大學研究型物理實驗教學的實施與探討——以PECVD技術制備硅基薄膜為例

高惠平　田建軍　蔣俊華　毛艷麗

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大學研究型物理實驗教學的實施與探討
——以PECVD技術制備硅基薄膜為例

高惠平田建軍蔣俊華毛艷麗

摘 要：研究型實驗是培養大學生創新意識、創新能力和科學研究素養的重要教學內容．以等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術制備硅基薄膜為例，詳細介紹了開展研究型實驗教學的實施方法，分析和討論了此研究型實驗對培養學生理論聯系實踐能力、創新能力和科學研究能力的作用．

關鍵詞：研究型實驗等離子體化學氣相沉積硅薄膜

1引言

教育部《關于開展高等學校實驗(訓)教學示范中心評審工作的通知》(教高〔2005〕8號)文件中明確指出“建立新型的適應學生能力培養、鼓勵探索的多元實驗考核方法和實驗教學模式，推進學生自主學習、合作學習、研究性學習”．開展研究型實驗教學是實踐這一方針的重要環節和途徑．近年來，研究型實驗教學的開設已成為實驗教學改革的重要內容[1～3]．與此同時，高等院校大型科研儀器設備如何服務于本科教學也日漸受到人們的關注[4～6]．高等院校的大型儀器設備除了在科研服務中發揮重要作用外，還應該在大學實驗教學中發揮舉足輕重的作用，成為人才培養不可缺少的教學資源．開展基于先進大型科研儀器設備的研究型實驗教學，可以使學生有機會接觸科學技術研究的前沿，激發學生的研究興趣和創新欲望，提高學生理論聯系實踐和開拓創新的能力，培養學生進行科學研究的基本素養和能力．

等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術是一種廣泛應用于科學研究和企業生產的薄膜制備技術．PECVD技術涉及的主要學科包括凝聚態物理、物理化學、等離子體物理、真空技術、高壓技術等．大型的PECVD設備是半導體行業、太陽能電池行業及超硬材料行業材料生長的常用工廠設備，同時也是開展薄膜材料研究的常用科研設備[7～9]．以PECVD技術的應用為主題開設研究型實驗教學，是此類大型科研設備更好地服務于科研和教學的有效途徑，也將為理工科學生畢業后從事科學研究或企業生產奠定基礎．

本文以PECVD技術制備硅基薄膜為例，介紹利用PECVD技術開展研究型物理實驗教學的實施方法，探討研究型物理實驗教學中如何培養大學生的實踐能力、創新能力和科學研究能力．

2研究型實驗內容設計

研究型實驗教學既要培養學生對已學知識的合理調配和綜合應用能力，還要培養學生對新知識的吸納和再創造能力．為此，研究型實驗教學中實驗內容的設計必須注意以下幾點.

(1)堅持以學生為主體，指導教師合理引導學生發現問題、分析問題和解決問題，充分發揮學生的主觀能動性；

(2)注重對學生能力的全面培養，包括學習能力、實踐技能、研究能力和綜合能力；

(3)強調創新意識、工程意識和科學態度的培養[10]．

以PECVD技術制備硅基薄膜為例，在實驗課理論講解階段，指導教師要向學生充分展現該實驗的內容要點和特色，激發學生的學習和研究興趣．例如，硅基薄膜以其良好的光電特性，廣泛地應用于太陽能電池、薄膜晶體管和光電傳感器等光電子領域[11，12]，PECVD技術是沉積硅基薄膜的主要技術之一．本實驗通過讓學生自主參與薄膜樣品制備、材料結構表征和器件性能測試等環節，基本掌握實施科學研究應具備的科學方法和技能．此外，該課題的選擇即充分考慮了課題本身的難度和學生現有的知識水平，同時又允許學生在實驗后期調整實驗方案進行自由探索．下面以PECVD技術制備本征微晶硅薄膜為例，介紹研究型實驗教學的實施步驟．

3研究型實驗的步驟

3.1實驗前期準備

首先，學生要制定具體的實驗研究方案．在探討具體實驗內容和實驗方法的階段，教師要求學生掌握利用圖書館、網絡和數據庫資源查詢實驗所需資料的方法，組成小團隊進行實驗方案的綜合設計，最后與教師討論并確立可行的實驗方案．在此過程中，教師的引導特別重要，教師要引導學生從研究目的、研究方法及研究技術等層面進行方案設計，讓學生充分體會到研究型實驗與驗證性實驗的不同．

例如，本實驗中薄膜的生長需要選擇合適的襯底材料，教師可引導學生了解不同襯底的特性并根據自己的實驗目的選擇合適的襯底，并要求學生自己調研并確定不同類型襯底的清洗方法等．在使用PECVD設備方面，要求學生自主學習機械泵、分子泵的結構和工作原理，以及真空獲取和操作規范等知識．在沉積硅薄膜前，要求學生對硅薄膜的結構和物理性質做初步的調研，了解不同參數對硅薄膜結構與光電性能的影響，形成具體的實驗方案．

3.2硅薄膜制備

本實驗采用北京某公司生產的線列式PECVD設備，制備的硅基薄膜為本征微晶硅薄膜．

實驗過程中，在前期對實驗過程和原理學習的基礎上，學生在教師的指導下進行實驗參數的設定．在教師指導下，首先打開PECVD循環水、冷卻水和尾氣處理開關，然后打開樣品室，裝入樣品，抽真空，系統的本底真空度小于5 ×10-4Pa．系統的饋入電源頻率為13.56 MHz，功率為100 W，功率可調． 反應氣體為硅烷(SiH4) 和氫氣(H2)混合氣，硅烷濃度(SC=[SiH4]/[SiH4]+[H2])為可變量 ，沉積壓力為10～100Pa，襯底溫度在100～300 ℃，沉積時間1h．在樣品沉積過程中，要求學生觀察實驗現象．實驗后查閱相關文獻資料，能對實驗中的現象進行解釋．

3.3樣品表征與分析

樣品測試表征前要求學生學習相關表征方法的基本原理，引導學生結合不同的實驗目的進行不同類型的測試與分析．以材料的結構表征為例，X射線衍射分析是分析物質內部的原子在空間上是如何分布的最有效方法，通過X射線衍射分析，可得到薄膜的結構信息，如，晶粒取向與大小分布、晶胞參數等；Raman光譜是評價薄膜樣品晶態、非晶態成分的有效手段；掃描電子顯微鏡則可以更加直接地觀察到材料的結構形態．

圖1是硅薄膜的XRD譜，衍射峰的出現表明硅薄膜中有晶體相出現．衍射峰(111)、(220)、(311)和(400)可以歸屬為晶體硅的衍射峰．XRD 結果說明沉積的硅薄膜是微晶硅薄膜．微晶硅薄膜是由納米級晶體硅顆粒鑲嵌于非晶硅基質中的混合相材料．對于Raman峰位在480 cm-1～520 cm-1之間的薄膜，一般是非晶硅與晶體硅顆粒的混合相．對混合相薄膜的Raman光譜進行了分峰擬合，如圖2所示，Raman光譜可以采用480 cm-1，510 cm-1和520 cm-1三個特征峰很好地擬合．擬合后，對三個擬合峰的曲線進行面積積分，求出其積分強度，并分別記作I520，I510和I480，利用公式(1)計算薄膜的晶態比．計算結果表明生成硅薄膜的晶化度約為51%．

(1)

圖1　硅薄膜的XRD譜

圖2　硅薄膜的Raman光譜及其擬合曲線

圖3給出了硅薄膜的上表面和橫截面的SEM形貌圖．由圖3(a)平面圖可以看出硅薄膜表面晶粒尺寸均勻．由圖3(b)的橫截面圖可以看出，隨著沉積時間的增加，微晶硅薄膜結構的逐漸演化，呈現出微晶硅生長的典型過程：首先形成較致密的孵化層，隨后逐漸出現微晶硅的柱狀生長．

(a)平面圖

(b)截面圖

以上樣品結構的測試表征可以在學生熟練掌握儀器設備工作原理和使用方法的基礎上，在教師指導下讓學生獨立操作，在實際操作中，學生會有更深刻的感悟．此外，要求學生掌握實驗數據的科學的處理和分析方法，能夠對實驗結果進行合理的討論和解釋，提交實驗報告或小論文．在此學生自主實驗階段，教師一般只需總體把握實驗進程，對于關鍵環節或學生容易犯錯的環節，教師需要認真指導、演示或及時提醒，以免損壞大型設備．

3. 4實驗的拓展

針對研究興趣濃厚和能力比較強的學生，該實驗可做進一步拓展．

(1)改變實驗參數(襯底類型、襯底溫度、沉積氣壓、硅烷和氫氣比例、沉積功率等)得到不同結構的硅薄膜并研究各參數的影響規律[9，10]；

(2)對材料性能進行更加豐富的表征，比如對材料的導電類型、載流子傳輸能力、光學性質等；

(3)對硅薄膜進行摻雜并進一步做成PN結、晶體管、太陽能電池器件等[13]．

通過前期研究型實驗的開展，學生基本具備科學研究的素養與技能，因此，在拓展實驗階段，教師可以給學生有更大的自由度和創新空間，可以在此階段開展大學生創新競賽、本科畢業論文設計等工作[14，15]．

4教學效果

基于PECVD設備應用開設的研究型實驗的探索取得了以下效果.

(1)學生認為此類實驗既聯系科技前沿又貼近現實生活，學習興趣顯著增強，參與實驗的主動性明顯提高；

(2)在研究型實驗的實施過程中，培養了學生理論聯系實踐的能力和面向工程的應用能力，真正做到學以致用；

(3)讓學生充分認識了科學研究過程中研究人員需要具備的科學素養和研究能力；

(4)研究型實驗的相對復雜性也培養了學生的團結協作的團隊意識和嚴謹求實的科學態度．

同時，我們也看到了開展此類實驗存在的問題.

(1)實驗涉及的設備造價高、操作要求高，學生和教師都要對實驗做充分準備，要有應對突發事件的處理預案；

(2)此類實驗工作量大，周期較長，學生比較容易半途而廢，需要教師做好思想引導工作，同時建立有效的評價機制．

5結束語

研究型實驗教學是實現高等教育有計劃地培養、訓練和開發學生的創新意識、創新精神和創新能力的重要環節和途徑．通過“PECVD技術制備硅薄膜”這一研究型實驗的開展，能夠使大型科研設備有效地服務于本科教學，使學生有機會直接接觸到科學研究前沿，激發了他們的研究興趣，使他們的物理學理論知識得到了驗證、應用和拓寬，有效地培養了大學生的實踐能力、創新能力和科學研究能力．

參 考 文 獻

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15黃媛，何琴玉.本科畢業論文與實驗教學雙贏模式構建.實驗技術與管理，2010，27(11)：172～175

Implementation and Discussion on University

Research-type Physics Experiment Teaching

—— As An Example of Preparation Silicon Thin Film by PECVD Technology

Gao HuipingTian JianjunJiang JunhuaMao Yanli

(School of Physics and Electronics,Henan University,Kaifeng,Henan475004)

Abstract：Research-type experiment teaching is an important way to cultivate students innovation consciousness,innovation ability and scientific research quality. Taking the experiment of “prepare silicon thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique” for example, this paper discussed how to carry out a research-oriented experiment.The effect on training students' theory with practical ability, innovation ability and scientific research ability was analyzed and discussed.

Key words:research-type experiment;plasma enhanced chemical vapor deposition;Si thin film

收稿日期：(2015-04-14)

作者簡介：(河南大學物理與電子學院河南 開封475004)