气体压强对非晶硅薄膜光学特性的影响

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光电子・激光

第19卷第3期　2008年3月　　　　　　JournalofOptoelectronics・Vol.19No.3　Mar.2008Laser　　　　　　　　

气体压强对非晶硅薄膜光学特性的影响3

李世彬,吴志明33,朱魁鹏,蒋亚东,李　伟,廖乃镘

(电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都610054)

摘要:采用RF2PECVD工艺在20～100Pa范围内改变a2Si:H薄膜沉积工作气体压强。傅立叶红外光谱仪(FTIR)测试KBr衬底上的薄膜红外光谱峰随工作气体压强的变化情况,结合红外光谱峰的理论分析确定薄膜中氢含量随工作气体压强变化规律。光谱式椭偏仪中用ForouhiBloomer(FB)模型拟合得到薄膜的折射率(n),消光系数(k),厚度及光学禁带Eg,并用扫描电镜(SEM)断面分析对椭偏仪测试结果的准确性进行验证。根据Tauc公式推出薄膜的光学禁带宽Eg和截止波长,并和FB模型得到结果进行了比较,Eg(FB)和Eg(Tauc)的差值在11meV内。原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)表征了工作气体压强对a2Si:H薄膜微结构的影响。　　　(Eg(Tauc))　(Eg(Tauc))　　(Eg(Tauc))关键词:非晶硅;工作压强;沉积速率;光学禁带宽度中图分类号:O484.1　文献标识码:A　文章编号:100520086(2008)0320352205

EffectofworkinggaspressureontheopticalpropertiesofRF2PECVDa2Si:Hfilms

LIShi2bin,WUZhi2ming33,ZHUKui2peng,JIANGYa2dong,LIWei,LIAONai2man

(SchoolofOptoelectronicInformation,StateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,Uni2versityofElectronicScienceandTechnologyofChinaChengdu610054,China)Abstract:Hydrogenatedamorphoussiliconfilmsweregrownbyplasmaenhancedchemicalvapordeposition(PECVD)andtheworkinggaspressureofsamplesvariedfrom20Pato100Pa.Fourier2TransformInfraredSpectrometer(FTIR)wasusedtocharacterizetheinfraredspectralfeatureoffilmsdepositedonKBrsubstrate.Thehydrogencontentoffilmswasin2fluencedbyworkinggaspressurethroughtheoreticanalysis.Therefractiveindex(n),extinctioncoefficient(k),thicknessesoffilmsandopticalbandgap(Eg(FB))wereobtainedthroughForouhiBloomer(FB)modelinspectraellipsometer(SE).Ap2pearanceoffracturewasanalyzedbyscanningelectronmicroscopy(SEM)tomakesuretheresultoffilmsthicknesses.Theopticalbandgap(Eg(Tauc))andcutoffwavelengthwerealsodeducedbyTaucformula,andthedifferencebetweenEg(FB)andEg(Tauc)iswithin11emV.TheeffectofworkinggaspressureonmicrostructureswascharacterizedbyAtomicForceMicros2

ope(AFM)andX2raydiffraction(XRD),respectively.　(Eg(FB))　(Eg(FB))　(Eg(FB))　(Eg(Tauc))Keywords:amorphoussilicon;workingpressure;depositionrate;opticalbandgap

1　引　言

　　氢化非晶硅(a2Si:H)主要用于大面积应用方面[1,2],近年

来在成像传感器中的应用也受到重视,特别是在非致冷红外焦平面阵列的应用上备受关注[3]。a2Si:H在非致冷微测辐射热计中不仅是电学通道,也是热学通道,同时还起到机械支撑的作用[4]。a2Si:H的性能在很大程度上取决于氢含量,对化学气相沉积(CVD)制备a2Si:H薄膜工艺而言,影响氢含量的主要因素有衬底温度,射频功率,工作气体压强,气体流量等。这些因素对薄膜特性的影响是相互的,因此在讨论某一因素对薄膜性能的影响时,需固定其它因素,更准确的了解RF2PECVD制备a2Si:H薄膜的光学特性是其应用于成像技术的一个重要方面。制备a2Si:H的方法也很多,有化学气相沉积法(CVD)、蒸

3收稿日期:2007201219　　　　修订日期:2007207223　3　基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET204206)　33E2mail:zmwu@uestc.edu.cn

发法、溅射法和晶体表面层非晶化法。电容耦合RF2PECVD

法是化学气相沉积中最成熟且用的最多的方法,用此制备a2

[5]

Si:H的质量也是最好的。影响RF2PECVD薄膜沉积a2Si:H速率及性能的因素有多个,如真空度,射频功率,气体流量,衬底温度等,而且这些因素对薄膜的影响是相互的。因此在讨论某一因素变化对薄膜性能影响时,需固定其它工艺条件。薄膜厚度的测试采用椭圆偏振法,椭偏法是一种测量光在样品表面反射后偏振状态改变的光学方法,它可以同时测得薄膜样品的厚度和光学常数,具有非接触性、非破坏性以及高灵敏度、高精度等优点,广泛用于薄膜厚度及光学常数的测定,同时多角度测量增加了椭偏测量的可靠性。　　本文采用椭圆偏振仪建立模型拟合得到薄膜厚度及光学常数(n,k),并用SEM断面分析验证椭偏仪测试结果的准确

第3期　李世彬等:气体压强对非晶硅薄膜光学特性的影响　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

度,傅立叶红外光谱仪(FTIR)测定薄膜中硅氢成键方式的变化,采用原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)表征了薄膜的微结构变化,得到工作气体压强对制备a2Si:H薄膜性能的影响规律。

2　实　验

　　采用PECVD2350型等离子体增强化学气相沉积装置(中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司),以纯硅烷为反应气体,N2为尾气稀释气体。由于a2Si:H的热膨胀系数与硅的热膨

)大致一样,普通玻璃热膨胀系数一般在胀系数(3.0×1026/℃

9.0×1026/℃以上,因此沉积在普通玻璃上的a2Si:H容易脱落,因此实验使用和a2Si:H热膨胀系数差不多的1.1mm厚的石英玻璃衬低(热膨胀4.0×1026/℃左右)。在KBr压片的衬底上沉积a2Si:H薄膜,用于傅立叶红外吸收光谱的测试,加热KBr衬底时要控制加热功率,缓慢加热,防止片子破裂。玻璃衬底先用丙酮、乙醇、去离子水清洗后再用丙酮超声清洗半小时,去离子水洗净,N2吹干后放入反应室,衬底升温至薄膜沉积温度保持加热3h左右开始沉积薄膜,样品SA,SB,SC,SD,SE的工作气体压强(P)分别为20Pa,40Pa,60Pa,80Pa,100Pa,其它工艺参数见表1。光谱式椭圆偏振仪为德国SEN2TECHInstruments.GmH公司产SE850,SEM为日本电子株式会社所产的JSM25900LV,原子力显微镜(AFM)为日本精工产型号为SPA400,傅立叶变换红外采用美国尼高力产Nicolet2560光谱仪测试,X射线衍射在荷兰产菲利浦的X’pertPro上测试。

表1　等离子体增强化学气相沉积a2Si:H薄膜工艺参数

Tab.1　Experimentalparametersforthedeposition

ofa2Si:HthinfilmsbyPECVD

ProcessconditionsBasepressure/PaIncidentfrequency/MHzIncidentpower/WElectrodediameter/cm

Parameters13.5016

ProcessconditionsDepositiontime/minSiH4flowrate/sccmInterelectrodedistance/cm

Parameters

25015102.5

1.0×1024Substratetemperature/℃

变化很小的前提下(如图4所示,样品厚度变化在15nm以内,

其对吸收的影响可以忽略),吸收系数与透射率的值变化趋势相反。对相同的原子团而言,吸收系数值越大,特征峰越强,其积分面积越大,氢含量更高。氢对a2Si悬挂键的饱和能够改变薄膜的物理性能,氢在a2Si:H薄膜中的含量是影响薄膜质量的关键因素。a2Si:H薄膜中仍保留有部分需要被饱和的悬挂键及其它缺陷,不同工作气体压强条件下悬挂键保留程度不同。a2Si:H薄膜中H原子主要以SiH和SiH2原子团存在,两种原子团不同键合方式如图1所示,SiH的伸缩键合(Stretch)红外光谱峰频率在2000cm-1,弯曲键合(Bend)红外光谱峰频率出现在630cm-1,两种键合的氢含量比例常数A[6]分别为

19-219-2

9.0×10cm和1.6×10cm。SiH2的伸缩键合(Stretch)和弯曲剪切键合(Bend2scissors)的红外光谱峰频率分别为2090cm-1,880cm-1,对应的比例常数A[6]值为2.2×1020cm-2和2.0×1019cm-2,根据不同原子团的比例常数A和红外光谱峰的积分面积,可以比较样品中氢含量的多少。由图2所示的FT2IR分析结果可以看出,在较低的气体工作压强(如SA,SB)下,红外光谱在频率为630cm-1和2000cm-1处分别出现SiH原子团的弯曲键合(Bend)和伸缩键合(Stretch)的特征峰,样品SB的两处特征峰的吸收值更大,吸收特征峰更强,因此积分面积都大于SA,所以SB的氢含量高于SA。样品SC在频率为880cm-1处有微弱的特征峰,而在630cm-1和2000cm-1的红外光谱峰的积分面积较SB更大因此可以断定其氢含量在增加。样品SD不仅在频率2000cm-1处红外光谱峰,在频率2090cm-1处还出现了SiH2的伸缩键合(Stretch)的红外光谱峰,在频率880cm-1和630cm-1处的特征峰也进一步增强,因此样品SD的氢含量比SC更高。样品SE在频率2090cm-1,880cm-1,630cm-1处的红外光谱峰明显强于SD,其氢含量随工作气体压强增大而增加。

3　结果与讨论

3.1　傅立叶红外(FTIR)分析

　　氢在a2Si:H薄膜中的含量和硅氢原子形成化学键对光的吸收强度有关,具体计算方法如式(1):α)dω　　　　NH=A(/ω

图1　SiH和SiH2原子团的键合

Fig.1　ThecrosslinkofSiHandSiH2group

∫

(1)

　　其中NH是氢含量,A是化学键氢含量的比例常数,α是吸

收系数,ω为波的频率,积分项的值和红外光谱峰的面积成正比,比例常数A的确定方式如式(2):

μωπ(e3)2(2)　　　　A=cn0/2

　　c为光速,n是折射率,μ为振动原子的缩减质量,ω0是化学键红外测试峰的峰值频率,e3为比例常数,其值随硅氢原子键合方式变化。在无干涉条件下透射率与吸收系数之间存在如下关系:

αα

　　　　T=(1-R)2e-d/(1-R2e-2d)⊥1/T=

ααd2d2

(3)[e-(R/e)]/(1-R)

　　其中T为透射率,α是吸收系数,d为薄膜厚度,R为多层膜界面反射损失系数,对相同的膜层其值为常数。在样品厚度

3.2　工作气体压强(P)对折射率(n)和膜厚(d)的影响

　　椭偏仪中选择ForouhiBloomer(FB)数值分析模型[7],根据a2Si:H薄膜沉积条件在SE850光谱式椭偏仪上建立样品SD的测试模型,测得膜厚为349±1.124nm,并用SEM断面分析(结果如图3)测试膜厚,膜厚均值与椭偏仪测试结果相差在2nm范围内,因此椭偏测试具有很高的精度,其它样品也采用相同方法测试。通过椭偏测试得到在波长500～700nm范围内折射率(n)随薄膜沉积工作气体压强的变化规律如图4所示,可以看出随着压强的降低,折射率也在增加,这是由于薄膜中的氢含量随压强降低而降低,导致薄膜的致密度增加所致。当

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工作压强从低开始上升时,参与反应的气体增加,到达基片表面的反应产物增多,同时压强适当提高,反应室内的等离子体密度增大,反应气体中活性粒子增多,从而得到高的沉积速率。但当工作压强进一步上升到较高值时,等离子体密度增加不大,使反应气体活性变弱,导致在高气压范围沉积速率增高较少。电子或离子的平均自由程比较短,将会发生大量电子或离子与原子团(包括SiH4、SiH3、SiH2、SiH、H2、H)之间的碰撞,这种大量的碰撞导致它们之间的聚合,形成(SiH2)n聚合物(黄色粉末),从而大大降低了a2Si:H薄膜的质量。因此在一定工艺条件下不能为了提高薄膜沉积速率而过多增大工作压强。

2008年　第19卷　・激光　3.3　工作气体压强(P)对薄膜光学禁带宽度的影响

　　半导体材料在适当波长照射下,电子在吸收光子后由价带

跃迁到导带,在价带上留下一个空穴,这种现象称为光吸收,要发生光吸收必须满足能量守恒定律,也就是光子能量大于禁带宽度Eg,即

(4)　　　　hv≥Eg

其中h是普朗克常量,v为光的频率,若光子能量小于禁带宽度,则光不能被吸收。薄膜对光的吸收系数α与消光系数k之间的关系为

πα=4k(5)　　　　λ

可见在相同的波长下,消光系数k与吸收系数存在正比关系,用椭偏仪在400～650nm波长范围内测得样品的消光系数(如图5所示),同时根据式(5)计算得到500～580nm波长范围内的吸收系数。又因为吸收系数与光学禁带宽度存在如下关系

α(λ)hv=B(hv-Eg)2(6)　　　　

图2　不同样品的红外光谱特征

Fig.2　Infraredspectralfeatureofdifferentsamples

图5　工作气体压强消光系数k的影响

Fig.5　Dependenceofextinctioncoefficientk

offilmonworkinggaspressure

图3　样品SD的SEM断面分析图

Fig.3　appearanceoffractureofsampleSD

图4　工作气体压强对折射率及膜厚的影响

Fig.4　Dependenceoffilms′thicknessesonworkinggaspressure

这里的B是与材料性质相关的常数,hv是光子能量,由式(6)(λ)hv]1/2与hv的关系曲线基本上是一条直线,把这一直可知[α

线外推到hv轴上,得到的截距就是光学禁带宽度Eg。结合图5计算所得的吸收系数值,表2给出了工作压强对光学禁带宽度的影响规律可以看出随着工作压强的降低,光学禁带宽度Eg先是减小,达到一最小值后,随着压强降低,Eg反而增加。由于定域态密度和光学禁带宽度Eg之间存在正比关系,当工作压强降低,原子(团)的热运动加剧,原子(团)在新生膜表面运动范围增大,同时a2Si:H中的SiH2的相对含量急剧随压强的降低而下降,a2Si:H中的氢更多的是以SiH原子团的形式存在,而定域态密度的变化与SiH/SiH2的变化成反比,所以随工作压强的降低,定域态密度先降低,Eg也降低。当工作压强继续降低,氢的总含量也减少,造成更多悬挂键的趋势,在工作压强不太低时这种效果不明显,而当工作压强降低到一定程度,则会使氢的总含量下降很多,a2Si:H中的SiH、SiH2原子团都减少的很厉害,当SiH下降的太多时,定域态密度反而上升,Eg也随之增大。在得到光学禁带宽度后,根据式(6)可以算出薄膜的吸收截止波长(见表2)。波长大于吸收截止波长的光不会被吸收,因此可以认为在此工艺条件下制备非晶硅在可见

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第3期　李世彬等:气体压强对非晶硅薄膜光学特性的影响　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

光范围内有吸收,在大于吸收截止波长的红外波段内无吸收。吸收截止波长所对应的k值,在椭偏仪中近红外波段(1-2μm)拟合得到,具体值如表2所示,由测试结果可知,吸收截止波长对应的消光系数都趋近于零,即此波长下薄膜对光几乎无吸收,消光系数k仍然满足受工作压强影响的变化规律。在椭偏仪中选择FB数值分析模型不仅可以拟合得到膜厚和光学常数,同时还可以得到光学禁带宽度。采用这两种方法求得的光学禁带宽度的结果在表2中给出。可以看出两种方法求得

表2　工作气体压强对光学特性的影响

Tab.2　Dependenceofopticalcharactersonworkinggaspressure

SampleSASBSCSDSE

Eg(FB)

的光学禁带宽度随工作压强变化趋势相同,相差值在11meV

内,准确度较高。

3.4　薄膜的AFM形貌及XRD分析

　　不同工作压强下沉积的一组薄膜样品SA、SB、SC、SD、SE的峰谷值(P2V)分别为1.6027nm,1.156nm,1.122nm,2.116nm和2.040nm;平均粗糙度(Ra)分别为1.705nm,1.605nm,1.151nm,1.288nm和2.211nm。可以看出在工作压强为60Pa沉积的薄膜样品SC的峰谷值和平均粗糙度值都比较小。这是因为在工作压强较低的情况下(样品SA、SB),电子或者离子的平均自由程较大,等离子体中的中性产物(主要是SiH和SiH2)量较少,薄膜沉积速率较低,膜的粗糙度增大。当工作压强偏高时(样品SD、SE),电子或离子的平均自由程比较短,膜的生长速度过快,也导致膜的粗糙度增加。图7是SA和SE的XRD图谱,SE在28°处有硅的漫反射出现。图8是SE的XRD峰的局部峰的高斯拟合,23°处峰为石英玻璃衬底SiO2的漫反射,28°位置有相对较强的硅的漫反射,这一特征峰可能为硅烷裂解后原子团的聚合物(SimHn)或者是薄膜有微晶化现象。

/eV1.3521.2601.4111.5401.657

Eg(Tauc)CutoffwavelengthExtinctioncoefficient

/μmk/eV

1.3411.2521.4001.5351.654

0.92630.99220.88730.80920.7510

1.425×10252.123×10259.561×10267.504×10265.923×1026

图6　样品SA和SE的AFM表面形貌图

Fig.6　AFMmorphologyofsampleA1andE1

图7　样品SA和SE1的XRD图谱

Fig.7　XRDpatternsofsampleSAandSE

4　结　论

　　本文采用RF2PECVD工艺,在不同工作压强下,成功的制

备出a2Si:H薄膜,并对样品进行了分析测试:

　　1)傅立叶红外(FTIR)光谱分析表明,氢在a2Si:H薄膜中存在形式也由较低压强下的SiH原子团较多向较高工作压强下的SiH2较多形式转变,即随着工作压强的增加SiH原子团逐渐减少,而SiH2原子团的量在增加;

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参考文献:

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semiconductorsandamorphousdielectrics[J].PhysicalReviewB,1986,34(10):7018.作者简介:

李世彬　(1977-),博士研究生,主要研究方向为:红外敏感材料、半导体薄膜及光敏传感器等1

图8　样品SE的XRD局部高斯拟合图谱Fig.8　PartGaussfitpatternsofXRDofsampleSE　　2)椭偏仪分析得到了气体工作压强对薄膜的折射率和沉积速率的影响规律,随着压强的降低,折射率在增加,沉积速率随工作压强的升高而增加,但是过高的工作压强也会导致大量(SiH2)n聚合物(黄色粉末)的出现,得不到高质量的薄膜;　　3)工作压强的变化影响薄膜的光学禁带宽度,较高工作压强下沉积的非晶硅薄膜的定域态密度高,光学禁带宽度Eg值大,消光系数k小,Eg随工作气体压强降低而降低,k随压强降低而增大,在压强降至40Pa时出现最值,进一步降低工作压强时Eg反而增大,k值则又有减小趋势;　　4)薄膜的AFM形貌分析表明,在60Pa工作压强下沉积的a2Si:H薄膜的峰谷值(P2V)和粗糙度都较低,薄膜质量较好。

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