iren,W ang Q i (D ep art m ent of M icro2E lectron ic T echnology,S chool of A stronau tics,H a rbin Institu te of T echnology,H a rbin 150001)R eceived25M arch1997,revised m anuscri p t received5June1997Abstract A b rief review of app licati on s in am o rp hou s sem iconducto rs is m ade based on the Se m aterial.Single layer of th in fil m s of Se,Sb,and Sb dop ed in Se and doub le layers of Sb depo sited on Se fil m w ere p rep ared by u sing therm al evapo rati on m ethod.X2ray diffracti on techno logy is app lied to research the crystallizati on characteristics of th in fil m s befo re and after fu rnace annealing and the m o rp ho logy of the doub le layers is ob served by u sing op tical m icro scop e.C rack in is found on the su rface of doub le layers after annealing. T he reason s of crack ing are analyzed by u sing X2ray diffracti on com b ined w ith the therm al p aram eters of the m aterials.PACC:6140D,6150C,6110F。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 结果及讨论
2. 1 PECVD 制备非晶硅薄膜的成膜机理
图 1 是 PECVD 制备非晶硅成膜的示意图 ,主
要过程为[11] : 首先 , 在非平衡等离子体中 , 电子与
Si H4 发生初级反应 ,形成 Si Hm 离子和活性基团 (图 1 中 A 、B 、C 所示过程) ;其次 ,活性基团向薄膜生长
N 为单位体积分子个数 ,γ为衰减系数 , 仅与物质结
构有关 , m 为电子质量 ,ε0 为真空介电常数 。
关键词 : 非晶硅 ; P ECVD ; 折射率 ; 表面形貌 ; 生长机理 中图分类号 : O484. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2010) 03 - 0406 - 06
Process Research on Surface Morphology and Refractive Index of Amorphous Silicon Thin Films Deposited by PECVD
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 31 No. 3
材料 、结构及工艺
June 2010
非晶硅薄膜表面形貌和光学性质的工艺研究
张佳宁1 , 刘 爽1 , 张 怡2 , 陈 伟1
( 1. 电子科技大学 光电信息学院 , 成都 610054 ; 2. 重庆光电技术研究所 , 重庆 400060)
《半导体光电》2010 年 6 月第 31 卷第 3 期
频率相同的次波 ,但次波在强度和相位上与入射光 波相比发生了一定程度上的改变 。折射率与入射光
频率的关系[12 ] 如下 :
n
=
1
+
N e2
2ε0 m
(ω20
ω20 - ω2 -ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱω2 ) 2 +γ2ω2
(1)
式中 ,ω0 为电子的固有振动频率 ,ω为入射光频率 ,
不同的应用领域对于非晶硅薄膜结构有着不同
收稿日期 :2009 - 08 - 28.
·406 ·
的要求 ,比如 ,用于太阳电池[9] 的非晶硅常通过增加 界面以及内部的微结构缺陷来提高光子的捕获能 力 ,从而提高光伏转换效率 ;而对于集成光学无源器 件[10] ,则要求非晶硅薄膜表面均匀 ,折射率高 ,透光 性能好 。非晶硅薄膜具有无定形结构 ,原子间网格 无序排列 ,这使得它的性质在不同的制备方法和工 艺条件下具有很高的灵活性 ,可以根据应用领域对 于薄膜结构特性的要求 ,采用特定的制备方法和工 艺参数 。实验采用纯硅烷辉光放电的方法在不同工 艺参数下制备了一系列的非晶硅薄膜样品 ,并对样 品的表面形态和光学参数进行了测试 。根据测试结 果并结合非晶硅薄膜生长机理对不同工艺条件下表
Key words : amo rp ho us silico n ; P ECVD ; ref ractive index ; morp holo gy ; growt h mechanism
0 引言
非晶硅是一种新兴的半导体薄膜材料 ,广泛应 用于太阳电池[1] 、液晶显示[2 ] 、薄膜晶体管[3 ] 、红外 探测[4] 等领域 。它的制备方法主要有 :等离子加强 化学气相沉积 ( PECVD) 法 、磁控溅射法 、热丝化学 气相沉积 ( H WCVD) 、粒子束辅助蒸发等等[527] 。其 中 , PECVD 法制备的非晶硅折射率高 , 热光性能 好 ,并且便于集成 ,因此它在热光调谐的无源光器件 当中也有很好的应用前景[8] 。
(a) 225 ℃
(a) 70 Pa
(b) 50 Pa 图 3 不同压强样品显微照片
图 4 为不同基底温度制备薄膜表面显微照片 , 从图中可以看到 225 ℃样品内部有少量的圆形孔洞 且表面有大量不规则缺陷 ; 275 ℃样品表面缺陷明 显减少 ,但仔细观察发现薄膜内部出现较多的微型
·408 ·
图 1 PECVD 法制备非晶硅成膜示意图
2. 2 工艺参数对薄膜表面形态的影响 图 2 是射频功率分别为 15 W 和 30 W 样品的
薄膜表面形貌显微镜照片 ,如图所示 ,功率为 15 W 时 ,样品中圆形孔洞大且多 ,表面缺陷较少 ;30 W 时 样品孔洞明显减少 ,但表面不规则缺陷增多 。在低 功率条件下 ,等离子体能量较低 ,初级反应产物主要 为 Si H3 ,等离子体中 H 原子较少 ,氢原子的离化主 要发生在薄膜生长时的放氢过程 ,氢气的存在使活 性基团无法与 H2 分子另一侧的 Si 原子吸附成键 ,
Abstract : Amorp ho us t hin films were depo sited by P ECVD o n K9 glass subst rates. Three gro up s of a2Si film samples were p repared wit h different p rocessing parameter s. Surface morp hology and op tical p roperties were o bserved by metallograp hic micro scope and ellip so meter respectively. The test result s were analyzed by using t he growt h mechanism of a2Si films and t he classical elect ro n t heory. It is co ncluded t hat t he surface morp holo gy and optical p roperties of t he samples were determined by t he p rocessing parameter s indirectly t hro ugh t he micro2p rocess such as surface diff usio n , ato mic etching , energy.
《半导体光电》2010 年 6 月第 31 卷第 3 期
张佳宁 等 : 非晶硅薄膜表面形貌和光学性质的工艺研究
面形态和光学参数的变化进行了分析 。
1 实验
非晶硅沉积采用 P ECVD ,衬底采用 K9 玻璃 , 反应气体为纯硅烷 ( 99. 9 %) ,流量为 40 cm3 ,沉积 时间 5 min 。通过改变射频功率 、反应压强 、衬底温 度制备样品 ,工艺参数如表 1 。
ZHAN G J ianing1 , L IU Shuang1 , ZHAN G Yi2 , C H EN Wei1
( 1. School of Optoelectronic Information , University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054 , CHN; 2. Chongqing Optoelectronics Reseach Institute , Chongqing 400060 , CHN)
摘 要 : 采用 P ECVD 在 K9 玻璃基底上制备了非晶硅薄膜 ,通过改变射频功率 、反应压强 和基片温度制得不同的薄膜样品 。采用金相显微镜对其表面形貌进行了观察 ,通过椭圆偏振法测 得了不同工艺条件下薄膜样品的折射率 、消光率及厚度 。结合成膜机理和经典电子理论对测试结 果进行分析得到 ,工艺参数通过表面扩散 、原子刻蚀以及基元成分 、能量和浓度等中间因素决定着 样品的表面形貌和光学性质 。
(a) 15 W
(b) 30 W 图 2 不同射频功率样品的显微照片
·407 ·
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 31 No. 3
从而形成了圆形孔洞 (如图 1 中 D 区域所示) ;随着 射频功率的增加 ,初级反应产物当中 Si H3 数量下 降 ,Si H2 和 Si H 比例增加 ,等离子体中的 H 原子数 量增加 ,对薄膜表面的刻蚀作用增强 ,造成了较多的 表面缺陷 ,同时弱的 Si - Si 键被破坏 ,Si - Si 键重组 的几率增加 ,随着薄膜表面化学键不断地重组薄膜 中的 H2 也更容易释放 ,因此内部孔洞明显减少 。
面的过程 ,如图 1 所示 。
另外 ,氢原子在薄膜沉积当中也起了重要的作
用 ,一方面 ,它与薄膜表面的悬挂键结合 ,对薄膜生
长起到了钝化的作用 ,是 a2Si ∶H 的重要反应物 。
另一方面 ,氢原子通过刻蚀作用破坏着薄膜表面的
生长 。
Si (固) + H (气) →Si H (气) (刻蚀) ( ⅳ)
著 。以 Si H2 为例 :
Si H2 + ( Si - H) →( Si - Si H33 )
( ⅰ)
( Si - Si H33 ) →( Si - Si H) + H2 (放氢) ( ⅱ) ( Si - Si H) + ( Si - H) →( Si - Si - Si H2 ) ( ⅲ) ( ⅰ) 、( ⅱ) 、( ⅲ) 分别为 Si H2 所对应的吸附成 键 、放氢和最后与邻近 Si - H 结合构成新的生长表
表 1 工艺参数 射频功率/ W 20 30 40 30 30 30 30 30 30 反映压强/ Pa 60 60 60 50 60 70 60 60 60 衬底温度/ ℃ 250 250 250 250 250 250 225 250 275
采用金相显微镜观察样品表面形貌和 SE850 型椭偏仪测试薄膜厚度及光学常数 。
表面和管壁扩散输运 ,同时发生各反应物之间的次
级反应 (对于 P ECVD 制备非晶硅薄膜通常选用 10
～100 Pa ,电子能量小于 10 eV ,因此次级反应的离
化物比例较小) ;最后 ,初级和次级反应产物经过吸