激光退火SiO制造技术

本发明专利技术公开一种激光退火SiO

【技术实现步骤摘要】
激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法及其制得的产物


[0001]本专利技术涉及纳米硅的制备方法，具体涉及一种激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法及其制得的产物。

技术介绍

[0002]由于纳米多孔硅具有室温光致发光这一优异的发光性能，吸引了大量的研发人员对其进行深入的研究。在研究的过程中，人们发现，镶嵌在二氧化硅中的纳米硅材料体系具有更高的稳定性，而制备该材料体系较常规的方法，是对SiO
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薄膜进行退火，以使亚稳态的SiO
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经过足够时间的退火后，分解为两个热力学稳定的相：Si和SiO2。
[0003]目前，对SiO
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薄膜进行退火的方式主要有热退火和激光退火两种方式。
[0004]热退火需要较高的退火温度(例如，一般需要在1000℃以上进行退火)和较长的退火时间，才能在SiO
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薄膜中形成纳米硅晶，不仅较高的退火温度和较长的退火时间易造成SiO
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薄膜和衬底的损伤；而且，不同的SiO
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薄膜制备方式也会对退火温度造成影响，例如，通过离子注入和分子束外延方法制得的SiO
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薄膜仅在1100℃
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1200℃的温度范围内退火，才能够得到发光强度较好的镶嵌在二氧化硅中的纳米硅；此外，SiO
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薄膜中的Si含量和退火温度也会影响SiO
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薄膜退火时在SiO
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薄膜中形成的纳米硅晶的尺寸，例如，当SiO
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薄膜中硅的含量固定不变时，纳米硅晶的尺寸随着退火温度的升高而增大；当退火温度不变时，纳米硅晶的尺寸随SiO
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薄膜中的硅的含量的升高而增大。可见，采用热退火的方式获得镶嵌在二氧化硅中的纳米硅需要考虑的影响因素较多，较难获得纳米硅晶尺寸精确、发光强度较好且损伤程度较低的镶嵌在二氧化硅中的纳米硅。
[0005]而激光退火与热退火相比，首先，其具有较大的能量密度，能够极大地缩短退火时间，能够大大减少退火过程对SiO
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薄膜和衬底造成的损伤；其次，激光退火具有空间上的可控性高，能够在SiO
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薄膜的局部区域进行退火处理，以仅在该局部区域制得纳米硅晶，而且能够更精确地控制纳米硅晶的尺寸；再次，由于激光退火能够产生更高的温度，使得SiO
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薄膜在分解成纳米硅晶之前呈现的硅团簇在聚集后瞬间呈现液态，从而具有更高的扩散速度，使得在后续凝固过程中，硅的膨胀受到了SiO
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的限制，通过SiO
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给分解形成的纳米硅晶施加较大的压应力，以提高形成的纳米硅晶的密度和结晶度。即采用激光退火在SiO
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薄膜中制备纳米硅晶时，主要通过调整激光的能量密度和退火时间即可实现纳米硅晶的尺寸的调整，不仅制得的纳米硅晶的尺寸精度较高、品质较好，而且，制得的镶嵌有纳米硅晶的二氧化硅的损伤较小，还能够根据需要精确地在SiO
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薄膜的局部区域上制备纳米硅晶。可见，激光退火是比热退火更优的、在SiO
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薄膜上制备硅纳米晶的退火方式。
[0006]但是，采用激光退火对SiO
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薄膜进行退火处理的过程中，承载SiO
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薄膜的衬底可能会通过分子振动和热运动的方式吸收一定的能量，而且部分SiO
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薄膜吸收的能量也会通过热传导的方式传递至衬底，导致SiO
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薄膜的温度不高，不足以生成纳米硅晶。因此，需要高能量密度的激光来提高SiO
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薄膜的退火温度。但是，高能量密度激光对SiO
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薄膜进行退火时会对SiO
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薄膜造成一些不可逆的损伤，这些损伤包括：由于激光与SiO
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薄膜之间的热效应
(即SiO
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薄膜吸收激光能量后产生不均匀的温度场，使SiO
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的结构和性能发生变化)而导致SiO
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薄膜遭受热应力损伤和熔融破坏；和由于激光与SiO
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薄膜之间的场效应，导致SiO
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薄膜因激光的电磁效应而出现结构受损。

技术实现思路

[0007]为了解决激光退火在SiO
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薄膜中制备纳米硅晶时，易因衬底吸收能量而导致SiO
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薄膜的温度降低至不足以生成纳米硅晶的问题，以及解决通过高能量密度的激光对SiO
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薄膜进行退火处理易导致SiO
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薄膜因热效应和场效应的原因而产生的损伤的问题。专利技术人SiO
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薄膜领域的激光退火进行了深入的研究，研究发现：虽然连续激光的能量密度远远低于脉冲激光，但是，由于采用连续激光对SiO
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薄膜进行退火处理产生的损伤主要为热效应带来的损伤，其对SiO
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薄膜造成的损伤程度远小于脉冲激光对SiO
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薄膜进行退火处理时产生的热效应和与场效应的混合效应带来的损伤。而且，专利技术人基于连续激光对SiO
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薄膜进行退火处理时造成的损伤主要是由热效应产生的这一发现，进行了进一步的研究，发现当激光到达材料表面的功率密度超过108W/cm2时，会在材料的表面产生等离子体，从而导致材料结构的破坏。为此，根据本专利技术的一个方面，提供了一种激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法。
[0008]该激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法包括以下步骤：
[0009]S20：选用低功率密度的连续波激光对SiO
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薄膜单元进行激光退火处理。
[0010]由于退火时采用的激光为连续波激光，其能量密度远远低于脉冲激光，可以避免高能量密度的激光在进行退火处理时因场效应而给SiO
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薄膜带来的损伤；而且，由于本专利技术在退火处理时，采用的激光除了为连续波激光之外，还选用激光中的低功率密度的激光，可以降低在激光退火过程中因激光的热效应给SiO
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薄膜带来的损伤。由此，通过本专利技术的方法可以制得损伤较小的镶嵌有纳米硅晶的二氧化硅。
[0011]在一些实施方式中，在步骤S20中，低功率密度的连续波激光为功率密度低于108W/cm2的连续波激光。以避免材料的表面因激光退火处理时使用的激光的功率密度较高而产生等离子体，从而导致材料结构被破坏的问题。
[0012]在一些实施方式中，选用低功率密度包括以下步骤：
[0013]S21：选定用于对SiO
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薄膜单元进行激光加工的特定波长的激光；
[0014]S22：在选定的特定波长的激光的不同激光功率密度下对SiO
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薄膜单元进行激光加工，以完成对SiO
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薄膜单元的试激光退火处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：S20：选用低功率密度的连续波激光对SiO
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薄膜单元进行激光退火处理。2.根据权利要求1所述的激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法，其特征在于，在步骤S20中，所述低功率密度的连续波激光为功率密度低于108W/cm2的连续波激光。3.根据权利要求2所述的激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法，其特征在于，所述选用低功率密度包括以下步骤：S21：选定用于对SiO
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薄膜单元进行激光加工的特定波长的激光；S22：在选定的特定波长的激光的不同激光功率密度下对SiO
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薄膜单元进行激光加工，以完成对SiO
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薄膜单元的试激光退火处理；S23：确定在该特定波长的激光下，SiO
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薄膜单元能够产生纳米硅晶的结晶激光功率密度范围；S24：计算SiO
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薄膜单元在特定波长的激光，且不同激光功率密度的条件下进行激光退火后制得纳米硅晶的结晶度；S25：通过计算的不同激光功率密度的结晶度确定在结晶激光功率密度范围内自低功率密度至高功率密度方向上第一个结晶度随功率密度的增加而增加的初次结晶度递增功率密度区间，该初次结晶度递增功率密度区间即为选用的低功率密度区间。4.根据权利要求3所述的激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法，其特征在于，在步骤S21中，根据所述SiO
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薄膜单元的荧光发射光谱的激发波长选定所述特定激光波长。5.根据权利要求3所述的激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法，其特征在于，在步骤S22中，试激光退火处理在空气中进行，且退火时间范围为0.01s～1s。6.根据权利要求3所述的激光退火SiO
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薄膜制备纳米硅的方法，其特征在于，所述确定在该特定波长的激光下，SiO
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薄膜单元能够产生纳米硅晶的激光功率密度范围实现为包括以下步骤：S231：测试不同激光功率密度退火处理后得到的SiO
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薄膜单元退火样品的样品拉曼光谱；S232：通过Or...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄钦，梁芮，沈若尧，梁锡辉，赵维，陈志涛，
申请(专利权)人：广东省科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：