CN103323444A - 一种判别多晶硅薄膜无序度的方法 - Google Patents

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邵盈
张艳敏
毛伟
胡然
刘小颖
闫超
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Abstract

本发明涉及多晶硅薄膜，特指一种判别多晶硅薄膜无序度的方法，用激光拉曼普仪测试多晶硅薄膜的拉曼光谱，获得多晶硅薄膜拉曼散射峰的频移值和半高宽，计算多晶硅薄膜的无序度。本发明对薄膜没有任何损坏，属于半导体薄膜材料领域。

Description

一种判别多晶硅薄膜无序度的方法
技术领域
本发明涉及多晶硅薄膜，特指一种判别多晶硅薄膜无序度的方法，用激光拉曼普仪测试多晶硅薄膜的拉曼光谱，由拉曼光谱计算出薄膜的无序度，而对薄膜没有任何损坏，属于半导体薄膜材料领域。
背景技术
多晶硅薄膜广泛应用于微机电系统（microelectromechanical system，MEMS），如利用表面微机械加工技术可制作出多晶硅静电马达；在热对流加速度计中，多晶硅电阻可用作加热器；在压力传感器中，掺杂的多晶硅薄膜可用作力敏元件；此外，多晶硅薄膜还广泛应用与陀螺仪、谐振器、微继电器和麦克风等典型的MEMS器件，可以说，多晶硅薄膜的发展对MEMS器件的发展有着重要的意义。
  与单晶硅相比，多晶硅薄膜失去了长程序的周期性规律，其晶格原子是杂乱无章排列的，但仍保持着几个晶格常数范围内的短程序；短程有序性标志着原子间化学作用（化学键）的性质，在决定半导体的基本特性方面起着主要的作用，如固体材料的能带结构、电导、热导、光学性质决定于材料的短程有序性。
短程有序的多晶硅，实际上是属于无序体系。无序体系可分为原胞无序、结构无序和拓扑型无序，其中原胞无序又可分为置换型无序和定量无序；晶格中的原子被其它原子取代或晶格中出现的空位、缺陷和位错等都属于置换型无序，而定量无序则是指物理量按晶胞的分布是无序的，最为直观的是在磁性材料中的磁无序，如磁化方向的无序；当原子所处的格点无序时，即为结构无序；但结构无序仅是指原子所处的位置而言，而一个无序物质的物理性质却主要决定于组成物体的原子之间的键合方式（原子之间的互作用性质），这一特性可用拓扑型无序来描述；结构无序所造成的晶格周期势以及原子之间的相互作用的无序就属这种类型的无序。
上述的三种无序是相互联系又是互相独立的，在同一种材料中三种无序类型往往同时存在，因此很难通过单一类型的无序来判断材料无序程度的大小；针对这一点，本发明则提供一种利用拉曼散射谱来计算多晶硅薄膜无序度的方法，通过对材料无序度的估算，能很好地推知材料的微结构情况。                                                                              
发明内容
针对多晶硅薄膜失去长程有序性的特点，本发明的目的在于提供一种判别多晶硅薄膜无序度的方法。
本发明采用所制备的多晶硅薄膜的拉曼光谱，通过拟合拉曼光谱获得谱峰的频移及半高宽，再由频移与半高宽平方的比值来推算多晶硅薄膜的无序度。
由于多晶硅薄膜失去了长程有序性，因此（声子）格波在多晶硅薄膜中的传播是衰减的，声子的相关长度受到制约，拉曼散射中的动量守恒定则将发生松弛，此时将有相当大部分 q≠0的声子被激发，在拉曼谱中表现为表现为横向光学（TO）模散射峰的变化，即峰位、峰形分别表现为便宜、展宽或非对称性化；图1、2和3分别是单晶硅衬底上制备的柱状、低应力和掺硼多晶硅薄膜的拉曼光谱，对理想的多晶硅薄膜来说，其TO模峰的峰位位于                                               
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE002
 ，半高宽
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE004
；由图可以看出，三种多晶硅薄膜的TO模峰的峰位都发生了红移，并且散射峰发生了非对称展宽。
利用无序结构中的非谐性振动势的表达式，可以推导计算多晶硅薄膜无序度的计算方法； 无序结构中的非谐振性振动势有如下的形式：
                   
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE006
                        （1）；
式中V（x）为非谐振性振动势，d，g和f均为正值，为力系数；x为原子的振动位移，其中的二次方项是原子振动的弹性势能部分，三次方项表示原子之间相互排斥的非对称性，四次方项表示大振幅下振动模式的软化，则描述无序结构中颗粒（m）的运动方程是非线性的，即
                
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE008
                       （2）；
显然，严格地解该方程是困难的，但可以用线性方法得到通解，设
则有
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE012
≈，
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE016
≈
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE018
；
再重新设D = 2d，G = 3g和F = 4f，则原方程（2）可重新写成如下的形式
                  
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE020
                    （3）；
即
                     
Figure 2013102052928100002DEST_PATH_IMAGE022
                      （4）；
则
                                               （5）；
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
 是键长，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
是与微结构形变相关的参量，它的线性项引起TO模峰半高宽的变化；它的平方项导致类TO模峰位的变化。
（5）式的频率
Figure DEST_PATH_IMAGE036
可进一步写成
                   
Figure DEST_PATH_IMAGE038
                       （6）；
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE040
是无任何应变时，基质原子晶态下TO模振动的频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
。又因为谱线宽为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，将这些表示式代入（6）式有
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE046
                           （7）；
显然，
Figure 556022DEST_PATH_IMAGE036
是包含各种振动模式的频率，由此可方便的得到
                      
Figure DEST_PATH_IMAGE048
                      （8）；
再重设
                        
Figure DEST_PATH_IMAGE050
                           （9）；
因而有
                       
Figure DEST_PATH_IMAGE052
                        （10）；
令
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，因此
                       
Figure DEST_PATH_IMAGE056
                          （11）；
最后有
                      
Figure DEST_PATH_IMAGE058
                         （12）；
式中C即为材料的无序度，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
=520 cm-1为理想多晶硅薄膜拉曼散射峰的峰位，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为实验获得的多晶硅薄膜拉曼散射峰的峰位，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为拉曼散射峰的半高宽；由式（12）可以看出，只要获得多晶硅薄膜的拉曼散射峰的频移和半高宽，就可以计算多晶硅薄膜的无序度。
由于C为一常数，因此可以通过测量多组数据，获得多个拉曼散射峰，并对散射峰进行拟合获得散射峰半高宽和频移值，这样就能获得更为准确的无序度C的值。
附图说明
图1给出的是非晶硅薄膜的拉曼光谱；
图2给出的是微晶硅薄膜的拉曼光谱；
图3给出的是纳米硅薄膜的拉曼光谱。
具体实施方式
下面通过具体实施进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅仅限于所述的实施例。
  具体实施步骤如下：
在LPCVD系统中，通入纯净的硅烷（SH4）使之分解沉积，在单晶硅衬底
上分别制备柱状和低应力多晶硅薄膜，前者的反应温度为650 ℃，后者反应温度为590 ℃，压力分别为233 mTorrr和250 mTorrr；将得到的柱状多晶硅薄膜进行掺杂，硼源为三氟化硼（BF3），注入能量为60 KeV，剂量为4×1015 /cm2；三种多晶硅薄膜的厚度都在500 nm左右。
分别对制备的柱状、低应力和掺硼多晶硅薄膜进行拉曼散射实验；如图1
所示为柱状多晶硅薄膜的拉曼光谱，图2为低应力晶硅薄膜的拉曼光谱，图3为掺硼多晶硅薄膜的拉曼光谱；测试结果表明，三种多晶硅薄膜TO模散射峰峰位发生了红移，峰形发生了非对称性展宽；由此，可以获得获得散射峰的频移值和半高宽；根据获得的频移值和半高宽，就可以根据式（12）计算多晶硅薄膜的无序度， C（柱状多晶硅）=
Figure DEST_PATH_IMAGE066
=
Figure DEST_PATH_IMAGE068
=0.043；C（低应力多晶硅）=
Figure DEST_PATH_IMAGE070
=
Figure DEST_PATH_IMAGE072
=0.091；C（掺硼多晶硅）==
Figure DEST_PATH_IMAGE076
=0.044；计算结果如表1所示；因此本发明提供了一种计算多晶硅薄膜无序度的方法。本发明方法操作简便，对薄膜没有任何破坏。
表1 多晶硅薄膜无序度的计算结果
无序度 柱状多晶硅 低应力多晶硅 掺硼多晶硅
C / cm-1 0.043 0.091 0.044

Claims (1)

1.一种判别多晶硅薄膜无序度的方法，其特征是：利用拉曼光谱对多晶硅薄膜进行表征，获得多晶硅薄膜拉曼散射峰的频移值和半高宽，计算出多晶硅薄膜的无序度，即
                                                                        
Figure 9106DEST_PATH_IMAGE002
                        
    式中C即为无序度，
Figure 2013102052928100001DEST_PATH_IMAGE004
=520 cm-1为理想多晶硅薄膜拉曼散射峰的峰位，
Figure 2013102052928100001DEST_PATH_IMAGE006
为实验获得的多晶硅薄膜拉曼散射峰的峰位，
Figure 2013102052928100001DEST_PATH_IMAGE008
为拉曼散射峰的半高宽，利用上
述公式，能够计算出所制备多晶硅薄膜的无序度。
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