常壓等離子體化學氣相沉積制備納米多孔硅基薄膜的過程和特性研究.pdf

1、本文中主要闡述了通過常壓介質阻擋放電等離子體化學氣相沉積(APECVD)方法，利用硅烷(SiH4)為硅源，與氬氣(Ar)、氫氣(H2)按照一定配比混合，在不同的反應條件下進行氣相沉積反應，并通過引入脈沖負偏壓調(diào)節(jié)薄膜的微觀結構、形態(tài)和性能，制備了帶有新穎結構和特殊藍紫光發(fā)光特性的硅基薄膜。 本實驗中所采用的實驗裝置為自行設計組裝的常壓介質阻擋放電裝置，并配合以混合氣路。該PECVD在制備薄膜上有著：放電形式簡單，設備成本較之低氣

2、壓等離子體設備大大降低；自行設計的交叉梳狀式立體電極，耗能較低，并且產(chǎn)生的等離子體區(qū)域穩(wěn)定均勻，所形成的氣體通道利于反應氣體充分均勻反應，達到較優(yōu)的沉積效果。本常壓等離子體介質阻擋放電為干法制備，更為符合光電子器件領域的要求，優(yōu)于傳統(tǒng)的電化學等眾多濕法制備多孔硅的方法。 在對介質阻擋放電參量進行的測定及分析的基礎上對PECVD的等離子體薄膜制備過程進行了探討。整個實驗中，介質阻擋放電頻率在30-40kHZ范圍，電壓值在6-12k

3、V范圍，放電功率值在2.6-4.0W范圍。通過介質阻擋放電發(fā)射光譜與放電條件的關系，并對電子溫度的加以測量計算，從機理上分析了放電條件和多孔硅基薄膜的沉積過程的關系。并且根據(jù)SiH4分子因受電子碰撞發(fā)生離解過程所需的能量不同，可以推算出本實驗方法產(chǎn)生的硅烷與氬等離子體中，硅烷有不同程度的裂解。 對本法制備的硅基薄膜進行了表征。通過SEM測試結果發(fā)現(xiàn)了硅烷流量和襯底偏壓對薄膜的表面形貌的形成都有著直接的影響。發(fā)現(xiàn)Ar：H2：SiH

4、4=7.5L/min：30ml/min：15ml/min下大大減少了團聚情況，薄膜更為均勻。并且隨著偏壓的引入，使得硅基薄膜的表面形態(tài)和結構由顆粒團聚轉變?yōu)榧{米絮狀多孔結構，并且隨著偏壓的增加，硅線尺度逐漸變小，并且多孔結構越加明顯。采用了正電子湮沒技術對多孔硅基薄膜進行了研究。發(fā)現(xiàn)在偏壓條件下，較好地減少了缺陷類型，并可近似地認為只有一種缺陷類型，消除了不少點缺陷類型，為制備較高質量的硅基薄膜提供了重要的作用。同時通過對其S參數(shù)的分析

5、證實了薄膜呈現(xiàn)出來明顯的多孔結構，并且孔隙較大，這與SEM觀測結果完全符合。EDS對其化學成分進行了證實，同時通過FTIR指認了紅外特征峰，并研究了放電功率以及偏壓對紅外譜的影響，結果表明，薄膜存在Si—O—Si結構，且隨放電功率增加，Si—O—Si特征峰強度增大。通過XPS我們確定了該硅基薄膜中含有的三種主要的不同價態(tài)的硅，分別為Si0，Si2+和Si3+，其中Si2+的百分比含量最高，其次是Si3+。 對納米多孔硅基薄膜的光

6、致熒光進行了分析。發(fā)現(xiàn)，該多孔硅基薄膜的光致發(fā)光的譜線帶主要集中與藍紫光區(qū)，主峰值在400nm附近，并且峰較窄，從430nm起存有較明顯的寬峰譜帶，據(jù)此判斷，此光致熒光現(xiàn)象有多種不同產(chǎn)生機理同時存在。對發(fā)光譜圖進行了高斯擬合分峰。結果發(fā)現(xiàn)，該光致發(fā)光譜基本上可以用峰位在3.15eV(393nm)，2.71eV(457nm)和2.31eV(535nm)的三條高斯曲線完美擬合，表征了該薄膜可能存在若干種發(fā)光機制。對應于SEM的表面結構的結果