一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，包括：在硅襯底上熱生成二氧化硅層；將一定配比的硅粉末和二氧化硅粉末的混合物，高溫?zé)Y(jié)成靶材，以螺旋波等離子體濺射技術(shù)，沉積至所述的二氧化硅層上。通過控制襯底的溫度，不需要再經(jīng)高溫退火，即可在上述二氧化硅層上，制得4-6nm直徑的硅納米晶薄膜。本發(fā)明所涉及的方法與成熟的硅基光電子工藝相兼容，在半導(dǎo)體材料的制備與加工領(lǐng)域，有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硅納米晶薄膜制備方法，具體涉及一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅納米晶薄膜電導(dǎo)率高，具有室溫光致、電致可見光發(fā)光等特殊性能，在電子發(fā)射、單電子隧穿以及Si基發(fā)光等Si量子點(diǎn)器件方面有巨大的應(yīng)用潛力，是光電子器件和納米電子器件的重要、核心部件。這類器件包括:第三代納米晶太陽能電池芯片、硅單電子器件、單電子存儲器等。因此，硅納米晶薄膜的制備方法和特性研究已成為國際研究的熱點(diǎn)。粒狀納米硅可以通過磁控濺射或離子束蒸發(fā)等技術(shù)得到；而鑲嵌有納米硅的非晶硅薄膜可以通過脈沖激光沉積等方法制得。
[0003]傳統(tǒng)的制備硅納米晶薄膜的方法:如MOCVD、PECVD, MBE、離子注入等，其缺點(diǎn)是制備手段復(fù)雜。而電子束蒸發(fā)制備硅納米晶的方法較上述方法雖已有改善，但是容易產(chǎn)生輻射損傷，從而破壞襯底和電介質(zhì)膜，而且制好的薄膜還要再經(jīng)氣氛保護(hù)下的高溫退火，最后才能形成娃納米晶薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，在螺旋波等離子體濺射裝置內(nèi)，以螺旋波等離子體濺射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速沉積硅納米晶薄膜，且與傳統(tǒng)的硅基工藝兼容。
[0005]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，包括如下步驟:
(1)在硅襯底上熱氧化形成二氧化硅層；
(2)將硅粉末和二氧化硅粉末的混合物，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后作為靶材；
(3)將步驟(2)中制備的靶材放入螺旋波等離子體濺射裝置內(nèi)，在軸向磁場的環(huán)境下，通過射頻調(diào)制的螺旋波等離子體濺射方法在二氧化硅層上形成硅納米晶薄膜。
[0006]上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中的硅襯底為低阻硅襯底、高阻硅襯底和絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底中的一種。
[0007]上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中采用熱氧化方法在硅襯底上形成二氧化硅層，包括:
預(yù)熱階段:溫度150°C~300°C，時(shí)間30~40s，氧流量0.6~0.8L/min ；
升溫階段:溫度600°C~650°C，時(shí)間4~8s，氧流量0.6~0.8L/min ；
恒溫階段:溫度650。。~750°C，時(shí)間600~800s，氧流量0.6~0.8L/min。
[0008] 進(jìn)一步技術(shù)方案，所述步驟(1)還包括:用丙酮、無水乙醇、去離子水依次對二氧化硅層進(jìn)行超聲波清洗。[0009]進(jìn)一步的技術(shù)方案，硅粉末和二氧化硅粉末的質(zhì)量比為1:1~3。優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟(2)中所述靶材由25克300目硅粉末和35克300目二氧化硅粉末的混合物燒結(jié)而成。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中螺旋波等離子體濺射的工藝參數(shù)為:襯底溫度為150°C~350°C，本底真空為2.2X 10_4Pa，濺射工作氣體為純度高于99.99%的Ar氣，濺射時(shí)間為60s~200s，流量分別為15~30 sccm，工作氣壓為0.4Pa。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中射頻頻率為13.56MHz，功率為550W~1200W。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中軸向磁場強(qiáng)度不超過6400Gs，優(yōu)選的，軸向磁場強(qiáng)度為6000Gs。
[0013]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明在6000GS的軸向磁場強(qiáng)度條件下，通過螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜，與具有相同氣體激發(fā)效率的電子回旋共振等離子體相比，激發(fā)螺旋波等離子體所用設(shè)備簡單，腔體孔徑比的選擇比較自由，工業(yè)生產(chǎn)上更容易實(shí)現(xiàn)；與電子束蒸發(fā)、離子注入等方法相比，省去了后續(xù)的經(jīng)高溫退火才能形成硅納米晶薄膜的步驟，工藝步驟簡單，沉積速率快。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是實(shí)施例一中本發(fā)明的制備硅納米晶薄膜的方法流程圖。
[0015]圖2是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的SEM照片。
[0016]圖3是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的TEM照片。
[0017]圖4是本發(fā)明制備的硅納米晶薄膜的Raman譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
實(shí)施例一:參見圖1所示，一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，包括如下步驟:
(I)采用晶向?yàn)椤?00〉，厚度為0.4 μ m的單晶硅為襯底，以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)濕法清洗，去除硅表面的自然氧化層和各種粘污物。
[0019]將已清洗干凈的硅襯底，放入RTP-1200快速退火爐內(nèi)進(jìn)行氧化，在硅表面形成致密的二氧化硅層。襯底的熱氧化條件見表1:
表1:熱生長二氧化硅層的工藝條件
【權(quán)利要求】
1.一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)在硅襯底上熱氧化形成二氧化硅層； (2)將硅粉末和二氧化硅粉末構(gòu)成的混合物，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后作為靶材； (3)將步驟(2)中制備的靶材放入螺旋波等離子體濺射裝置內(nèi)，在軸向磁場的環(huán)境下，通過射頻調(diào)制的螺旋波等離子體濺射方法在步驟(1)獲得的二氧化硅層上形成硅納米晶薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于:所述步驟(1)中的硅襯底為低阻硅襯底、高阻硅襯底和絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于:所述步驟(1)中采用熱氧化方法在硅襯底上形成二氧化硅層，包括: 預(yù)熱階段:溫度150°C~300°C，時(shí)間30~40s，氧流量0.6~0.8L/min ； 升溫階段:溫度600°C~650°C，時(shí)間4~8s，氧流量0.6~0.8L/min ； 恒溫階段:溫度650。。~750°C，時(shí)間600~800s，氧流量0.6~0.8L/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于，所述步驟(1)還包括:用丙酮、無水乙醇、去離子水依次對二氧化硅層進(jìn)行超聲波清洗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于:所述步驟(2)中所述靶材由25克300目硅粉末和35克300目二氧化硅粉末的混合物燒結(jié)而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于:所述步驟(3)中螺旋波等離子體濺射的工藝參數(shù)為:襯底溫度為150°C~350°C，本底真空為2.2X 10_4Pa，濺射工作氣體為純度高于99.99%的Ar氣，濺射時(shí)間為60s~200s，流量為15~30 sccm，工作氣壓為0.4Pa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于:所述步驟(3)中射頻頻率為13.56MHz，功率為550W~1200W。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用螺旋波等離子體濺射技術(shù)制備硅納米晶薄膜的方法，其特征在于:所述步驟(3)中軸向磁場強(qiáng)度不超過6400GS。
【文檔編號】C23C14/34GK103898458SQ201410125282
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】諸葛蘭劍, 吳雪梅, 金成剛, 黃天源, 王飛, 韓琴, 楊燕 申請人:蘇州大學(xué)