專利名稱：脈沖激光沉積制備納米硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硅納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種脈沖激光沉積制備納米 硅的方法。
背景技術(shù)：
自從1990年，英國科學(xué)家Canham首次觀測(cè)到了納米多孔Si的室溫可見光 發(fā)射現(xiàn)象，開辟了 Si基光電子學(xué)研究的新方向。十幾年來，在材料和器件物理 學(xué)家的共同努力下，各類Si基低維納米材料在光電子器件方面的應(yīng)用取得了可 喜進(jìn)展，這些材料主要包括產(chǎn)生光致發(fā)射(PL)和電致發(fā)射(EL)的零維Si基納米顆 粒，使光被傳導(dǎo)和分解的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有光子帶隙特征的Si納米晶體等。應(yīng)用 器件主要包括由Si基納米顆粒在光照或電注入條件下產(chǎn)生電子和空穴，并使其 發(fā)生輻射復(fù)合而發(fā)光的二極管，具有電荷存儲(chǔ)、光電轉(zhuǎn)換的非易失存儲(chǔ)器和太陽 能電池。目前Si基光電量子器件的應(yīng)用瓶頸在于納米Si晶粒尺寸的均勻性和可 控性難以實(shí)現(xiàn)。盡管目前采用PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)、PLA (脈 沖激光沉積系統(tǒng))等技術(shù)可以制備不同尺寸的Si納米顆粒，但是制備的Si納 米顆粒，由于其尺寸分布不均勻，空間分布無序。很難期望有良好、重復(fù)的電輸 運(yùn)與光學(xué)特性。Woosimg Nam等人采用PLA技術(shù)輔助AAO (陽極氧化鋁)模 板，成功地生長尺寸可控、分布有序的Si納米顆粒。然而，AAO模板很難有效 地與襯底銜接，到目前為止，還沒有第二例采用AAO模板輔助生長納米顆粒成 功的報(bào)道。另外，還有許多的研究機(jī)構(gòu)在探索采用陽極氧化法、磁控濺射、化學(xué) 氣相沉積、激光燒蝕、和分子束外延等技術(shù)制備尺寸可控納米硅顆粒樣品。從微納電子制造兼容性方面考慮，選取高效、潔凈的物理氣相沉積手段制備 納米顆粒是一種可能實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)。最近，王英龍等人在不同緩沖氣氛中制備 了尺寸差異較大的硅納米顆粒，發(fā)現(xiàn)緩沖氣體分子尺寸大小對(duì)于激光燒蝕制備納 米顆粒的大小影響顯著，調(diào)整緩沖氣體成分可以在一定程度上控制最終合成納米
顆粒的大小。在最初的PLA制備硅納米顆粒過程中，緩沖氣體壓力常常高達(dá) 300Pa，盡管制備的硅納米顆粒較小，但團(tuán)聚嚴(yán)重。另外，激光燒蝕過程中，根 據(jù)D.B.Geohegan，韓民等人提出的振動(dòng)波傳遞和羽輝膨脹模型，認(rèn)為燒蝕靶材產(chǎn) 生的羽輝的擴(kuò)展范圍決定收集到的顆粒的大小和分散情況。目前，A.V.Bulgakov 等人已經(jīng)驗(yàn)證了納米顆粒尺寸隨羽輝擴(kuò)展呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。納米顆粒的團(tuán)聚和 尺寸均勻分布一直是難以解決的關(guān)鍵技術(shù)，T. Makino等人在PLD (脈沖激光沉 積)設(shè)備上安裝了DMA (靜電分離器)，在硅襯底上獲得了分散均勻的硅納米顆 粒。然而，還未有采用常規(guī)的PLD設(shè)備實(shí)現(xiàn)這一特征的報(bào)告。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于，采
用脈沖激光沉積設(shè)備依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)
(1) 清洗高純硅靶和襯底；
(2) 硅靶裝入脈沖激光沉積旋轉(zhuǎn)靶位；
(3) 將襯底固定在可自轉(zhuǎn)樣品托上，襯底與靶相向而置；
(4) 抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5X10-Spa后，通入惰性緩沖氣體，采用質(zhì)量流量 計(jì)控制緩沖氣體流量，緩沖氣體壓力控制在10 300Pa范圍內(nèi)；
(5) 樣品托采用液氮冷卻，調(diào)節(jié)襯底溫度；
(6) 采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅耙進(jìn)行燒蝕，激光能量密度在1 10mJ/cm2， 激光脈寬為10ns，頻率在l 10Hz，靶和樣品托自轉(zhuǎn)速度維持在10r/min;(7)激光燒蝕時(shí)間為3 10分鐘，激光燒蝕過程完成后，打開真空截止閥，排
出真空腔中的殘余氣體，通入惰性氣體至常壓，在襯底上收集硅納米顆粒，取出 并放置在惰性氣體密封箱中存放。 所述硅靶材料為高純多晶硅。
所述硅耙為具有設(shè)定弧度的外凸球面耙，硅靶表面弧度在0.26 0.39rad，靶 直徑為60mm。
所述清洗高純硅靶步驟為，依次用甲苯、乙醇、丙酮各超聲清洗10分鐘， 并將上述清洗步驟重復(fù)3 5次。
所述襯底材料的清洗采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA硅片清洗工藝。 所述襯底材料是硅單晶或者無定型石墨材料。
所述樣品托采用液氮冷卻以調(diào)節(jié)襯底溫度，通過控制液氮流量調(diào)整溫度，調(diào) 整溫度范圍為室溫至-5(TC。
所述硅靶和襯底之間的距離通過步進(jìn)電極自由調(diào)節(jié)，范圍在20 150mm之間。
所述緩沖氣體和惰性氣體為Ar、 He或Ar/He混合氣體。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明采用常規(guī)激光沉積設(shè)備，未添加模板或靜電分 離器，通過規(guī)范脈沖激光沉積工藝，減少可變參數(shù)，燒蝕特殊形狀的硅靶，并結(jié) 合激光燒蝕過程參數(shù)調(diào)節(jié)，能夠高效、快捷的獲得高分散、尺寸均勻的納米顆粒。 納米顆粒的尺寸在10nm以下、10 50nm、 50 100nm和大于100nm范圍內(nèi)可 控。采用本發(fā)明可以直接在半導(dǎo)體單晶上獲得尺寸可控、分散均勻的高面密度硅 納米顆粒，能夠直接應(yīng)用于光電器件的組裝，顯著增加了硅納米顆粒的應(yīng)用前景。 另外，采用本發(fā)明制備的小于10nm的硅納米顆粒具有很好的光致發(fā)光特征。


圖1是脈沖激光沉積制備納米硅結(jié)構(gòu)示意(a)平面高純硅耙沉積示意圖；(b)弧面高純硅靶沉積示意圖2是實(shí)施例1制備的硅納米顆粒TEM照片(a)、單個(gè)分散的硅納米顆粒的
高分辨透射電鏡(HRTEM)分析圖(b);
圖3是實(shí)施例2制備的硅納米顆粒SEM照片；
圖4是實(shí)施例3制備的硅納米顆粒SEM照片；
圖5是2Hz條件下實(shí)施例4中制備的硅納米顆粒SEM照片；
圖6是5Hz條件下實(shí)施例4中制備的硅納米顆粒SEM照片；
圖7是實(shí)施例5制備的不同尺寸的硅納米顆粒室溫光致發(fā)光譜；
圖中標(biāo)號(hào)
l一平面Si靶；2—襯底；3—入射激光；4一羽輝；5—弧面Si靶； 6—尺寸為5nm Si顆粒光致發(fā)光譜；7—尺寸為8nm Si顆粒光致發(fā)光譜； 8—尺寸為10nmSi顆粒光致發(fā)光譜；9—尺寸為15nm Si顆粒光致發(fā)光譜。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的是提供一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法。采用未添加模板 或靜電分離器的激光沉積設(shè)備，通過規(guī)范脈沖激光沉積工藝，減少可變參數(shù)，降 低Si納米顆粒的尺寸分布，實(shí)現(xiàn)高分散、尺寸可控生長Si納米顆粒，硅納米顆 粒的高分散性主要由靶的形狀和激光燒蝕參數(shù)控制，硅納米顆粒的尺寸由靶和襯 底間距、緩沖氣體壓力和襯底溫度共同控制，下面通過列舉實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本 發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法，采用脈沖激光沉積設(shè)備依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)
(1) 圖1是脈沖激光沉積制備納米硅結(jié)構(gòu)示意圖，圖1 (a)為平面高純硅靶沉
積示意圖，圖1 (b)為弧面高純硅靶沉積示意圖。采用普通平面硅靶，激光燒蝕
產(chǎn)生的硅納米顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，所以選用弧面硅靶。
選用圖l (b)所示弧面硅靶，硅靶的弧度大約為0.3rad，靶直徑為60mm，硅靶材料為高純多晶硅，清洗高純多晶硅硅靶，步驟為依次用甲苯、乙醇、丙酮各超聲清洗10分鐘，并將上述清洗步驟重復(fù)5次；采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA硅片清洗工藝清洗硅單晶襯底清洗裝置是多槽浸泡式清洗系統(tǒng)，具體清洗工序如下SC-1 —DHF — SC-2。 SC-1是H202和NH40H的堿性溶液，SC-2是11202和HC1的酸性溶液，DHF是HF和純水的混合液，也叫做稀釋的氫氟酸DHF(dilutedHF);
(2) 硅靶裝入脈沖激光沉積旋轉(zhuǎn)靶位；
(3) 將襯底固定在可自轉(zhuǎn)樣品托上，襯底與靶相向而置，硅靶和襯底之間的距離通過步進(jìn)電極調(diào)節(jié)為50mm;
(4) 抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5X10'Spa后，通入緩沖氣體高純Ar氣，采用質(zhì)量流量計(jì)控制Ar氣流量，Ar氣壓力控制在300Pa;
(5) 樣品托采用液氮冷卻，通過控制液氮流量調(diào)整溫度，調(diào)節(jié)襯底溫度在-50
。C;
(6) 采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅靶進(jìn)行燒蝕，激光能量密度在5mJ/cm2，激光脈寬為10ns,頻率在lHz，靶和樣品托自轉(zhuǎn)速度維持在10r/min;
(7) 激光燒蝕時(shí)間為10分鐘，激光燒蝕過程完成后，打開真空截止閥，排出真空腔中的殘余氣體，通入高純Ar氣至常壓，在硅單晶襯底和超薄碳膜上收集硅納米顆粒，取出并放置在高純Ar氣密封箱中存放。
對(duì)制備的硅納米顆粒進(jìn)行TEM觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從TEM照片圖2 (a)可見，沉積在碳膜上的硅納米顆粒完全獨(dú)立分散，納米顆粒的尺寸較為均勻，大都小于10nm。選取單個(gè)分散的硅納米顆粒進(jìn)行高分辨透射電鏡(HRTEM)分析，如圖2 (b)所示，發(fā)現(xiàn)這些硅納米顆粒為球狀，并表現(xiàn)出很好的單晶結(jié)構(gòu)特征。但在碳膜上收集到的硅納米顆粒數(shù)量較少。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光燒蝕固態(tài)硅源制備硅納米顆粒過程中，采用具有設(shè)定弧度的弧形硅靶，可以制備出高度分散、尺寸均勻的硅納米顆粒。
實(shí)施例2
一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法，采用脈沖激光沉積設(shè)備依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)
(1) 選用圖1 (b)所示弧面硅靶，硅靶的弧度大約為0.35rad，靶直徑為60mm，硅靶材料為高純多晶硅，清洗高純多晶硅硅靶，步驟為依次用甲苯、乙醇、丙酮各超聲清洗10分鐘，并將上述清洗步驟重復(fù)5次；采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA硅片清洗工藝清洗硅單晶襯底清洗裝置是多槽浸泡式清洗系統(tǒng)，具體清洗工序如下SC-1 —DHF — SC-2。 SC-1是H202和NH40H的堿性溶液，SC-2是&02和HC1的酸性溶液，DHF是HF和純水的混合液，也叫做稀釋的氫氟酸DHF(diluted HF);
(2) 硅耙裝入脈沖激光沉積旋轉(zhuǎn)靶位；
(3) 將襯底固定在可自轉(zhuǎn)樣品托上，襯底與靶相向而置，硅靶和襯底之間的距離通過步進(jìn)電極調(diào)節(jié)為70mm;
(4) 抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5X10'Spa后，通入緩沖氣體Ar氣，采用質(zhì)量流量計(jì)控制Ar氣流量，Ar氣壓力控制在15Pa;
(5) 樣品托采用液氮冷卻，通過控制液氮流量調(diào)整溫度，調(diào)節(jié)襯底溫度在-20
。C;
(6) 采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅靶進(jìn)行燒蝕，激光能量密度在5mJ/cm2，激光脈寬為10ns，頻率在lHz，靶和樣品托自轉(zhuǎn)速度維持在10r/min;
(7)激光燒蝕時(shí)間為3分鐘，激光燒蝕過程完成后，打開真空截止閥，排出真空腔中的殘余氣體，通入高純Ar氣至常壓，在硅單晶襯底和超薄碳膜上收集硅納米顆粒，取出并放置在高純Ar氣密封箱中存放。。
適當(dāng)增加激光燒蝕羽輝擴(kuò)散距離，并采用低Ar緩沖氣壓，同樣能夠獲得高分散的硅納米顆粒，并可以通過調(diào)節(jié)緩沖氣體壓力和硅靶一襯底之間的距離獲得不同尺寸的硅納米顆粒。
對(duì)制備的硅納米顆粒進(jìn)行SEM觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3的SEM照片可見，沉積在碳膜上的硅納米顆粒具有很高的面密度( 2Xl(^個(gè)/cm2)。，并具有很好的分散特征，納米顆粒的尺寸較為均勻，在50 70nm范圍內(nèi)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用具有設(shè)定弧度的弧形硅靶，適當(dāng)增加羽輝擴(kuò)展距離，降低緩沖氣體壓力，能夠獲得分散性很好的較高的面密度的納米硅顆粒。
實(shí)施例3
一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法，采用脈沖激光沉積設(shè)備依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)
(1) 選用圖1 (b)所示弧面硅靶，硅靶的弧度大約為0.35rad，靶直徑為60mm，硅靶材料為高純多晶硅，清洗高純多晶硅硅靶，步驟為依次用甲苯、乙醇、丙酮各超聲清洗10分鐘，并將上述清洗步驟重復(fù)5次；采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA硅片清洗工藝清洗硅單晶襯底清洗裝置是多槽浸泡式清洗系統(tǒng)，具體清洗工序如下SC-1 —DHF — SC-2。 SC-1是&02和NH4OH的堿性溶液，SC-2是&02和HC1的酸性溶液，DHF是HF和純水的混合液，也叫做稀釋的氫氟酸DHF(dilutedHF);
(2) 硅耙裝入脈沖激光沉積旋轉(zhuǎn)靶位；
(3) 將襯底固定在可自轉(zhuǎn)樣品托上，襯底與靶相向而置，硅靶和襯底之間的距離通過步進(jìn)電極調(diào)節(jié)為70mm;
(4) 抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5Xl(^Pa后，通入緩沖氣體Ar氣，采用質(zhì)量流量計(jì)控制Ar氣流量，Ar氣壓力控制在30Pa;
(5) 樣品托采用液氮冷卻，通過控制液氮流量調(diào)整溫度，調(diào)節(jié)襯底溫度在-50
。C;
(6) 采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅靶進(jìn)行燒蝕，激光能量密度在4mJ/cm2，激光脈寬為10ns，頻率在lHz，靶和樣品托自轉(zhuǎn)速度維持在10r/min;
(7) 激光燒蝕時(shí)間為5分鐘，激光燒蝕過程完成后，打開真空截止閥，排出真空腔中的殘余氣體，通入高純Ar氣至常壓，在硅單晶襯底和超薄碳膜上收集硅納米顆粒，取出并放置在高純Ar氣密封箱中存放。。
對(duì)制備的硅納米顆粒進(jìn)行SEM觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從SEM照片可見，沉積在單晶硅襯底上的硅納米顆粒具有很高的面密度，約4X10。個(gè)/cm2，并具有很好的分散特征，納米顆粒的尺寸較為均勻，大小約10nm。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用具有設(shè)定弧度的弧形硅靶，在10 300Pa緩沖氣體壓力范圍內(nèi)，適當(dāng)增加緩沖氣體的壓力，能夠有效的降低硅納米顆粒的尺寸。
實(shí)施例4
一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法，采用脈沖激光沉積設(shè)備依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)
(l)選用圖1 (b)所示弧面硅靶，硅靶的弧度大約為0.35md，靶直徑為60mm，硅靶材料為高純多晶硅，清洗高純多晶硅硅靶，步驟為依次用甲苯、乙醇、丙酮各超聲清洗10分鐘，并將上述清洗步驟重復(fù)5次；采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA硅片清洗工藝清洗硅單晶襯底清洗裝置是多槽浸泡式清洗系統(tǒng)，具體清洗工序如下SC-1 —DHF — SC-2。 SC-1是&02和NHtOH的堿性溶液，SC-2是&02和HC1的酸性溶液，DHF是HF和純水的混合液，也叫做稀釋的氫氟酸DHF(dilutedHF);
(2) 硅耙裝入脈沖激光沉積旋轉(zhuǎn)耙位；
(3) 將襯底固定在可自轉(zhuǎn)樣品托上，襯底與靶相向而置，硅靶和襯底之間的距 離通過步進(jìn)電極調(diào)節(jié)為70mm;
(4) 抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5X10'5Pa后，通入Ar氣，采用質(zhì)量流量計(jì)控制 Ar氣流量，Ar氣壓力控制在30Pa;
(5) 樣品托采用液氮冷卻，通過控制液氮流量調(diào)整溫度，調(diào)節(jié)襯底溫度在-20
。C;
(6) 采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅耙進(jìn)行燒蝕，激光能量密度在4mJ/cm2，激光 脈寬為10ns，增加激光頻率至2Hz和5Hz，靶和樣品托自轉(zhuǎn)速度維持在10r/min;
(7) 激光燒蝕時(shí)間為5分鐘，激光燒蝕過程完成后，打開真空截止閥，排出真 空腔中的殘余氣體，通入高純Ar氣至常壓，在硅單晶襯底和超薄碳膜上收集硅 納米顆粒，取出并放置在高純Ar氣密封箱中存放。
對(duì)制備的硅納米顆粒進(jìn)行SEM觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5 和圖6的SEM照片可見，隨著激光頻率的增加，沉積在單晶硅襯底上的硅納米 顆粒數(shù)量顯著增加，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，但納米顆粒的尺寸變化不大，大小在10nm 左右。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用具有設(shè)定弧度的弧形硅耙，增加激光燒蝕頻率只會(huì)產(chǎn)生 納米顆粒的團(tuán)聚，但對(duì)顆粒的大小影響不明顯。因此，為了制備分散的硅納米顆 粒，激光燒蝕過程選取較低的頻率有有益于產(chǎn)生分散的硅納米顆粒。
實(shí)施例5
一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法，采用脈沖激光沉積設(shè)備依次按以下步 驟實(shí)現(xiàn)(1) 選用圖1 (b)所示弧面硅靶，硅靶的弧度大約為0.35rad，靶直徑為60mm， 硅靶材料為高純多晶硅，清洗高純多晶硅硅靶，步驟為依次用甲苯、乙醇、丙酮 各超聲清洗10分鐘，并將上述清洗步驟重復(fù)5次；采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA硅片清洗工 藝清洗硅單晶襯底清洗裝置是多槽浸泡式清洗系統(tǒng)，具體清洗工序如下SC-1 — DHF — SC-2。 SC-1是11202和NH4OH的堿性溶液，SC-2是11202和HC1的酸 性溶液，DHF是HF和純水的混合液，也叫做稀釋的氫氟酸DHF(dilutedHF);
(2) 硅耙裝入脈沖激光沉積旋轉(zhuǎn)耙位；
(3) 將襯底固定在可自轉(zhuǎn)樣品托上，襯底與靶相向而置，硅靶和襯底之間的距 離通過步進(jìn)電極調(diào)節(jié)為70mm;
(4) 抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5X10—5Pa后，通入Ar氣，采用質(zhì)量流量計(jì)控制 Ar氣流量，Ar氣壓力控制在30Pa;
(5) 樣品托采用液氮冷卻，通過控制液氮流量調(diào)整溫度，調(diào)節(jié)襯底溫度在-50
。C;
(6) 采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅靶進(jìn)行燒蝕，激光能量密度在4mJ/cm2，激光 脈寬為10ns，激光頻率為lHz，靶和樣品托自轉(zhuǎn)速度維持在10r/min;
(7) 激光燒蝕時(shí)間為5分鐘，激光燒蝕過程完成后，打開真空截止閥，排出真 空腔中的殘余氣體，通入高純Ar氣至常壓，在硅單晶襯底和超薄碳膜上收集硅 納米顆粒，取出并放置在高純Ar氣密封箱中存放。
室溫環(huán)境下，采用激光波長為372nm的激發(fā)源對(duì)尺寸大小在5 15nm范圍 內(nèi)的制備的硅納米顆粒進(jìn)行光致發(fā)光(PL)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從PL 譜可見，隨著硅納米顆粒尺寸從5nm增加到15nm，相應(yīng)的PL譜從580nm增加 至613nm，產(chǎn)生明顯的"紅移"特征。這一現(xiàn)象表明硅納米顆粒由于尺寸急劇降 低產(chǎn)生了量子限制效應(yīng)，最終導(dǎo)致硅材料在室溫出現(xiàn)明顯的光致發(fā)光特征。由此可見，采用本發(fā)明制備的硅納米顆粒具有很明顯的光致發(fā)光特征，這一特點(diǎn)將促 使可控納米尺寸的硅納米顆粒能夠在光電子(光電集成、光學(xué)顯示、激光光源等)，
微納電子(單電子存儲(chǔ)、納米FET等)，生物醫(yī)學(xué)(熒光標(biāo)記、生物傳感、藥物 釋放等)方面獲得重大的應(yīng)用。
1權(quán)利要求
1、一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于，采用脈沖激光沉積設(shè)備依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)清洗高純硅靶和襯底；(2)硅靶裝入脈沖激光沉積旋轉(zhuǎn)靶位；(3)將襯底固定在可自轉(zhuǎn)樣品托上，襯底與靶相向而置；(4)抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-5Pa后，通入惰性緩沖氣體，采用質(zhì)量流量計(jì)控制緩沖氣體流量，緩沖氣體壓力控制在10～300Pa范圍內(nèi)；(5)樣品托采用液氮冷卻，調(diào)節(jié)襯底溫度；(6)采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅靶進(jìn)行燒蝕，激光能量密度在1～10mJ/cm2，激光脈寬為10ns，頻率在1～10Hz，靶和樣品托自轉(zhuǎn)速度維持在10r/min；(7)激光燒蝕時(shí)間為3～10分鐘，激光燒蝕過程完成后，打開真空截止閥，排出真空腔中的殘余氣體，通入惰性氣體至常壓，在襯底上收集硅納米顆粒，取出并放置在惰性氣體密封箱中存放。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于， 所述硅靶材料為高純多晶硅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于， 所述硅靶為具有設(shè)定弧度的外凸球面靶，硅靶表面弧度在0.26 0.39 md，靶直徑 為60mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于， 所述清洗高純硅靶步驟為，依次用甲苯、乙醇、丙酮各超聲清洗10分鐘，并將 上述清洗步驟重復(fù)3 5次。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于，所述襯底材料的清洗采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA硅片清洗工藝。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于， 所述襯底材料是硅單晶或者無定型石墨材料。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于， 所述樣品托采用液氮冷卻以調(diào)節(jié)襯底溫度，通過控制液氮流量調(diào)整溫度，調(diào)整溫 度范圍為室溫至-5(TC。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于， 所述硅耙和襯底之間的距離通過步進(jìn)電極自由調(diào)節(jié)，范圍在20 150mm之間。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積制備納米硅的方法，其特征在于， 所述緩沖氣體和惰性氣體為Ar、 He或Ar/He混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于硅納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域的一種脈沖激光沉積制備納米硅的方法。首先清洗并固定弧面硅靶和襯底，抽真空后通入惰性緩沖氣體，調(diào)節(jié)襯底溫度，采用KrF準(zhǔn)分子激光器對(duì)硅靶進(jìn)行燒蝕，激光燒蝕過程完成后，排出真空腔中的殘余氣體，通入惰性氣體至常壓，在襯底上收集硅納米顆粒，取出并放置在惰性氣體密封箱中存放。通過選擇合適的硅靶形狀、沉積距離、緩沖氣體壓力和襯底溫度來調(diào)整納米硅的尺寸和分散性。采用本發(fā)明可以直接在半導(dǎo)體單晶上獲得尺寸可控、分散均勻的高面密度硅納米顆粒，能夠直接應(yīng)用于光電器件的組裝，顯著增加了硅納米顆粒的應(yīng)用前景。另外，采用本發(fā)明制備的小于10nm的硅納米顆粒具有很好的光致發(fā)光特征。
文檔編號(hào)C23C14/14GK101684545SQ200810222930
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者屠海令, 朱世偉, 軍 杜, 磊 王 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院