低气压管式放电等离子体及制备非晶氮化硅薄膜研究

摘要

低温等离子体技术是材料改性和薄膜合成的重要手段之一，受到各国学者的广泛关注。一种新型等离子体放电技术的出现往往会推动材料改性和薄膜合成技术发生革命性改变。近年来受到广泛关注的大气压射流等离子体放电可以产生高活性的等离子体，已经在材料合成、材料表面改性、医疗器械杀菌等方面显示出良好的应用前景。在薄膜合成方面，大气压射流等离子体技术可以实现室温下的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，但所制备的薄膜质量无法满足实际应用的要求。本论文主要讨论了一种类似于大气压射流等离子体的低气压管式放电技术，进而发展出一种基于低气压管式放电的PECVD技术。利用这种新型PECVD装置，成功实现了非晶氮化硅(a-SiNx∶H)薄膜在室温条件下的高速率沉积，并制备出一种新型的量子点薄膜——a-SiNx∶H量子点薄膜。本论文的主要研究内容如下:
　　（一）低气压管式放电技术研究:设计了一种低频(20～80kHz)驱动的低气压管式放电等离子体产生装置，实现N2、O2、Ar等多种气体在低气压(0.1～200Pa)条件下的稳定放电。研究结果表明，这种管式放电等离子体不同于常规的低气压放电等离子体，存在截然不同的两个放电状态，分别为G放电模式和SP放电模式。G放电模式产生的等离子体主要约束在管内的电极附近，等离子体辉光区随放电功率的增加而逐渐扩大;当放电功率增加到某一临界值时，G放电模式立即转变为SP放电模式，同时，等离子体辉光区拓展到放电管之外，形成等离子体羽辉。等离子体放电特性分析显示，G模式属于容性放电，而SP模式属于阻性放电，并伴有周期性强放电脉冲的产生，瞬时脉冲放电功率高达1kW以上，这与电源放电功率、气压、气体种类有关。在12Pa的N2环境下，115W驱动的SP放电可以使等离子体羽辉中的等离子体密度高达0.5×1012cm-3,放电电流密度高达27A/cm-2。在此基础上，进一步探讨了这种新型低气压等离子体技术在等离子体刻蚀、等离子体氮化、等离子体辅助脉冲激光沉积等方面的应用。
　　（二）低气压管式放电氮等离子体研究:在最小二乘优化理论的基础上，设计了一套针对N2分子第二正带发射光谱的拟合软件，具有操作简单、分析速度快、拟合精度高、无需对原始光谱进行预处理等特点。该软件完全消除了等离子体光谱拟合过程中的人为因素，并可以满足海量等离子体光谱数据的高效处理。在此光谱拟合软件的基础上，分析了氮等离子体放电过程中，N2分子的转动温度、振动温度随放电功率的变化，研究了N2分子的转动温度、振动温度在等离子体放电管中的空间分布。研究结果进一步证明了G放电和SP放电分属于两种不同的等离子体放电模式。在G放电模式中，N2分子的转动温度略高于室温(320K)，且基本不随放电功率显著变化，而振动温度却随放电功率的增加逐渐增大，但一般小于3500K。当放电转变到SP放电模式时，N2分子的振动温度骤升至5000K左右，但随放电功率的增加而有所下降，而转动温度却随放电功率的增加逐渐增大至～700K。此外，利用位于746.83、821.63和868.03nm的三条N原子线（对应于N原子的4So3/2→4P5/2、4Po5/2→4P5/2和4Dp7/2→4P5/2跃迁）的谱线强度，提出了一种用于确定非玻尔兹曼分布等离子体中与激发光谱相关的电子温度的自洽计算方法，进而利用等离子体发射光谱分析了氮等离子体中N2分子的解离率随放电功率的变化。研究结果显示，在SP放电模式下，N2分子的解离率随放电功率的增加呈线性增长趋势，与放电频率没有明显的关联;在放电功率为115W时，N2分子的解离率高达～15％，从而证明这种低气压管式放电可以产生高活性等离子体。
　　（三）基于低气压管式放电的PECVD系统及其在薄膜沉积方面的应用:在高活性低气压管式放电等离子体的基础上，设计了一种可以分立输送活性气体(N2)与反应气体(SiH4)的新型PECVD装置，避免了氮等离子体放电因气体的引入而发生明显改变，从而保证了氮等离子体的高活性，进而实现了非晶氮化硅(a-SiNx∶H)薄膜在室温条件下的高速率生长。以N2和Ar+5％ SiH4为气源，在没有对硅基片进行加热的条件下，成功制备出低H含量的a-SiNx∶H薄膜，沉积速率在100nm/min以上，远高于目前文献报道的最高室温沉积速率。分析结果显示，a-SiNx∶H薄膜中H原子密度约为1.0±0.2×1022cm-3,甚至可以更低，而薄膜的表面粗糙度仅为亚纳米量级。研究发现a-SiNx∶H薄膜的沉积速率与N2解离率之间满足很好的线性关系，从而证明了N原子在室温沉积a-SiNx∶H薄膜的过程中起到至关重要的作用。另外，这种基于低气压管式放电的PECVD系统的体积很小，可以用于容器内壁表面的薄膜沉积，同时，这种小型PECVD装置又可以大面积集成，并适用于复杂形状工件表面镀膜，因此具有广泛的工业应用前景。
　　（四）a-SiNx∶H量子点薄膜的制备与表征:在室温沉积a-SiNx∶H薄膜过程中，通过加入少量O2,成功合成一种新型的非晶氮氧化硅(a-SiNxOy∶H)薄膜。分析表明，这种薄膜是一种具有特殊结构的a-SiOx∶H和a-SiNx∶H复合薄膜，即a-SiNx∶H以团簇的形式镶嵌于a-SiOx∶H基质中，从而构成a-SiNx∶H量子点结构，进而实现a-SiNx∶H的高效发光。光谱分析表明，a-SiNx∶H量子点具有明显的量子限域效应，并确定a-SiNx∶H材料的激子半径约为4.8nm，有效质量为0.05电子质量。此外，在非晶半导体荧光理论的基础上，探讨了a-SiNx∶H薄膜的光致荧光机制，理论分析与实验结果高度吻合。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 氮化硅的基本性质及研究现状

1．1．1 氮化硅的分类及性质

1．1．2 a-SiNx：H的研究现状及主要应用

1．2 a-SiNx：H薄膜的制备方法

1．2．1 直接氮化法

1．2．2 物理气相沉积法

1．2．3 化学气相沉积法(CVD)

1．3 PECVD制备a-SiNx：H薄膜存在的问题

1．4 论文研究思路及内容

2 低气压管式放电及探索性应用研究

2．1 引言

2．2 一种新型的低气压管式放电技术

2．2．1 低气压管式放电装置的基本组成

2．2．2 低气压管式放电的特性

2．3 低气压管式放电的探索性应用

2．3．1 PECVD内壁镀膜

2．3．2 等离子体刻蚀

2．3．3 等离子体渗氮

2．3．4 等离子体辅助脉冲激光沉积

2．4 本章小结

3 N等离子体发射光谱分析方法研究

3．1 引言

3．2 利用OES确定N2分子解离率的自洽计算方法

3．2．1 确定原子密度的光化线原理

3．2．2 自洽计算方法的OES模型

3．2．3 利用OES自洽确定电子温度

3．2．4 自洽计算方法确定N2解离率

3．2．4 自洽计算法的正确性检验

3．3 N等离子体OES拟合方法研究

3．3．1 N2分子第二正带结构及谱线位置

3．3．2 谱线强度确定

3．3．3 优化算法及光谱拟合

3．4 本章小结

4 低气压管式放电N等离子体研究

4．1 引言

4．2 低气压管式放电的放电模式

4．3 G和SP模式的放电特性

4．4 SP放电N等离子体的进一步分析

4．5 本章小结

5 管式放电PECVD生长a-SiNx：H薄膜

5．1 引言

5．2 双管式放电PECVD沉积a-SiNx：H薄膜

5．3 室温沉积a-SiNx：H薄膜的表征

5．4 本章小结

6 管式放电PECVD生长a-SiNx：H量子点薄膜

6．1 引言

6．2 a-SiNx：H量子点薄膜的制备与表征

6．3 a-SiNx：H量子点的量子限域效应

6．4 a-SiNx：H量子点薄膜的荧光机制

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介