辉光放电光谱法分析掺杂纳米硅薄膜的研究

资源类型:pdf 资源大小:411.00KB 文档分类:数理科学和化学 上传者:吴卓文

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【作者】 张毅  陈英颖  吴则嘉  刘晓晗  杨晟远  张林春 

【关键词】辉光放电光谱法 掺杂纳米硅薄膜 溅射 

【出版日期】2005-02-18

【摘要】介绍了利用辉光放电光谱法分析掺杂纳米硅薄膜,通过优化辉光光源激发参数、计算标准样品的溅射率,建立了掺杂纳米硅薄膜的定量表面分析方法。方法应用于实际掺杂纳米硅薄膜样品的分析,并将分析深度、剖析结果与表面形貌仪的结果进行了对照。试验结果表明,分析方法快速、准确,具有实际应用价值。

【刊名】理化检验(化学分册)

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  与非晶硅(a Si∶H)、微晶硅(μc Si∶H)和多晶硅(pc Si)相比,纳米硅薄膜(nc Si∶H)具有电导率高(10-3~10-1scm-1)、电导激活能低(ΔE=0 11~0.15eV),光热稳定性好,易于掺杂、具有明显的量子点特征等[1~4],利用纳米硅薄膜制备二极管元器件可得到与传统晶体二极管相比更优越的性能。对纳米硅薄膜,特别是掺杂的纳米硅薄膜进行表面化学分析,表征掺杂元素在纳米硅薄膜中浓度分布,有利于其制备工艺的优化、性能的整体评价和产品的应用研究。辉光放电光谱技术( Glow DischargeSpectrom etry,GDS)是基于惰性气体在低气压下放电的原理而发展起来的光谱分析技术。与其他的表面分析技术如俄歇(AES)、二次离子质谱(SIMS)等相比,具有分析速度快、结果定量、分析成本低等优势。对于掺杂厚度在1μm左右的纳米硅薄膜样品而言,辉光放电光谱技术是一种比较理想的快速分析技术,样品分析时间2 min;32个以上元素的同时检测;每个元素高达 2 000 次·s-1的数据采集频率;较好的空间分辨率和定量的分析结果。本文用辉光放电光谱法对掺杂纳米硅薄膜进行了分析。张毅等:辉光放电光谱法分析掺杂纳米硅薄膜的研究Proscan 1000表面形貌仪SS 1000试样磨抛机1.2 分析方法的建立标准样品和分析范围:建立分析方法时考虑了掺杂纳米硅薄膜中的主要元素为氢、硅、磷、硼,同时也考虑了在制备掺杂纳米硅薄膜时易受到污染的元素氧、碳、铬、氮、硫等,建立的标准工作曲线覆盖了这些元素。所选择的标准样品中元素的分析范围和元素的特征谱线见表1。表1 掺杂纳米硅薄膜中主要元素的分析范围和特征谱线波长Tab. 1 Analytical range and charateristic wavelengthof main elements in the nc Si∶H film元素Element试验范围Experimentalrangew(%)测定范围Range ofdeterminationw(%)波长Wavelengthused(λ/nm)Si 0.004~100 0.01~100 288.158O 0.001~40 0.05~30.0 130.217B 0.001~1.5 0.01~1.0 208.957P 0.003~15.0 0.01~12.0 177.497C 0.005~10.0 0.01~8.0 165.701N 0.001~8.0 0.01~6.0 174.272S 0.001~2.5 0.01~2.0 180.731Cr 0.001~36.0 0.01~35.0 425.433标准样品的处理:标准样品的表面经粒度为45μm(320目)的 SiC砂纸水磨抛光,抛光后,立即用无水酒精清洗表面,并用热风吹干。标准样品的溅射率计算:在经优化的仪器分析参数下,计算了各不同标准样品的溅射率。标准工作曲线的制作:将所选用的标准样品处理后,在经优化的仪器分析参数下激发各标准样品,经过溅射率校正后,建立各分析元素分析强度和分析浓度的标准工作曲线。掺杂纳米硅薄膜样品分析:将待分析的掺杂纳米硅薄膜样品制成长宽15~50 mm形状,不能用任何机械手段擦磨待分析样品的表面,仅用丙酮或无水酒精清洗表面,用热风吹干。以经优化的仪器分析参数激发待分析样品,得到定量逐层分析结果。2 结果与讨论2.1 光源参数的优化掺杂纳米硅薄膜样品及器件相对较小,分析时一般选择 2 mm直径的阳极。采用射频(RF)光源分析样品,光源参数设恒定功率 电压的放电方式。放电参数影响阴极溅射的效果,导致样品溅射后的束斑呈现不同的轮廓。将纳米硅薄膜样品在不同放电参数下溅射的束斑用表面形貌仪进行测定。图 1显示了3种不同束斑的轮廓;表 2 列出了纳米硅薄膜样品在不同放电参数溅射后的轮廓形貌结果。 a) 底部平直 a) Flat shaped at  the bottom (b) 底部呈凸状(b) Convex shaped  at the bottom (c) 底部呈凹状(c) Concave shaped  at the bottom图1 3种不同束斑的轮廓Fig. 1 The profiles of three different spots表2 纳米硅薄膜样品在不同放电参数溅射后的轮廓形貌结果Tab. 2 Profiles of nc Si∶H film sample after sputteringunder different discharge parameters分析功率Analyt.power(P/W)分析电压Analyt.voltage(E/V)束斑的轮廓形貌(图1中的代表)Spot profilesas shownin Fig.1分析功率Analyt.power(P/W)分析电压Analyt.voltage(E/V)束斑的轮廓形貌(图1中的代表)Spot profilesas shownin Fig.12.0 700 c 6.0 700 b2.0 800 c 6.0 800 a2.0 900 c 6.0 900 a2.0 1 000 b 6.0 1 000 a3.5 700 c 6.0 1 100 a3.5 800 c 7.5 700 b3.5 900 b 7.5 800 b3.5 1 000 b 7.5 900 a3.5 1 100 a 7.5 1 000 a4.5 700 b 7.5 1 100 a4.5 800 a 9.0 700 b4.5 900 a 9.0 800 b4.5 1 000 a 9.0 900 b4.5 1 100 a 9.0 1 000 b9.0 1 100 a对于定量逐层分析而言,底部平直的束斑轮廓能真实地反映出纳米硅薄膜样品的表面信息,应在表2 中选择束斑轮廓形貌为 a的放电参数。另外,考虑到硅的熔点较低,为防止激发时样品表面局部过热而部分熔融,应避免选择较高数值的放电参数。本试验选取分析功率4.5 W,分析电压900 V。硅材料的溅射率一般为 3μm·min-1,在定量逐层分析时,设定数据采集频率为 100 次·s-1,保证在连续激发样品时,每次至少采集到大约0.5 nm的表面信息。综合以上的各个因素,优化后的分析参数如下:(1) 标准工作曲线制作和漂移校正 阳极尺寸2 mm, 控制方式为恒定功率 电压; 启动功率4.5 W,启动真空度 1 200 Pa (仪器显示为9.0 torr),启动时间3s;预积分功率 4.5 W,预积分电压900 V,预积分时间 60 s;积分功率 4.5 W,积分电压900 V,积分时间5 s。(2) 样品的表面逐层分析 控制方式为恒定功率 电压,分析功率4.5 W,分析电压 900 V,分析时间2 min,数据采集频率100 次·s-1。2.2 标准样品溅射率的计算为建立标准工作曲线所选择的不同标准样品包含了不同基体的材料如硅基、镍基、铁基等。不同基体的材料在相同的光源参数下的溅射率不同,在建立标准工作曲线时需要进行溅射率校正。按以下方法计算标准样品的溅射率:①将处理好的标准样品放入干燥器中,恒温后称取质量 m1(应避免标准样品的沾污);②在设定的光源参数下激发标准样品5次,每次激发时间5 min;③再次恒温后称取质量 m2;④用表面形貌仪测试标准样品上的5个束斑,通过束斑的直径和深度得到束斑的总体积 V1;⑤测定标准样品的密度ρ;⑥ (m1 -m2)/25得到该标准样品的溅射率 SR1;⑦ρV1/25得到该标准样品的溅射率SR2;⑧ SR1 与 SR2 之间的偏差应小于 5%,以 SR1 与 SR2 的平均值作为该标准样品的溅射率。2.3 定量逐层分析的准确性与其他表面分析技术相比,辉光放电光谱的定量逐层分析并不依赖于基准掺杂纳米硅薄膜样品,而是取决于所建立的经过溅射率校正的元素浓度和分析强度对应的标准工作曲线是否覆盖了掺杂纳米硅薄膜样品中主要元素的分析范围。分析样品时,样品本身作为阴极置于光源上,光源内抽真空至10 Pa左右,充入氩气并维持压力 500~1 500 Pa;阳极接地,在样品上(阴极)加负高压 500~1 500 V,氩气被击穿,形成稳定的等离子体。在负高压的作用下,受到电场加速的高能氩离子轰击样品表面,处于表面的样品原子获得足以克服晶格束缚的能量[5],以原子的形式被溅射出样品的表面,进入等离子体中。由于等离子体内粒子碰撞频繁,原子的外层电子吸收一定的能量跃迁至更高的能级,原子处于激发态。激发态的原子返回基态时,释放出一定的能量———一定波长的光,不同元素的波长(即特征波长)各不相同。不同波长的光进入分光系统,经全息光栅分光后,由光电倍增管检测各单色光光强,经计算机的信号处理,获得了各元素的强度。通过已经建立的各元素的标准曲线,计算出各元素的浓度分布。图2是纳米硅薄膜样品的GDS分析图谱。图2 纳米硅薄膜样品GDS分析图谱Fig. 2 GD AES profiles of nc Si∶H film从图2可见,该样品定量逐层分析后的束斑深度约为8.5μm;将该束斑用 proscan表面形貌仪进行测定,得到深度的结果为8.6μm。两个分析结果非常吻合。但由于纳米硅薄膜的溅射速率可能不完全与标样硅片一致,实

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