多孔硅薄膜的微結(jié)構(gòu)及其XRD研究

龍永福, 張晉平, 胡惟文, 雷立云, 黎小琴

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多孔硅薄膜的微結(jié)構(gòu)及其XRD研究

龍永福*, 張晉平, 胡惟文, 雷立云, 黎小琴

(湖南文理學院 物理與電子科學學院,湖南 常德, 415000)

使用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和X射線衍射研究了多孔硅薄膜的微結(jié)構(gòu). SEM圖像顯示: 多孔硅膜表面的微結(jié)構(gòu)比較均勻; 沿縱向方向薄膜內(nèi)部空腔呈流線型分布; 孔和孔之間的間距為10～20 nm. AFM形貌表明: 其表面在1×1 μm范圍內(nèi)的均方根粗糙度為4.75 nm. XRD結(jié)果說明: 多孔硅薄膜晶體晶格常數(shù)隨深度增加而變大, 多孔硅薄膜孔壁上Si-H鍵的比例將減少.

多孔硅; 微結(jié)構(gòu); AFM; SEM; XRD

自1990年Canham[1]等報導了多孔硅材料在室溫下光致發(fā)光現(xiàn)象以來, 多孔硅材料已經(jīng)在許多應用領(lǐng)域被廣泛研究, 如多孔硅在光電子學[2—4]、光學器件[5—6]、太陽能電池[7—8]和傳感器技術(shù)[9—10]等方面. 特別是1996年, Hirschman[11]首次實現(xiàn)硅基光電集成原型器件是多孔硅應用研究的一個里程碑. 然而, 由于多孔硅的特性如發(fā)光強度、折射率、多孔度、均勻性、厚度、表面和界面平整度、孔徑和微結(jié)構(gòu)等強烈依賴于陽極腐蝕參數(shù)[12], 這些參數(shù)包括硅片類型和電阻率、腐蝕液的組成、腐蝕電流密度大小和腐蝕時間等, 因此, 大量的已有研究工作[9—12]集中在研究陽極腐蝕參數(shù)對多孔硅特性的影響, 獲得了一些有價值的經(jīng)驗規(guī)律. 但是, 這些研究工作基本上都局限于多孔硅表面的微結(jié)構(gòu)及特點, 而對多孔硅內(nèi)部微結(jié)構(gòu)及其特性的研究還比較少, 尤其在多孔硅微結(jié)構(gòu)均勻化機理及對其光學特性影響方面, 除了文獻[13—15]進行了初步探索外, 還少有文獻對其進行系統(tǒng)研究.

最近幾年, 文獻[13]研究了腐蝕溫度對多孔硅光學特性的影響、通過脈沖腐蝕形成的多孔硅薄膜的徑向微結(jié)構(gòu)與光學特性[14]和多孔硅薄膜的縱向均勻性及其光學特性[15]等. 研究結(jié)果表明: 多孔硅單層薄膜具有很復雜的徑向微結(jié)構(gòu).

在這項研究工作中, 研究了多孔硅薄膜表面二、三維AFM形貌和SEM形貌, 尤其對多孔硅薄膜沿縱向方向的微結(jié)構(gòu)SEM形貌進行了研究; 還研究了多孔硅薄膜后表面SEM形貌及微結(jié)構(gòu)、多孔硅薄膜隨厚度變化的XRD光譜特點.

1 實驗

多孔硅薄膜是在計算機控制下使用恒電流密度電化學腐蝕制備完成[13], 樣品在恒常溫和無光照的條件下制備完成, 電流密度為50 mA/cm2, 腐蝕時間5～20 min, 形成一層5～20 μm厚的多孔硅膜.

2 測試結(jié)果及討論

2.1 多孔硅薄膜表面的SEM形貌

圖1給出了厚度為5 μm、多孔度為72%的多孔硅膜表面的SEM高分辨率形貌圖. 研究表示: 多孔硅膜表面的SEM微結(jié)構(gòu)比較均勻, 孔與孔之間呈網(wǎng)絡(luò)分布, 其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較相似; 孔和孔之間的間距為10～20 nm; 多孔硅薄膜的表面局部有一定量的多孔合并及聚集現(xiàn)象, 但沒有發(fā)生明顯的脫離或龜裂現(xiàn)象等. 通過改變陽極氧化條件(如加大陽極氧化電流、延長陽極氧化時間等), 可得到更厚的多孔硅膜.

圖1 厚度為5μm、多孔度為72%多孔硅膜表面SEM高分辨率形貌圖

2.2 多孔硅薄膜縱向斷面SEM形貌

為進一步研究多孔硅薄膜的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)及其形貌, 測試了多孔硅薄膜縱向斷面的SEM形貌圖. 在測試中, 沿多孔硅膜斷面縱向深度方向測試了多孔硅薄膜的前、中部和后斷面的SEM形貌圖. 圖2給出了多孔硅薄膜沿斷面中部的SEM形貌圖. 結(jié)果顯示: 多孔硅薄膜內(nèi)部微腔的大小比較一致和相似, 沿縱向方向多孔硅薄膜內(nèi)部空腔呈流線型分布, 微腔的大小大概為20 nm左右.

圖3給出了多孔硅薄膜沿斷面縱向后部的SEM形貌圖, 結(jié)果顯示: 在多孔硅薄膜斷面縱向后部, 多孔硅與硅襯底交界面也沒有出現(xiàn)明顯的裂縫和龜裂等現(xiàn)象.

圖2 多孔硅薄膜(5 μm、多孔度為72%)沿斷面縱向中部的SEM形貌圖

圖3 多孔硅薄膜(5 μm、多孔度為72%)沿斷面縱向后部SEM形貌圖

通過多孔硅薄膜的SEM表面及內(nèi)部縱向形貌及微結(jié)構(gòu)研究表明: 利用多孔硅制備方法[13], 通過調(diào)節(jié)或控制腐蝕參數(shù)(腐蝕電流密度和腐蝕時間), 能夠制備任意厚度的多孔硅薄膜, 所制備的多孔硅薄膜表面及內(nèi)部微結(jié)構(gòu)均勻、穩(wěn)定、孔徑和孔距在10～20 nm之間, 其表面及內(nèi)部均沒有出現(xiàn)龜裂、裂縫或脫離等不良現(xiàn)象, 且其內(nèi)表面呈有規(guī)律的海綿狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

2.3 多孔硅薄膜表面的AFM形貌

如圖4所示: AFM三維形貌研究結(jié)果表明: 多孔硅薄膜的表面粗糙度在5 nm以內(nèi), 因此, 通過該方法制備的薄膜多孔硅和氧化多孔硅膜滿足IC工藝的要求. 進一步研究AFM測試結(jié)果表明, 其表面在1×1 μm范圍內(nèi)的均方根粗糙度為4.75 nm, 且多孔硅膜表面形貌在微觀上大致一致或相似.

圖4 在空氣中干燥保存30 d后的多孔硅薄膜(20 μm、多孔度為78%)表面AFM三維圖

在文獻[16]中21.2 μm厚的多孔硅薄膜通過熱氧化硅膜和氧化多孔硅膜平均表面粗糙度分別為0.347 nm和0.892 nm, 本實驗和測試結(jié)果比前者稍微差些. 可能原因是: 硅片類型和電阻率不同, 腐蝕條件不一樣, 多孔硅薄膜表面的粗糙度也不一樣; 或者是不同的腐蝕條件和后處理造成多孔硅薄膜表面的粗糙度也不同.

2.4 多孔硅薄膜的XRD光譜與分析

對立方晶系晶體來說[12], 其晶格常數(shù)存在如下關(guān)系:

由式(1)可得: 當變小時, 晶格常數(shù)增加; 而當變大時, 晶格常數(shù)收縮. 因此, 可以使用XRD光譜中散射角變化來分析晶體晶格常數(shù)變化規(guī)律.

硅屬于立方晶系晶體. 從公式(1)通過精確測定單晶硅的XRD特征光譜和多孔硅膜XRD光譜散射角度的變化, 可以確定其晶格常數(shù)的變化情況.

使用XRD光譜來測試多孔硅薄膜的晶格大小沒有使用SEM直觀, 但它測試和驗證了多孔硅薄膜晶體晶格的變化規(guī)律. 利用公式(1), 通過測量多孔硅薄膜XRD光譜散射角的變化, 來確定多孔硅薄膜晶體晶格常數(shù)的變化.

圖5 多孔硅薄膜的XRD光譜

3 結(jié)論

在此項研究中, 證實了多孔硅薄膜的微結(jié)構(gòu)隨腐蝕深度的變化是有規(guī)律的; 多孔硅材料的晶格常數(shù)收縮和膨脹與其內(nèi)部的Si-H鍵和Si-O鍵的數(shù)量及比例有一定的關(guān)系. 為了制備高質(zhì)量的多孔硅薄膜, 得到膜層的內(nèi)部均勻性及界面和表面平整性更好的薄膜, 其機理有待進一步研究.

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Study on the microstructures and X-ray diffraction (XRD) of porous Silicon film

LONG YongFu, ZHANG JinPing, HU WeiWen, LEI LiYun, LI XiaoQin

(Department of Physics and Electronic Science, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

This paper investigates the microstructures and X-ray diffraction (XRD) of nano-porous silicon (PS) thin films by means of scanning electron microscopy (SEM), Atomic Force Microscope (AFM) and X-ray diffraction (XRD). SEM images show the surface microstructures of PS thin films is better uniform. The distribution of the interior cavity along the longitudinal direction of the film is streamlined, and the spacing between the holes being about 10～20 nm. AFM image results show that the RMS (Root Mean Square) roughness is 4.75 nm in its inner surface on the range of 1 × 1 μm. XRD results indicate: as the depth of PS film with a crystal lattice constant of the film becomes large, the pore walls of PS film of Si-H bond ratio will be reduced.

porous silicon; microstructures; AFM; SEM; XRD

TN 304

1672-6146(2014)02-0052-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.011

通訊作者e-mail: yongfulong@163.com.

2014-05-12

光電信息集成與光學制造技術(shù)湖南省重點實驗室項目; 湖南文理學院重點學科建設(shè)項目(無線電物理); 湖南省光電信息技術(shù)校企聯(lián)合人才培養(yǎng)基地項目.

(責任編校:劉曉霞)