专利名称：一种氢化硅薄膜弹性模量的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种氢化硅薄膜弹性模量的测量方法，更确切地说提供一种无损的氢 化硅薄膜弹性模量的测量方法，用激光拉曼普仪测试氢化硅薄膜的拉曼光谱，由拉曼光谱 计算薄膜的弹性模量，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：
硅薄膜材料广泛应用于微机电系统(microelectromechanical system, MEMS), 分类有多种，按照薄膜中晶态成分所占的体积百分比(简称晶态比(crystalline volume fraction,用I。表示)可以依次分为非晶硅(amorphous silicon, a_Si :H)、微晶硅 (microcrystalline silicon, μ c_Si :H)、纳米 ±(nanocrystalline silicon, nc-Si H)、多晶娃(polycrystalline, silicon, pc-Si :H)禾口单晶娃薄膜(crystalline silicon, c-Si)，根据薄膜中的氢原子含量，又习惯将非晶硅、微晶硅薄膜和纳米硅薄膜统称为氢化 硅薄膜；近年来，采用与半导体工艺相兼容的增强化学汽相淀积法(PECVD)制备的氢化 硅薄膜，由于独特的优越性，在异质结二极管、太阳电池、薄膜晶体管、单电子晶体管等研 究中，引起了人们极大的兴趣。早期研究发现纳米硅薄膜的压阻效应(piezoresistance effect)，压力灵敏度系数比单晶硅薄膜的要高出6 8倍，这为研发高灵敏度微型超微压 压力传感器以及位移传感器等微纳电子器件提供了条件，因此研究其弹性模量对薄膜器件 实用化开发很有意义。在微纳系统设计及薄膜器件产业化中，半导体薄膜弹性模量是最重要的力学特征 之一，薄膜的弹性模量A是表征原子间结合力强弱的物理量，决定着器件的结构响应特性， 同时，准确测定材料的弹性常量，对于研究材料间原子的相互作用和相变都具有工程和理
T^ 眉、ο目前常用的测试半导体薄膜弹性模量的方法是纳米压痕法，弹性模量 用 Oliver-Pharr 方法 贝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]，但是这种方法最 大的缺点是薄膜须有一定的均勻的厚度，否则无法确定压针的所使的力；力过大，针尖将压 破薄膜，测试结果反映的是衬底的信息，而不是薄膜的力学特性，造成误判；同样，压针所加 的力过小，不能满足弹性变形的要求，利用弹性接触理论误差较大，测试结果不准，因此利 用纳米压痕仪测试氢化硅薄膜的弹性模量，有很大的局限性，尤其对于纳米量级厚度的氢 化硅薄膜，操作起来极不方便。纳米压痕法测试氢化硅薄膜的弹性模量的另一大缺陷是必须对小样品进行破坏 性测试，需要对薄膜压坑；而对于氢化硅薄膜器件而言，更多的是需要对薄膜进行原位无损 测试，当对薄膜破坏后，薄膜内应力的影响无法考察，氢化硅薄膜由PECVD在低温下淀积而 成，膜与膜之间的应力直接影响了结构的物理，机械力学等性能。基于以上的缺点，本发明提供一种利用拉曼散射谱来判别氢化硅薄膜弹性模量的方法，此方法操作简便，准确度高，更关键的是对薄膜本身没有任何破坏，可以进行原位测 试和薄膜应力的监控等。
发明内容
基于上面所述的基于纳米压痕仪测试氢化硅薄膜弹性模量的缺点，本发明的目的 在于提供一种氢化硅薄膜弹性模量的测量方法。本发明采用所制备的氢化硅薄膜的拉曼光谱，由拉曼光谱拟合出薄膜晶态百分 比，再由薄膜的晶态百分比来判别弹性模量。对微结构的测量分析而言，拉曼光谱是有力的工具，尤其在硅纳米相(或非晶相) 中，结构序的量变性直观地给出了原子结构环境的多重性，拉曼光谱为揭示这一多重性提 供了更深层次的表现。如
图1所示的是单晶硅衬底和玻璃衬底上的非晶硅薄膜的拉曼光谱，由于在非晶 态材料中声子不遵从准动量守恒定则，造成峰的形状变宽，具有相应波矢的声子不能在整 个材料中传播，已经不再是原有晶态材料中的声子了，称为类光学模和类声学模，即类TO 模(TO-like mode)峰位位于 475士 IOcnT1，类 LO 模(LO-like mode)峰位位于 380士20 cnT1， 类 LA 模(LA-like mode)峰位位于 300士 10 cnT1，类 TA 模(TA-like mode)峰位位于 150士5 cm—1。一般类LO模难以出现，只有达到一定晶化程度后才能显示类LO谱峰，如图2所示为 微晶硅薄膜的拉曼光谱。纳米硅薄膜是由晶态组分和非晶界面组分两部分组成，晶态组分由晶粒中原子组 成，非晶界面是由处于各晶粒之间的非晶界面中所有原子组成，拉曼光谱中晶态组分的类 TO模主峰位于520CHT1附近和非晶界面组分的类TO模主峰位于480CHT1附近同时存在，并 相互叠加而呈现出不对称的形状，利用这两个峰的强度来估算薄膜中晶态组分在薄膜中占 有的体积比，即晶态比I。
权利要求
1.一种氢化硅薄膜弹性模量的测量方法，其特征是由拉曼光谱拟合出氢化硅薄膜晶 态比，利用氢化硅薄膜的晶态比与弹性模量一一对应的关系，计算出氢化硅薄膜的晶态比 就能得到氢化硅薄膜的弹性模量。
2.如权利要求1所述的一种氢化硅薄膜弹性模量的测量方法，其特征是所述氢化硅 薄膜的晶态比与弹性模量一一对应的关系的是通过纳米压痕法测量不同晶态比的氢化硅 薄膜的弹性模量，得到不同晶态比与弹性模量的关系曲线。
3.如权利要求1或2所述的一种氢化硅薄膜弹性模量的测量方法，其特征是所述氢 化硅薄膜的晶态比
全文摘要
本发明涉及一种氢化硅薄膜弹性模量的判别方法，其特征是用拉曼光谱对所制备的氢化硅薄膜进行了微观结构分析，用晶态比来表征薄膜晶态组分和非晶界面组分体系，由晶态比与弹性模量一一对应的关系，可以对弹性模量值进行判别。本发明方法操作简便，对薄膜本身没有任何破坏，没有薄膜内应力的影响，在氢化硅薄膜器件化中有很大的应用前景。
文档编号G01N21/65GK102128819SQ201010569940
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者刘三利, 张进, 杨平, 王权, 邵盈 申请人:江苏大学