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)：
在過(guò)去十多年里在世界范圍內(nèi)，硅基高效發(fā)光薄膜的探索與制備得到廣泛關(guān)注。高效可調(diào)可見(jiàn)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，特別是它與目前較為成熟的微電子技術(shù)的結(jié)合，將會(huì)極大推動(dòng)信息技術(shù)等領(lǐng)域的革命性進(jìn)步。但是，由于發(fā)光效率低、與現(xiàn)行半導(dǎo)體工藝過(guò)程的兼容性差等問(wèn)題，導(dǎo)致硅基發(fā)光材料距離實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用仍然存在一定距離。
目前國(guó)際上使用的制備硅基發(fā)光薄膜的方法有PECVD(plasmaenhanced chemical vapor deposition)、熱絲CVD(hot filamentassisted chemical vapor deposition)、大氣壓CVD(atmosphericpressure chemical vapor deposition)、LPCVD(low pressure chemicalvapor deposition)和離子注入等，它們具有高溫條件下生長(zhǎng)或是需要高溫退火等特點(diǎn)，不利于與現(xiàn)行半導(dǎo)體工藝的兼容，并且薄膜都是一次生長(zhǎng)制得，部分工藝是一次制得后采用離子注入或離子刻蝕等處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種薄膜在低溫條件下即可多次循環(huán)生長(zhǎng)、且無(wú)需退火等后續(xù)處理、并具有很高的發(fā)光效率的制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法。
為實(shí)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(duì)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(qiáng)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35W-80W的射頻信號(hào)加到下極板上，先將硅烷(SiH4)(按2％的體積比稀釋在氫氣中)、氫氣和氮?dú)?N2)的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，硅烷、氫氣和氮?dú)獾募兌染鶠?9.99％；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)不放電，極板間均勻放電；此工作狀態(tài)持續(xù)5分鐘-90分鐘；3、等待所述電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)和所述襯底的溫度降至室溫；4、依次重復(fù)步驟2和步驟3的次數(shù)為3次-20次。
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(cuò)開(kāi)的兩塊板。
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。
步驟2中的混合氣體還可以為硅烷(SiH4)、氧氣(O2)和氫氣(H2)的混合氣體。
為了在制備過(guò)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)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本方法能夠嚴(yán)格控制硅顆粒的熟化和邊界彌散，制得的薄膜具有很高的顆粒密度(2×1013/cm2)，并且顆粒與基底邊界明銳，如圖1所示；薄膜具有很大的斯托克斯(Stokes)位移，很大程度上減少了薄膜中的光子再吸收，并且薄膜的可見(jiàn)光吸收較小，如圖2所示；薄膜無(wú)需退火等后續(xù)處理便表現(xiàn)出了很強(qiáng)的發(fā)光特性，因此其具有很高的發(fā)光效率，從圖3中可知，當(dāng)總的生長(zhǎng)時(shí)間相同時(shí)，其效率為采用一次生長(zhǎng)方法所得薄膜的10倍以上。上述特性使得薄膜具有很高的發(fā)光效率，此方法可以用于制備從紅光到紫光范圍可調(diào)的高效發(fā)光復(fù)合薄膜。薄膜在低溫條件下即可生長(zhǎng)，并且無(wú)需退火等后續(xù)處理，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染及可靠性高。


圖1是采用本發(fā)明制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法制備的納米SiNx高效發(fā)光復(fù)合薄膜的高分辨TEM圖像；圖2是采用本發(fā)明制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法制備的納米SiNx高效發(fā)光復(fù)合薄膜的吸收曲線；圖3是采用本發(fā)明制備納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的方法與一次生長(zhǎng)(放大八倍)制備的納米SiNx高效發(fā)光復(fù)合薄膜的PL譜；圖4是實(shí)施例1納米SiO1.8發(fā)光復(fù)合薄膜的PL譜；圖5是實(shí)施例2納米SiO1.5發(fā)光復(fù)合薄膜的PL譜；圖6是實(shí)施例3納米SiN1.1發(fā)光復(fù)合薄膜的PL譜。
具體實(shí)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結(jié)構(gòu)為電容極板包括平行相對(duì)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(gè)凹槽，凹槽的形狀和大小根據(jù)襯底來(lái)設(shè)置，下極板為雙層篩狀錯(cuò)開(kāi)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(shí)施例1制備納米SiO1.8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10分鐘；吹干單晶硅片上的殘余水分，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(dòng)；將電容極板放入電容耦合等離子體增強(qiáng)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，硅烷、氫氣和氧化亞氮的純度均為99.99％，將硅烷(SiH4)(按2％的體積比稀釋在氫氣中)、氫氣和氧化亞氮(N2O)按照SiH4∶H2∶N2O＝15∶10∶8的流量比在混合室內(nèi)充分混合，混合后的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，混合室的出氣口與下極板的外表面緊密相接在一起，通過(guò)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(guò)相互錯(cuò)開(kāi)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(hào)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(wú)放電，極板間均勻放電，單晶硅片的溫度控制在室溫，生長(zhǎng)90分鐘；3、暫停整個(gè)系統(tǒng)的工作，待系統(tǒng)和襯底的溫度降至室溫；4、然后依次重復(fù)步驟2和3的次數(shù)為20次后，即可得到納米SiO1.8發(fā)光復(fù)合薄膜。
從圖4中可知，納米SiO1.8發(fā)光復(fù)合薄膜，在無(wú)需退火等后續(xù)處理的情況下，便表現(xiàn)出了很強(qiáng)的發(fā)光特性，具有很高的發(fā)光效率。
實(shí)施例2制備納米SiO1.5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分，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(dòng)；將電容極板放入電容耦合等離子體增強(qiáng)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，硅烷、氫氣和氧氣的純度均為99.99％，將硅烷(SiH4)(按2％的體積比稀釋在氫氣中)、氫氣和氧氣(O2)按照SiH4∶H2∶O2＝13∶10∶1的流量比在混合室內(nèi)充分混合，混合后的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，混合室的出氣口與下極板的外表面緊密相接在一起，通過(guò)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(guò)相互錯(cuò)開(kāi)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(hào)加到下極板上，射頻能量輸入設(shè)定為50W，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(wú)放電，極板間均勻放電，單晶硅片的溫度控制在室溫，生長(zhǎng)20分鐘；3、暫停整個(gè)系統(tǒng)工作，待系統(tǒng)和襯底的溫度降至室溫；4、然后依次重復(fù)步驟2和3的次數(shù)為3次后，即可得到納米SiO1.5發(fā)光復(fù)合薄膜。
從圖5中可知，納米SiO1.5發(fā)光復(fù)合薄膜，在無(wú)需退火等后續(xù)處理的情況下，便表現(xiàn)出了很強(qiáng)的發(fā)光特性，具有很高的發(fā)光效率。
實(shí)施例3制備納米SiN1.1發(fā)光復(fù)合薄膜1、將石英玻璃采用丙酮、酒精、去離子依次分別超聲10分鐘；將石英玻璃用去離子水在沸騰情況下煮20分鐘；吹干石英玻璃上的殘余水分，然后用掩膜片將石英玻璃固定到電容極板的上極板的下表面的凹槽內(nèi)，保證石英玻璃不松動(dòng)；將電容極板放入電容耦合等離子體增強(qiáng)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，硅烷、氫氣和氮?dú)獾募兌染鶠?9.99％，硅烷(SiH4)(按2％的體積比稀釋在氫氣中)、氫氣和氮?dú)?N2)按照處理后的SiH4∶H2∶N2＝13∶10∶1的流量比在混合室內(nèi)充分混合，混合后的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，混合室的出氣口與下極板的外表面緊密相接在一起，通過(guò)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(guò)相互錯(cuò)開(kāi)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(hào)加到下極板上，射頻能量輸入設(shè)定為80W，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(wú)放電，極板間均勻放電，石英玻璃的溫度控制在室溫，生長(zhǎng)5分鐘；3、暫停整個(gè)系統(tǒng)的工作，待系統(tǒng)和襯底的溫度降至室溫；4、然后依次重復(fù)步驟2和3的次數(shù)為10次后，即可得到納米SiN1.1發(fā)光復(fù)合薄膜。
從圖6中可知，納米SiN1.1發(fā)光復(fù)合薄膜，在無(wú)需退火等后續(xù)處理的情況下，便表現(xiàn)出了很強(qiáng)的發(fā)光特性，具有很高的發(fā)光效率。
本發(fā)明的關(guān)鍵是低溫循環(huán)生長(zhǎng)的方式，把電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的溫度控制在室溫附近，維持納米硅基發(fā)光復(fù)合薄膜的低生長(zhǎng)速度，以保證薄膜具有硅納米顆粒密度高、顆粒與基體之間邊界明銳，薄膜整體透明，大Stokes位移，對(duì)可見(jiàn)光吸收較少的特點(diǎn)。
薄膜通過(guò)多次循環(huán)生長(zhǎng)制得，即薄膜生長(zhǎng)進(jìn)行到一定時(shí)刻，薄膜生長(zhǎng)了一定厚度層，系統(tǒng)停止工作，待系統(tǒng)和襯底的溫度降至室溫后，同時(shí)薄膜也充分弛豫，系統(tǒng)再開(kāi)始工作，薄膜又開(kāi)始生長(zhǎng)過(guò)程。每次生長(zhǎng)時(shí)間可以相同，也可以不同；每次生長(zhǎng)的氣體流量比可以相同，也可以不同。一般來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)時(shí)間越短，生長(zhǎng)次數(shù)越多，所得到的薄膜發(fā)光效率越高。
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(duì)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(qiáng)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35W-80W的射頻信號(hào)加到下極板上，先將硅烷(SiH4)(按2％的體積比稀釋在氫氣中)、氫氣和氮?dú)?N2)的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，硅烷、氫氣和氮?dú)獾募兌染鶠?9.99％；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)不放電，極板間均勻放電；此工作狀態(tài)持續(xù)5分鐘-90分鐘；(3)等待所述電容耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)和所述襯底的溫度降至室溫；(4)依次重復(fù)步驟(2)和步驟(3)3次-20次。
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2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3所述的方法，其特征在于所述工作氣壓為25-150Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求4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(cuò)開(kāi)的兩塊板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5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。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述混合氣體中的氮?dú)?N2)由氧化亞氮(N2O)替代。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述混合氣體中的氮?dú)?N2)由氧氣(O2)替代。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，電容板下極板采用雙層篩狀進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，選用高純硅烷、氫氣和氮?dú)庾鳛榍膀?qū)物，薄膜經(jīng)過(guò)多次循環(huán)生長(zhǎng)制得。多次循環(huán)生長(zhǎng)能夠抑制硅顆粒的熟化，控制表面形貌以保證薄膜整體的透明度，形成多層結(jié)構(gòu)，薄膜中存在高密度的硅單質(zhì)顆粒，顆粒尺寸為幾個(gè)納米，顆粒數(shù)密度為2.0×10
文檔編號(hào)C23C16/50GK1687482SQ200510075058
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日
發(fā)明者曹則賢, 馬利波, 宋蕊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所