利用快速退火法控制非晶硅薄膜中纳米硅粒尺寸

摘要：报道了利用快速退火法控制膜中纳米硅粒大小的方法，讨论了升温快慢与所形成的纳米硅粒大小的关系。

关键词：纳米硅；快速热退火；非晶硅

中图分类号：TN305 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)10-0020-02

1 引言

单晶硅在近红外区发出很弱的光致发光^[1]。改变纳米硅的大小可以改变纳米硅的光学性质。本文报道了利用快速退火法控制非晶硅薄膜中纳米硅粒大小。实验结果表明，纳米硅晶粒不仅能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的纳米硅粒的大小随着退火过程升温的快慢而变化。在升温过程中,当单位时间内温度变化量较大（100℃/s）时，形成的纳米硅粒较小（1.6-1.5nm）；单位时间内温度变化量较低（-1℃/s）时，纳米硅粒较大（23-46nm）。

2 实验

在实验中，用含氢非晶硅作为初始材料，进行退火处理。处理过程中，衬底硅片用丙酮、乙醇和去离子水在超声水浴中清洗。在高真空室 （2.67×10^-4Pa）中用电子束蒸发技术在硅衬底上镀一层2.5μm厚的含氢非晶硅薄膜。在薄膜生长过程中，硅衬底的温度控制在300℃, 而薄膜生长的快慢控制在18nm/min，在石英管中，将含氢非晶硅薄膜进行快速热退火处理。石英管中充高纯度的氮气，退火平衡温度控制在620℃，而单位时间内温度变化量是可变的。

3 结果与讨论

所示的是4个喇曼谱。这4个喇曼谱的测量点是在经热处理后非晶硅样品表面上随机选择的，不同的谱来自同一样品表面上的不同点。激光 波长为488nm。（a）为所探测的部分仍是非晶硅；（b）和（c）为晶态和非晶态的混合体；而（d）为完全晶化了的硅。从可以看出，喇曼谱的峰位移动了，半宽变大了。据此可以估计纳米硅的大小。纳米硅的声子谱相对于520cm^-1的移动量Δω为

依此计算，（b）-(d)所形成纳米硅大小分别是4.7，3.0和1.6nm。

清楚地显示，纳米硅随机分布在非晶硅中。一般来说，纳米硅颗粒应该随着退火温度的升高而变大，或者是随着退火时间的增长而变大。但是我们发现，提高退火温度到800℃，并不能把薄膜中非晶部分消除，延长退火时间也并不能得到大的纳米硅。

在其他条件不变的情况下，在升温阶段把单位时间内温度变化量降到1℃ /s。其喇曼谱表明，退火后所长成的纳米硅变大。它们的声子峰位非常接近单晶硅520cm^-1，以致不能再用喇曼谱来测量这法来测量。表示这个样品的一系列X射线衍射谱，不同的谱来自同一样品表面上的不同点。退火温度 为620℃，退火时间为10s，单位时间内温度变化量为1℃/s。在曲线（b）-(e)中，很尖的衍射峰出现在光谱中，这表明所测量的部分已经被晶化；而在曲线（a）中，尖的衍射峰位不再存在，这表明所测量的部分仍然是非晶态。对谱线进行洛仑兹型拟合。洛仑兹公式为

式中B是半角宽度；是衍射峰的位置。利用以上公式，可以计算所形成的纳米硅的大小。它们介于23-46nm之间，结果列于表1。

4 结论

初步的结果表明，改变热退火过程中的升温快慢能控制从含氢非晶硅中所形成的纳米硅的大小。在含氢非晶硅退火过程中，如果升温较快，产生的纳米硅粒较小；反之，若升温较慢，则产生的纳米硅粒较大。