專利名稱：制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法。
背景技術(shù)：
硅基高效發(fā)光薄膜的探索與制備是過去十年乃至將來若干年中研究的一個熱點，高效可調(diào)可見光全波段發(fā)光的硅基材料可應(yīng)用于光互聯(lián)、光通信及全硅平面顯示等技術(shù)領(lǐng)域。但是，由于結(jié)構(gòu)和化學(xué)不穩(wěn)定性以及與現(xiàn)行半導(dǎo)體工藝過程的兼容性差等問題，硅基發(fā)光材料距離實際生產(chǎn)應(yīng)用仍然存在一定距離。
國際上目前使用的制備硅基發(fā)光薄膜的方法有PECVD法(plasmaenhanced chemical vapor deposition)、熱絲CVD法(hot filamentassisted chemical vapor deposition)、大氣壓CVD法(atmosphericpressure chemical vapor deposition)、LPCVD法(low pressure chemicalvapor deposition)以及離子注入法等。這些方法具有在高溫條件下生長或是需要高溫退火等特點，不利于與現(xiàn)行半導(dǎo)體工藝兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在低溫條件下制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法，包括以下步驟1、根據(jù)已知方法對襯底進(jìn)行前期處理后，將襯底固定在電容極板的上極板的下表面；電容極板位于電容耦合等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)的真空室內(nèi)；所述襯底為單晶硅片或石英玻璃；2、將電容極板的上極板接地，將射頻功率小于40W的射頻信號加到下極板上，將混合氣體從電容極板的下極板的下表面均勻、緩慢進(jìn)入兩極板之間；調(diào)節(jié)上、下極板之間的距離和工作氣壓大小，使兩極板邊緣及外側(cè)無放電，極板間均勻放電。
其中，步驟1中所述的已知方法具體為采用丙酮、酒精、去離子水依次分別超聲10分鐘。
步驟1中的電容極板為電容極板的上極板和下極板均為直徑大于6cm的圓形，下極板固定安裝在陶瓷底座上；上極板的中心處設(shè)置有凹槽，該凹槽的形狀和大小與襯底相匹配；下極板為雙層篩狀錯開的兩塊板。
步驟2中的混合氣體為硅烷(SiH4)、氮氣(N2)和氫氣(H2)的混合氣體，氣體純度均為99.99％。
步驟2中的混合氣體還可以為硅烷(SiH4)、氧化亞氮(N2O)和氫氣(H2)的混合氣體或者為硅烷(SiH4)、氧氣(O2)和氫氣(H2)的混合氣體，氣體純度均為99.99％。
為了在制備過程中達(dá)到更好的效果，在步驟1中，將襯底進(jìn)行前期處理后，先將襯底用去離子水在沸騰情況下煮2-20分鐘，去干水分后，再將襯底固定在電容極板的上極板的下表面。
步驟2中的電容極板的上極板與下極板之間的距離為2.0-2.5cm，工作氣壓在25-150Pa之間可調(diào)，射頻功率為35W。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法，其優(yōu)點在于整個制備過程中溫度控制在低于50℃，這種溫度有利于納米硅顆粒在氧化介質(zhì)中的存活，所獲得的最小納米硅顆?？尚∮?.0nm，顆粒的密度可達(dá)2.2×1013/cm2；利用此技術(shù)獲得了在可見光全譜范圍內(nèi)可調(diào)的光致發(fā)光，尤其是順利獲得了強的藍(lán)紫光，發(fā)光效率最大達(dá)10％。


圖1是本發(fā)明實施例1納米Si-in-SiN1.0發(fā)光復(fù)合薄膜的透射電鏡照片；圖2是納米Si-in-SiNx發(fā)光復(fù)合薄膜隨[N2]/[SiH4]值變化的熒光光譜；圖3是本發(fā)明實施例2納米Si-in-SiO1.27發(fā)光復(fù)合薄膜的透射電鏡照片；圖4是納米Si-in-SiOx發(fā)光復(fù)合薄膜隨X值變化的熒光光譜圖。
具體實施例方式
在本發(fā)明制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法中，所使用的電容極板的設(shè)計是電容極板包括平行相對的上、下極板，下極板固定安裝在陶瓷底座上，兩極板均為直徑大于6cm的圓形，在上極板的下表面的中心處有一個凹槽，凹槽的形狀和大小根據(jù)襯底來設(shè)置，下極板為雙層篩狀錯開的兩塊板，極板之間的距離可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
實施例1制備納米Si-in-SiNx(x＝1.0)發(fā)光復(fù)合薄膜1、將單晶硅片采用丙酮、酒精、去離子依次分別超聲10分鐘；將單晶硅片用去離子水在沸騰情況下煮2分鐘；吹干單晶硅片上的殘余水份，然后用掩膜片將單晶硅片固定到電容極板的上極板的下表面的凹槽內(nèi)，保證單晶硅片不松動；將電容極板放入電容耦合等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)的真空室內(nèi)；2、將電容極板的上極板接地，將純度均為99.99％的高純硅烷(SiH4)、高純氫氣(H2)和高純氮氣(N2)在混合室內(nèi)充分混合，混合室的出氣口與下極板的外表面緊密相接在一起，通過混合室的出氣口將混合氣體從電容極板的下極板的下表面導(dǎo)入，氣體經(jīng)過相互錯開的雙層篩狀的下極板，均勻緩慢地進(jìn)入下極板和上極板之間，兩極板之間的距離為2.0cm；將射頻信號加到下極板上，射頻能量輸入設(shè)定為35W，將工作氣壓在25-150Pa之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩極板邊緣及外側(cè)無放電，極板間均勻放電，單晶硅片的溫度控制在低于50℃，生長10分鐘以上或多次生長，即可得到納米Si-in-SiN1.0發(fā)光復(fù)合薄膜。
上述整個制備過程中溫度都被控制在低于50℃，這種溫度有利于納米硅顆粒在氧化介質(zhì)中的存活，圖1中由透射電鏡取得的照片中可知，納米硅顆粒平均尺寸為1.8nm，顆粒的密度為1.07×1013/cm2；使用PTI-710熒光光譜儀，用He-Cd激光器325nm波長或氙燈325nm波長激發(fā)(激發(fā)波長可以更短或更長)，在室溫下測量，通過調(diào)節(jié)高純硅烷(SiH4)和高純氮氣(N2)的流量比可獲得X值不同的Si-in-SiNx復(fù)合薄膜，納米Si-in-SiNx發(fā)光復(fù)合薄膜具有在可見光全譜范圍內(nèi)可調(diào)的光致發(fā)光，尤其是順利獲得了強的藍(lán)紫光，發(fā)光效率可達(dá)10％。圖2是采用本發(fā)明的方法時，隨[N2]/[SiH4]值變化的熒光光譜，其中[N2]/[SiH4]值越大，X值越??；從圖2可知，X值越小發(fā)光將會紅移，反之藍(lán)移。因此采用此方法可以制備從紅外到紫外連續(xù)可調(diào)的發(fā)光薄膜。發(fā)光波長不同，效率會略有不同。
實施例2制備納米Si-in-SiOx(x＝1.78)發(fā)光復(fù)合薄膜1、將單晶硅片采用丙酮、酒精、去離子依次分別超聲10分鐘，將單晶硅片用去離子水在沸騰情況下煮20分鐘；吹干單晶硅片上的殘余水份，然后用掩膜片將單晶硅片固定到電容極板的上極板的下表面的凹槽內(nèi)，保證單晶硅片不松動；電容極板位于電容耦合等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)的真空室內(nèi)；
2、將電容極板的上極板接地，將純度均為99.99％的高純硅烷(SiH4)，高純氫氣(H2)和高純氧化亞氮(N2O)在混合室充分混合，混合室的出氣口與下極板的外表面緊密相接在一起，通過混合室的出氣口將混合氣體從電容極板的下極板的下表面導(dǎo)入，氣體經(jīng)過相互錯開的雙層篩狀的下極板，均勻緩慢地進(jìn)入下極板和上極板之間，兩極板之間的距離為2.5cm；將射頻信號加到下極板上，射頻能量輸入設(shè)定為40W，將工作氣壓在25-150Pa之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩極板邊緣及外側(cè)無放電，極板間均勻放電，單晶硅片的溫度控制在低于50℃，多次生長，即可得到納米Si-in-SiO1.27發(fā)光復(fù)合薄膜。其中，混合氣體中的氧化亞氮(N2O)還可以用氧氣(O2)來替換。
上述整個制備過程中溫度都被控制在低于50℃，這種溫度有利于納米硅顆粒在氧化介質(zhì)中的存活，從圖3中由透射電鏡取得的照片中可知，納米硅顆粒平均尺寸為3.0nm，顆粒的密度為4.0×1012/cm2；使用PTI-710熒光光譜儀，用He-Cd激光器325nm波長或氙燈325nm波長激發(fā)(激發(fā)波長可以更短或更長)，在室溫下測量，通過調(diào)節(jié)高純硅烷(SiH4)和高純氧化亞氮(N2O)的流量比可獲得X值不同的Si-in-SiOx復(fù)合薄膜，納米Si-in-SiOx發(fā)光復(fù)合薄膜在可見光全譜范圍內(nèi)實現(xiàn)可調(diào)的光致發(fā)光。如圖4所示，X值越小發(fā)光將會紅移，反之藍(lán)移。因此可制備從紅外到紫外連續(xù)的發(fā)光薄膜。發(fā)光波長不同，效率會略有不同。
實施例1和2中所采用的單晶硅片也可以用石英玻璃來替代。另外，采用本方法制備硅基發(fā)光復(fù)合薄膜時，在普通真空生長薄膜時所采用的襯底，例如藍(lán)寶石、氧化鎂晶體、普通玻璃片等，都適于作為本發(fā)明方法中的襯底材料。
權(quán)利要求
1.一種制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法，包括以下步驟(1)根據(jù)已知方法對襯底進(jìn)行前期處理后，將襯底固定在電容極板的上極板的下表面；電容極板位于電容耦合等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)的真空室內(nèi)；所述襯底為單晶硅片或石英玻璃；(2)將電容極板的上極板接地，將射頻功率小于40W的射頻信號加到下極板上，將混合氣體從電容極板的下極板的下表面勻速、緩慢進(jìn)入兩極板之間；調(diào)節(jié)上、下極板之間的距離和工作氣壓大小，使兩極板邊緣及外側(cè)無放電，極板間均勻放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟(1)中，將襯底進(jìn)行前期處理后，先將襯底用去離子水在沸騰情況下煮2-20分鐘，去干水分后，再將襯底固定在電容極板的上極板的下表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中所述的已知方法為采用丙酮、酒精、去離子水依次分別超聲10分鐘。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述工作氣壓為25-150Pa。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述射頻功率為35W。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述電容極板的上極板和下極板均為直徑大于6cm的圓形，所述下極板固定安裝在陶瓷底座上；所述上極板的中心處設(shè)置有凹槽，該凹槽的形狀和大小與所述襯底相匹配；所述下極板為雙層篩狀錯開的兩塊板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述電容極板的上極板與下極板之間的距離為2.0-2.5cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7其中之一所述的方法，其特征在于所述混合氣體為硅烷(SiH4)、氮氣(N2)和氫氣(H2)的混合氣體，氣體純度均為99.99％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7其中之一所述的方法，其特征在于所述混合氣體為硅烷(SiH4)、氧化亞氮(N2O)和氫氣(H2)的混合氣體，氣體純度均為99.99％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7其中之一所述的方法，其特征在于所述混合氣體為硅烷(SiH4)、氧氣(O2)和氫氣(H2)的混合氣體，氣體純度均為99.99％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法，使用電容耦合等離子體增強化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，電板極板的下極板為雙層篩狀進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，兩極板的板間距為2.0－2.5cm，射頻信號加到下極板上，上極板接地；選用99.99％的純硅烷、氮氣和氫氣的混合氣體作為前驅(qū)物，基片單晶硅片放置在上極板；這樣保證小功率(35W)射頻輸入下的薄膜制備，基片溫度被控制在低于50℃，在低溫基片上生長的復(fù)合薄膜中更容易存活硅顆粒，顆粒尺寸小于2.0納米，顆粒數(shù)密度可達(dá)2.2×10
文檔編號H01L21/02GK1688016SQ20051006815
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者曹則賢, 王永謙, 馬利波, 宋蕊 申請人:中國科學(xué)院物理研究所