常壓等離子體化學(xué)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(zhì)阻擋放電等離子體化學(xué)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(yīng)條件下進(jìn)行氣相沉積反應(yīng)，并通過引入脈沖負(fù)偏壓調(diào)節(jié)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)和性能，制備了帶有新穎結(jié)構(gòu)和特殊藍(lán)紫光發(fā)光特性的硅基薄膜。 本實(shí)驗(yàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)組裝的常壓介質(zhì)阻擋放電裝置，并配合以混合氣路。該P(yáng)ECVD在制備薄膜上有著：放電形式簡單，設(shè)備成本較之低氣

2、壓等離子體設(shè)備大大降低；自行設(shè)計(jì)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(yīng)氣體充分均勻反應(yīng)，達(dá)到較優(yōu)的沉積效果。本常壓等離子體介質(zhì)阻擋放電為干法制備，更為符合光電子器件領(lǐng)域的要求，優(yōu)于傳統(tǒng)的電化學(xué)等眾多濕法制備多孔硅的方法。 在對介質(zhì)阻擋放電參量進(jìn)行的測定及分析的基礎(chǔ)上對PECVD的等離子體薄膜制備過程進(jìn)行了探討。整個實(shí)驗(yàn)中，介質(zhì)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(zhì)阻擋放電發(fā)射光譜與放電條件的關(guān)系，并對電子溫度的加以測量計(jì)算，從機(jī)理上分析了放電條件和多孔硅基薄膜的沉積過程的關(guān)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了表征。通過SEM測試結(jié)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(tuán)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(jié)構(gòu)由顆粒團(tuán)聚轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米絮狀多孔結(jié)構(gòu)，并且隨著偏壓的增加，硅線尺度逐漸變小，并且多孔結(jié)構(gòu)越加明顯。采用了正電子湮沒技術(shù)對多孔硅基薄膜進(jìn)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(rèn)為只有一種缺陷類型，消除了不少點(diǎn)缺陷類型，為制備較高質(zhì)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(shí)了薄膜呈現(xiàn)出來明顯的多孔結(jié)構(gòu)，并且孔隙較大，這與SEM觀測結(jié)果完全符合。EDS對其化學(xué)成分進(jìn)行了證實(shí)，同時通過FTIR指認(rèn)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(jié)果表明，薄膜存在Si—O—Si結(jié)構(gòu)，且隨放電功率增加，Si—O—Si特征峰強(qiáng)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(jìn)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(lán)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(jī)理同時存在。對發(fā)光譜圖進(jìn)行了高斯擬合分峰。結(jié)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(jī)制。對應(yīng)于SEM的表面結(jié)構(gòu)的結(jié)果