微晶硅薄膜的制备及x射线衍射现象的分析

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1、微晶硅薄膜的制备及X射线衍射现象的分析物理与电子信息学院毕业论文钱丽敏（学号：20071116165）（物理与电子信息学院物理学专业2007级汉班，内蒙古呼和浩特010022）指导教师：周炳卿摘要：利用射频等离子体增强型化学气相沉积技术低温制备了氢化纳米晶硅薄膜。通过对做好的微晶硅薄膜做X衍射实验，可以得到微晶硅薄膜的X衍射谱线。通过对所得的X衍射谱线的分析及相关的公式，可以计算微晶硅薄膜的晶粒度及衍射峰的半高度。通过X衍射实验测试表明，沉积的薄膜在晶粒度上符合纳米晶的条件。关键词：化学气相；技术；微晶硅薄膜；X衍射；分析1引言纳米晶硅（nc-Si)同非晶

2、硅（a-Si)一样是硅的一种同素异型体，具有小的无定形态的硅晶粒?1?。纳米晶硅薄膜材料由纳米量级(1～10nm)的晶粒和晶粒间界组成,它是一种既不同于单晶硅和多晶硅，又不同于非晶硅和微晶硅的一种独特的人工合成薄膜材料。制备的基本原理是把纳米粒子直接沉淀在低温基片上。研究表明,纳米晶硅薄膜具有如量子尺寸效应、量子隧道效应、表面效应等量子现象和独特的光学和电学特性。纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体,可望广泛应用于薄膜太阳能电池、光存储器、发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料。为了使化学反应在较低的温度下进行，利用了等离子体的

3、活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相技术。这种技术的实验机理：借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。PECVD具有设备简单，技术成熟，沉积温度低，成膜质量好等优点，通过对沉积参数的调制和优化，可以制备出优质的微晶硅薄膜。用做好的薄膜做X射线衍射，并对其进行分析。X射线衍射分析（X-raydiffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线

4、因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示1与结晶结构相对应的特有的衍射现象。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。2薄膜的制备纳米晶硅（nc-Si)同非晶硅（a-Si)一样是硅的一种同素异型体，具有小的无定形态的硅晶粒[1]。纳米晶硅薄膜材料由纳米量级(1～10nm)的晶粒和晶粒间界组成,它是一种既不同于单晶硅和多晶硅，又不同于非晶硅和微晶硅的一种独特的人工合成薄膜材料。制备的基本原理是把纳米粒子直接沉淀在低温基片上[1]。为了能够制备出具有高质量的

5、nc-Si:H膜，国内外许多研究者己尝试了多种生长方法，归纳起来大体可以分为两类。一类是物理沉积方法，如射频溅射、真空蒸发和激光烧蚀等均属此类方法。另一类则是化学沉积方法，如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，这种方法等离子增强化学气相沉积简称PECVD（PlasmaEnhanceChemicalVapourDeposition）。等离子体增强化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。是一种生长

6、纳米晶硅薄膜的常用方法。设备简单、技术成熟、沉积温度低PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温实现。由于PECVD方法的主要应用领域是一些绝缘介质薄膜的低温沉积，因而PECVD技术中等离子体的产生也多借助于射频的方法，通过对沉积参数(衬底温度、射频功率、氢稀释度等)进行调制和优化,可以制备出优质的纳米

7、晶硅薄膜.显著的优点是基本温度低；沉积速率快；成膜质量好，针孔少，不易龟裂。所以本文是通过PECVD技术制备纳米晶硅薄膜。当然也有一些缺点，比如设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高（99.999%）；涂层过程中产生的剧烈噪音、辐射强、有害气体、金属蒸汽粉等对人体有害。2.1实验过程2物理与电子信息学院毕业论文装置如图1采用H2稀释SiH4为反应气体制备nc2Si:H薄膜.电极面积225cm2,衬底为Cor2ning7059玻璃片和单晶Si片,反应室内背景真空度小于2×10-4Pa.沉积参数:射频功率30W,沉积气压100～1000Pa,氢稀释度R=H2/

8、(SiH4+H2)在92%～99%范围内变化.温度Ts在350℃之