论文摘要
常压等离子体增强化学气相沉积（Plasma-enhanced chemical vapordeposition）是使原料气体在电场中成为等离子体状态,产生化学上非常活泼的激发态分子、原子、离子和原子团等,促进化学反应,在衬底表面上形成薄膜的技术。本论文采用自行设计组装的常压介质阻挡放电等离子体增强化学气相沉积装备研制具有荧光特性的多孔硅基纳米颗粒薄膜。与传统多孔硅电化学湿法制备技术比较,本APECVD方法具有下列特点:衬底适应性好,成膜温度较低,并可在非耐热有机衬底上成膜;放电形式简单,设备成本较之低气压等离子体设备大大降低;自行设计的交叉梳状式电极,耗能较低,并且产生的等离子体区域稳定均匀,所形成的气体通道利于反应气体充分均匀反应,可以达到较优的沉积效果;符合光电子器件干法制备的要求,易于与现有微电子工艺结合。本实验在夏磊学长的实验基础上有所改进,引入脉冲负偏压与在位退火的方法调节薄膜的微观结构形态和性能,制备了新颖结构和蓝紫光发光特性的多孔硅基纳米颗粒硅基薄膜,并从机理上初步分析了放电条件和薄膜的沉积过程的关系。本文首先研究了沉积条件尤其是偏压占空比与成膜之间的关系。利用硅烷（SiH4）以及氩气、氢气的混合气体（其中氩气95%氢气5%）,通过APECVD方法制备薄膜,整个实验中,介质阻挡放电频率在70-80kHz范围,电压值在6-8.5kV范围。扫描电镜（scanning electronmicroscope—SEM）测试结果发现,应用脉冲负偏压后,硅基薄膜的表面形态结构由较为紧密的颗粒团聚状态转变为多孔纳米絮状结构;且随着占空比的减小,多孔结构越加明显。利用红外（Fourier transform infrared spectroscopy-FTIR）与拉曼光谱（Raman spectrum）研究了沉积薄膜的化学结构与特性,FTIR研究的结果显示,1070cm-1与800cm-1处分别有较强的Si-O-Si的伸缩振动吸收峰和弯曲振动峰,说明沉积薄膜有明显的Si-Ox结构。而且,随占空比的增大,1070cm-1与800cm-1处Si-O-Si的振动峰加强,而930cm-1的Si-H弯曲振动降低。说明占空比增加,Si-O-Si键的结合越来越明显。Raman测试的结果表明,在低的占空比条件下,薄膜中包含非晶硅和氧化硅。但是当占空比升高到0.702时,非晶硅消失,氧化硅成分增加。在高占空比条件下,Si-O-Si基团对应的峰位出现蓝移,说明氧化硅颗粒逐渐变小。沉积过程的发射光谱（Optical Emission Spectrum-OES）结果表明,在412nm出现SiH*特征峰,证明放电沉积过程中存在不同程度的硅烷裂解。将反应过程中加在沉基区域的脉冲负偏压固定在-300V,当占空比从0.162增大到0.864时,随着占空比的增大,薄膜的红外光谱显示Si-O-Si在1070cm-1伸缩振动的吸收峰与800cm-1的弯曲振动峰都增大,而930cm-1的Si-H弯曲振动降低。说明占空比增加,Si-O-Si键的结合越来越明显。最后简要分析了薄膜沉积的机理。对纳米多孔硅基薄膜的光致荧光（Photoluminescence）进行了分析。发现,该多孔硅基薄膜的光致发光的谱线带主要集中红光区,在位退火后蓝紫光区出现新的峰,主峰值分别在700nm与400nm附近,并且峰较窄,从430nm起存有较明显的宽峰谱带,同时,随着偏压的增加,薄膜的发光强度也有着明显地增加。根据SEM的表面结构的结果分析,此光致荧光现象对应着不同结构产生的多种发光机理。该发光主要是由于量子限域效应和氧缺陷所引起。
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标签：常压等离子体化学气相沉积论文; 多孔硅基纳米颗粒薄膜论文; 偏压论文; 光致发光论文;