專利名稱：一種氫化硅薄膜彈性模量的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氫化硅薄膜彈性模量的測量方法，更確切地說提供一種無損的氫 化硅薄膜彈性模量的測量方法，用激光拉曼普儀測試氫化硅薄膜的拉曼光譜，由拉曼光譜 計(jì)算薄膜的彈性模量，而對薄膜沒有任何損壞，屬于半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅薄膜材料廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanical system, MEMS), 分類有多種，按照薄膜中晶態(tài)成分所占的體積百分比(簡稱晶態(tài)比(crystalline volume fraction,用I。表示)可以依次分為非晶硅(amorphous silicon, a_Si :H)、微晶硅 (microcrystalline silicon, μ c_Si :H)、納米 ±(nanocrystalline silicon, nc-Si H)、多晶娃(polycrystalline, silicon, pc-Si :H)禾口單晶娃薄膜(crystalline silicon, c-Si)，根據(jù)薄膜中的氫原子含量，又習(xí)慣將非晶硅、微晶硅薄膜和納米硅薄膜統(tǒng)稱為氫化 硅薄膜；近年來，采用與半導(dǎo)體工藝相兼容的增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積法(PECVD)制備的氫化 硅薄膜，由于獨(dú)特的優(yōu)越性，在異質(zhì)結(jié)二極管、太陽電池、薄膜晶體管、單電子晶體管等研 究中，引起了人們極大的興趣。早期研究發(fā)現(xiàn)納米硅薄膜的壓阻效應(yīng)(piezoresistance effect)，壓力靈敏度系數(shù)比單晶硅薄膜的要高出6 8倍，這為研發(fā)高靈敏度微型超微壓 壓力傳感器以及位移傳感器等微納電子器件提供了條件，因此研究其彈性模量對薄膜器件 實(shí)用化開發(fā)很有意義。在微納系統(tǒng)設(shè)計(jì)及薄膜器件產(chǎn)業(yè)化中，半導(dǎo)體薄膜彈性模量是最重要的力學(xué)特征 之一，薄膜的彈性模量A是表征原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量，決定著器件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性， 同時(shí)，準(zhǔn)確測定材料的彈性常量，對于研究材料間原子的相互作用和相變都具有工程和理
T^ 眉、ο目前常用的測試半導(dǎo)體薄膜彈性模量的方法是納米壓痕法，彈性模量 用 Oliver-Pharr 方法 貝Ij 出[Oliver WC, Pharr GM. An improved technique for determining hardness and elastic-modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. , 1992, 7 (6): 1564-1583]，但是這種方法最 大的缺點(diǎn)是薄膜須有一定的均勻的厚度，否則無法確定壓針的所使的力；力過大，針尖將壓 破薄膜，測試結(jié)果反映的是襯底的信息，而不是薄膜的力學(xué)特性，造成誤判；同樣，壓針?biāo)?的力過小，不能滿足彈性變形的要求，利用彈性接觸理論誤差較大，測試結(jié)果不準(zhǔn)，因此利 用納米壓痕儀測試氫化硅薄膜的彈性模量，有很大的局限性，尤其對于納米量級厚度的氫 化硅薄膜，操作起來極不方便。納米壓痕法測試氫化硅薄膜的彈性模量的另一大缺陷是必須對小樣品進(jìn)行破壞 性測試，需要對薄膜壓坑；而對于氫化硅薄膜器件而言，更多的是需要對薄膜進(jìn)行原位無損 測試，當(dāng)對薄膜破壞后，薄膜內(nèi)應(yīng)力的影響無法考察，氫化硅薄膜由PECVD在低溫下淀積而 成，膜與膜之間的應(yīng)力直接影響了結(jié)構(gòu)的物理，機(jī)械力學(xué)等性能?；谝陨系娜秉c(diǎn)，本發(fā)明提供一種利用拉曼散射譜來判別氫化硅薄膜彈性模量的方法，此方法操作簡便，準(zhǔn)確度高，更關(guān)鍵的是對薄膜本身沒有任何破壞，可以進(jìn)行原位測 試和薄膜應(yīng)力的監(jiān)控等。

發(fā)明內(nèi)容
基于上面所述的基于納米壓痕儀測試氫化硅薄膜彈性模量的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的 在于提供一種氫化硅薄膜彈性模量的測量方法。本發(fā)明采用所制備的氫化硅薄膜的拉曼光譜，由拉曼光譜擬合出薄膜晶態(tài)百分 比，再由薄膜的晶態(tài)百分比來判別彈性模量。對微結(jié)構(gòu)的測量分析而言，拉曼光譜是有力的工具，尤其在硅納米相(或非晶相) 中，結(jié)構(gòu)序的量變性直觀地給出了原子結(jié)構(gòu)環(huán)境的多重性，拉曼光譜為揭示這一多重性提 供了更深層次的表現(xiàn)。如

圖1所示的是單晶硅襯底和玻璃襯底上的非晶硅薄膜的拉曼光譜，由于在非晶 態(tài)材料中聲子不遵從準(zhǔn)動(dòng)量守恒定則，造成峰的形狀變寬，具有相應(yīng)波矢的聲子不能在整 個(gè)材料中傳播，已經(jīng)不再是原有晶態(tài)材料中的聲子了，稱為類光學(xué)模和類聲學(xué)模，即類TO 模(TO-like mode)峰位位于 475士 IOcnT1，類 LO 模(LO-like mode)峰位位于 380士20 cnT1， 類 LA 模(LA-like mode)峰位位于 300士 10 cnT1，類 TA 模(TA-like mode)峰位位于 150士5 cm—1。一般類LO模難以出現(xiàn)，只有達(dá)到一定晶化程度后才能顯示類LO譜峰，如圖2所示為 微晶硅薄膜的拉曼光譜。納米硅薄膜是由晶態(tài)組分和非晶界面組分兩部分組成，晶態(tài)組分由晶粒中原子組 成，非晶界面是由處于各晶粒之間的非晶界面中所有原子組成，拉曼光譜中晶態(tài)組分的類 TO模主峰位于520CHT1附近和非晶界面組分的類TO模主峰位于480CHT1附近同時(shí)存在，并 相互疊加而呈現(xiàn)出不對稱的形狀，利用這兩個(gè)峰的強(qiáng)度來估算薄膜中晶態(tài)組分在薄膜中占 有的體積比，即晶態(tài)比I。
權(quán)利要求
1.一種氫化硅薄膜彈性模量的測量方法，其特征是由拉曼光譜擬合出氫化硅薄膜晶 態(tài)比，利用氫化硅薄膜的晶態(tài)比與彈性模量一一對應(yīng)的關(guān)系，計(jì)算出氫化硅薄膜的晶態(tài)比 就能得到氫化硅薄膜的彈性模量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種氫化硅薄膜彈性模量的測量方法，其特征是所述氫化硅 薄膜的晶態(tài)比與彈性模量一一對應(yīng)的關(guān)系的是通過納米壓痕法測量不同晶態(tài)比的氫化硅 薄膜的彈性模量，得到不同晶態(tài)比與彈性模量的關(guān)系曲線。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種氫化硅薄膜彈性模量的測量方法，其特征是所述氫 化硅薄膜的晶態(tài)比
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫化硅薄膜彈性模量的判別方法，其特征是用拉曼光譜對所制備的氫化硅薄膜進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，用晶態(tài)比來表征薄膜晶態(tài)組分和非晶界面組分體系，由晶態(tài)比與彈性模量一一對應(yīng)的關(guān)系，可以對彈性模量值進(jìn)行判別。本發(fā)明方法操作簡便，對薄膜本身沒有任何破壞，沒有薄膜內(nèi)應(yīng)力的影響，在氫化硅薄膜器件化中有很大的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N21/65GK102128819SQ201010569940
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者劉三利, 張進(jìn), 楊平, 王權(quán), 邵盈 申請人:江蘇大學(xué)