·508· 北京科技大学学报 1997年第5期 接观测了a-Si:H膜的结构特性与Si-H键合形态间的 关系.初步研究结果显示a-Si:H的结构和组分是不均 匀的，能够直接观察到薄膜垂直方向的“柱状形貌”，并 有微孔结构，微孔尺度和浓度依赖于沉积条件.研究者 认为a-Si:H薄膜中主要缺陷态的结构起源是空穴，空 穴是随耦合的SiH而产生的，空穴的生长方向与薄膜 表面相垂直，其形态可能极不对称.图5是他们提出的 结构缺陷模式.在用质子共振对a-Si:H研究时，发现所 有的薄膜都具有两相组分的不均匀性.所有含有两相 图5a-Si:H薄膜的结构缺陷模式 的薄膜，两相中氢含量是不同的，高浓度相包含全部的 1:悬挂键，2：(SiH2)n链，3：SiH 聚氢化物及若干一氢化物，稀相仅是一氢化物，氢含量 仅是2%~4%，与材料的总氢含量无关.稀相中的一氢化物仅有一部分是原子态弥散，其余 呈聚集态，研究者认为稀相代表颗粒或棒状物构成的体区，高浓度相填充在晶粒空间，制备条 件强烈地影响高浓度相的数量及氢键合形态，笔者在前期研究工作)中，也从内耗的角度提 出GDa-Si:H薄膜的主要结构缺陷模式是单空位、双空位、复合缺陷，线缺陷和晶界， 本实验样品是在t,=280℃，低RF功率及衬底有偏压的条件下制备的，硅与氢的键合形 态主要是SH,二氢化物仅为痕量，材料比较均匀，较少微孔.在进行渗氢处理前对实验样品 进行了不高于360℃的热处理，该热处理可以有效地消除薄膜中的缺陷，使薄膜处于一个能 量较低的亚稳态，在内耗上表现为样品具有平坦的内耗曲线， 气氛渗氢时渗入的氢是分子态，理由有：(1)渗氢温度低(~100℃)，不能使氢气离化. (2)-Si:H薄膜中的共价键结合不足以使H一H键断开.氢致内耗峰的出现，表明薄膜中有双 空位尺度或大于双空位尺度的微孔存在 360℃退火后，-Si:H薄膜中可能仍然有双空位尺度的缺陷.另外，360℃的退火会使膜 中二氢化物的氢逸出，遗留下缺陷或微孔.这些缺陷的存在，使得氢分子较易扩散进膜中，在 应力作用下产生氢致内耗峰.由于-Si:H缺陷模式较多，其中双空位，多悬键空位，以及晶粒 间界等缺陷的儿何尺寸都可容纳下氢分子，这些缺陷可能具有不同形态，还不能够断定氢分 子占据了哪一种位置. 氢致内耗峰随测量频率升高峰温向高温侧移动，表现出其具有热激活弛豫峰的特性，但 峰高又仅有标准Debye峰宽的1/4~3/10，可以认为，氢致内耗峰不完全是弛豫的成分，其中 也可能含有相变的成分. 根据实验现象，假设气氛渗氢渗入a-Si:H薄膜中的氢可以有2种存在状态：1种状态（以 P标记)对氢致内耗峰有贡献；另1种状态（以D标记）对氢致内耗峰无贡献.这2种状态相互 转化的条件是，P态转化成D态应满足：(1)P态进行导致氢致内耗峰的运动并达到一定规模； (2)样品温度高于氢致峰峰温并低于室温.D态转化成P态的条件是：(1)样品温度高于室温； (2)可能需要一定时间进行转换. 根据以上假设，可以初步解释氢致内耗峰的实验现象，100℃左右渗氢时溶解的氢以P态 存在，迅速降温（十几min内由100℃降至-190℃左右）将P态冻结保留下来；在随后的升温 测量过程中，在适当的温度（测量频率约60Hz时，内耗峰在-60~-40℃区间），P态的氢的 运动导致了氢致内耗峰，在氢致内耗峰达到最大值后，P态的氢迅速转化为D态，在实验上表· · 北 京 科 技 大 学 接观 测 了 一 膜 的结 构 特 性 与 一 键 合形 态 间 的 关系 初 步 研 究 结果 显示 一 的结 构 和 组 分 是 不 均 匀 的 ， 能够 直接观 察到 薄膜 垂 直方 向的 “ 柱状形 貌 ” ， 并 有微 孔结 构 ， 微 孔 尺 度 和浓 度依赖于 沉 积条件 研究者 认 为 一 薄 膜 中主要 缺 陷态 的结 构起 源 是 空 穴 ， 空 穴是 随藕 合 的 而 产 生 的 ， 空 穴 的生 长方 向与薄膜 表 面相 垂 直 ， 其形 态可 能极 不 对称 图 是他们提 出的 结构缺 陷模 式 在 用 质 子共 振 对 一 研究 时 ， 发 现所 有 的薄膜 都具 有 两 相 组 分 的不 均 匀 性 所 有 含 有 两相 的薄膜 ， 两相 中氢含量是 不 同的 ， 高浓度相 包含全部 的 聚氢化物及 若 干一 氢化 物 ， 稀相仅是 一 氢化物 ， 氢含量 学 报 年 第 期 图 一 薄膜的结构缺陷模式 悬挂键 ， 。 链 ， 仅是 一 ， 与材 料 的总氢含 量 无 关 稀 相 中的一 氢化 物仅有 一 部分是 原 子 态 弥散 ， 其余 呈 聚集 态 研究 者 认 为稀相 代表颗粒 或棒状物构成 的体 区 ， 高浓度相 填 充 在 晶粒 空 间 ， 制 备条 件强 烈 地 影 响 高浓 度相 的数量 及 氢键合形 态 笔者在 前 期研 究 工 作 中 ， 也 从 内耗 的 角度 提 出 一 薄膜 的主要 结构缺 陷模 式是 单空 位 、 双空 位 、 复合缺 陷 、 线缺 陷和 晶界 本 实验样 品是 在 、 ℃ ， 低 功率及 衬底 有偏压 的条件 下 制备 的 ， 硅 与氢 的键合形 态 主要 是 ， 二 氢化 物 仅 为痕 量 ， 材 料 比较 均 匀 ， 较 少 微 孔 在 进 行 渗 氢处理 前 对实 验 样 品 进 行 了不 高 于 ℃ 的热处 理 ， 该 热处 理 可 以 有 效 地 消 除薄膜 中的缺 陷 ， 使 薄膜 处 于 一 个 能 量 较低 的亚稳 态 ， 在 内耗上 表现 为样 品具 有 平坦 的 内耗 曲线’ 气氛 渗 氢 时 渗人 的 氢是 分 子 态 ， 理 由有 渗氢 温 度 低 一 ℃ ， 不 能 使 氢 气 离 化 一 薄膜 中的共价 键结合不 足 以 使 一 键 断开 氢致 内耗 峰 的 出现 ， 表 明薄膜 中有 双 空 位 尺 度 或 大 于 双 空位 尺 度 的微 孔 存在 ℃ 退 火 后 ， 一 薄膜 中可 能仍然 有 双 空 位 尺 度 的缺 陷 另 外 ， ℃ 的退 火 会使膜 中二 氢化物 的氢逸 出 ， 遗 留下 缺 陷或微 孔 这 些 缺 陷的存在 ， 使得 氢分 子 较 易 扩 散进 膜 中 ， 在 应 力 作 用 下 产 生 氢致 内耗 峰 由于 一 缺 陷模 式 较 多 ， 其 中双 空 位 、 多 悬 键 空 位 ， 以 及 晶粒 间界 等 缺 陷 的几 何 尺 寸 都 可 容 纳 下 氢 分 子 ， 这 些 缺 陷 可 能具 有 不 同形 态 ， 还 不 能够 断定 氢分 子 占据 了哪 一 种位置 氢致 内耗 峰 随测 量 频 率 升 高 峰 温 向高 温 侧 移 动 ， 表 现 出其具 有 热激 活 弛 豫 峰 的特性 ， 但 峰 高又 仅 有 标 准 块 峰 宽 的 一 ， 可 以 认 为 ， 氢致 内耗 峰不 完全是 弛 豫 的成分 ， 其 中 也可 能含 有相 变 的成分 根 据 实验 现 象 ， 假 设 气氛渗氢渗人 一 薄膜 中的氢可 以 有 种存 在状 态 种状 态 以 标记 对氢致 内耗 峰有贡 献 另 种状 态 以 标 记 对氢致 内耗 峰无 贡 献 这 种状 态相 互 转化 的条 件是 ， 态 转 化 成 态应 满足 态进行 导致 氢致 内耗 峰 的运 动并 达到 一 定规模 样 品温度 高于 氢致峰 峰温 并低 于 室 温 态转化成 态 的条件 是 样 品温 度 高 于 室温 可 能需 要 一 定 时 间进行 转换 根据 以 上 假设 ， 可 以 初步解 释 氢致 内耗 峰 的实验 现象 ℃ 左右 渗氢 时溶解 的氢 以 态 存在 ， 迅 速 降温 十几 内 由 ℃ 降至 一 ℃ 左右 将 态冻结 保 留下来 在 随后 的升温 测量 过 程 中 ， 在 适 当的温 度 测 量 频 率 约 时 ， 内耗 峰在 一 一 一 ℃ 区 间 ， 态 的氢 的 运 动 导致 了氢致 内耗峰 ， 在 氢致 内耗 峰 达到最 大值 后 ， 态 的氢迅 速 转化 为 态 ， 在 实验 上 表