反應(yīng)磁控濺射沉積SiOx薄膜制備鑲嵌在二氧化硅介質(zhì)中納米晶硅不可行性分析

1、反應(yīng)磁控濺射沉積SiOx薄膜制備鑲嵌在二氧化硅介質(zhì)中納米晶硅不可行性分析 用射頻磁控濺射法在純氬氣或氬氣/ 氧氣混合氣體中濺射純硅靶制備SiOx (x 2) 薄膜。X射線光電子譜(XPS) 分析證實,射頻功率對x 值起決定作用。當(dāng)射頻功率低時,所制備的薄膜是化學(xué)計量比的SiO2 ,通過調(diào)節(jié)氧氣分壓調(diào)節(jié)x 值非常困難。只有當(dāng)射頻功率較高時,才可以通過調(diào)節(jié)氧分壓調(diào)節(jié)x 值。實驗結(jié)果證實了射頻反應(yīng)磁控濺射不宜用于制備鑲嵌在二氧化硅介質(zhì)中納米晶硅(nc-Si/SiO2) 的前驅(qū)體SiOx 膜。文中討論了相關(guān)機制。 當(dāng)納米晶硅尺寸小于5nm 時,鑲嵌在二氧化硅介質(zhì)中的納米晶硅(nc-Si/SiO 2 )

2、 ,在室溫下會發(fā)射可見光 ,并且具有光增益特性 ,這種性質(zhì)使得二氧化硅介質(zhì)包裹的納米晶硅成為全硅基光電器件和硅激光器的理想材料。制備nc-Si/ SiO2 的主要方法之一是先制備SiOx (x 2) 薄膜,然后在1100 氮氣中退火,由于SiOx發(fā)生相分離,形成納米晶硅包裹在二氧化硅介質(zhì)中的構(gòu)造。相分離可用下式表示: 從上式中可以看出,如果x 值接近2 ,那么將沒有硅晶粒形成。SiOx 薄膜可以用很多方法制備,如化學(xué)氣相沉積(CVD) ,真空蒸發(fā)SiO ,Si 4 +注入SiO2,激光燒蝕,共濺射Si 和SiO2或反應(yīng)磁控濺射法濺射純硅靶等,和其它方法相比,很少有人用反應(yīng)磁控濺射方法來制備nc

3、-Si/ SiO2 的前驅(qū)體SiOx 薄膜。He 等報道用該法制備nc-Si/SiO2 ,所用射頻功率為150W,氣體流量比O2/ Ar 為11296 ,但是他們測得的熒光譜是一個很寬的光譜帶,并沒有明顯的納米晶硅的特征峰。本文探討反應(yīng)磁控濺射法不宜制備納米晶硅的原因。 1、試驗 試驗使用JGP2450型射頻磁控濺射系統(tǒng)制備薄膜。靶材是純硅靶,電阻率40cm。基體是5mm 10mm Si (100) 基片。靶與基體之間距離是80mm。沉積前,真空室抽氣到4 10- 4 Pa ,然后充入高純氬氣(99.999 %) 或高純氬與純氧(99.999 %) 混合氣體到1Pa ,施加功率,開展輝光放電,

4、濺射時間為20min。沉積時基體不加熱,沉積后樣品從真空室取出,做X 光電子譜(XPS) 分析。射頻功率和氣體流量及所制備的薄膜的Si 2 p XPS 譜峰能量位置等參數(shù)見表1。 表1 反應(yīng)磁控濺射制備SiOx 薄膜的射頻功率、氣體流量及Si 2p XPS 譜峰能量位置 2、結(jié)果 2.1、混合氣體中氧氣含量與薄膜中x 值的關(guān)系 樣品A 和B 所用射頻功率均為70W,氧氬含量比(O2/ Ar) 分別為10 %和1 % ,它們的譜圖卻非常相似,如圖1 所示,僅在103.2eV 處有一個峰。硅有五種化合價,其中Si 和Si 4 + 兩種是穩(wěn)定構(gòu)造,另外三種是亞穩(wěn)定構(gòu)造Si 1+ ( Si2O) ,

5、Si 2+ ( SiO) , Si 3+ (Si2O3) 。Si2 p 光電子譜已經(jīng)得到廣泛研究,化合價增加1 ,結(jié)合能增加近1eV ,結(jié)合能在103.2eV 對應(yīng)的是Si 4+ 。圖1 中只有一個峰位在103.2eV 的峰,說明硅原子呈四價,即硅被完全氧化成SiO2 。這個實驗結(jié)果說明當(dāng)射頻功率低時,通過調(diào)節(jié)氧含量來調(diào)節(jié)x 不可行。 圖1 射頻功率為70W,O2/ Ar 比值分別為10 %和1 %時Si2 p XPS 譜 限于篇幅，文章中間章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細文章請郵件至作者索要。 4、結(jié)論 本文探討反應(yīng)磁控濺射不宜用于制備鑲嵌在二氧化硅介質(zhì)中納米晶硅( nc-Si/SiO2) 的前驅(qū)體SiOx膜的原因。射頻磁控濺射過程中,充入真空室的氧和器壁吸附的含氧分子會參與輝光放電,離化成化學(xué)活性高的離子,而靶材表面不斷被濺射而露出的硅基體表面沉積的含有懸掛鍵的硅,活性也很高,它們很容易結(jié)合成氧化硅,所以低功率時只能形成SiO2 。當(dāng)濺射功率高時,由于濺射速率高于氧化速率,所以可以得到x 值小于2 的SiOx 膜,但是高功率導(dǎo)致基體溫度升高,不利于后續(xù)退火形成nc-Si/ SiO2構(gòu)造。用純氬氣濺射可以獲得低x 值的薄膜,但是x 值太低