高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法及其專用設備的製作方法

2023-06-06 14:59:01

專利名稱：高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法及其專用設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於納米晶矽薄膜的製備方法，具體為一種高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法及其專用設備，主要應用於量子功能器件、發光器件和壓力傳感器件。
背景技術：
納米晶矽薄膜(nc-Si:H film)具有明顯的量子效應和庫侖阻塞效應，能帶構造轉變為直接躍遷型，即使在室溫條件下也可以觀測到宏觀晶體矽單晶或者多晶樣品中測試不到的一些獨特和優異的物理特性，如室溫電導率高、電導激活能低、光熱穩定性好、壓阻尼係數大和具有明顯量子點，並且通過摻雜其電導率可以提高兩個數量級，其壓力靈敏係數也有所提高，這些特性直接反映了納米晶矽的工作特性，為納米晶矽薄膜器件開發指明了方向和提供了必要的原材料。
納米晶矽薄膜是由大量的矽細微晶粒和晶界組成的一種低微材料，晶粒尺度為2～5納米，薄膜中晶體體積約為50％，它是不同於晶態也不同於非晶態的第三類固體材料，因此具有一系列不同於同類物質晶體材料或者非晶態材料的特殊性能。如在可見光和紅外光譜範圍內，光吸收係數大於非晶矽、微晶矽和單晶矽，在液氮溫度範圍內出現新的發光峰。
近年來，人們探索使用等離子體化學氣相沉積法、真空蒸發法、磁控濺射法等製備非單晶矽基薄膜材料，在通過後期處理技術，如高溫退火、高溫氧化和雷射退火等技術使非單晶矽基薄膜材料轉變成為納米晶矽薄膜材料，但以上方法製備工藝複雜，難以製成大面積、結構穩定、厚度均勻的納米晶矽薄膜。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法及其專用設備，採用高壓熱充氫設備直接製備納米晶矽薄膜，製備工藝簡單，厚度和面積容易控制，納米晶粒尺度均勻，形成納米晶矽步驟簡化。
本發明的技術方案是一種高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法，首先對單晶矽在高壓氫氣的環境中進行長時間氫擴散處理，高壓反應釜內氫氣壓力為10～12MPa，高壓滲氫過程中高壓反應釜的加熱溫度為573～723K，滲氫處理時間為120小時～288小時；然後，使高壓反應釜重新達到真空狀態，真空度為1×10-3～2×10-3乇，通過抽真空對單晶矽進行高速脫氫處理，脫氫時間為48～96小時。
充氫前預抽真空度達到1×10-3～2×10-3乇，預加熱溫度在473～573K之間，加熱過程真空度在1×10-3～2×10-3乇。
高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的專用設備，由反應室、氫氣加壓傳輸系統、加熱控溫系統和真空系統四部分組成，其中反應室包括樣品臺、高壓反應釜、固定螺栓和密封壓板，密封壓板通過固定螺栓與高壓反應釜的上開口處法蘭連接，高壓反應釜內底部設樣品臺；氫氣傳輸系統包括高壓氫氣瓶、壓力表、氫氣控制閥和氫氣輸送管，高壓氫氣瓶通過氫氣輸送管與高壓反應釜連通，氫氣輸送管上設有壓力表、氫氣控制閥；加熱控溫系統包括加熱電阻絲、溫控表，加熱電阻絲設於高壓反應釜外側，供電迴路上串聯有溫控表，溫控表與高壓反應釜內的測溫裝置相連；真空系統包括真空抽氣管道、真空閥門和真空泵，真空泵通過真空抽氣管道與高壓反應釜連通，真空抽氣管道上設有真空閥門。
本發明的有益效果是1、本發明可以直接單晶片上大面積生成納米晶矽薄膜，並且在整個表面上厚度均勻。
2、本發明可以在高壓反應釜內部一次性直接生成納米晶矽薄膜，中間不需要轉移和改變單晶矽片的狀態。
3、本發明製備的納米晶矽薄膜中納米晶粒的尺度均勻，平均晶粒尺度大約在5nm。
4、本發明生成納米晶矽晶體體積比＞50％。


圖1為本發明納米晶矽薄膜製備專用設備結構示意圖。
圖中標記說明1-1-樣品臺，1-2-高壓反應釜，1-3-固定螺栓，1-4-密封壓板；2-1-高壓氫氣瓶，2-2-壓力表，2-3-氫氣控制閥，2-4-氫氣輸送管；3-1-加熱電阻絲，3-2-溫控表，3-3-交流電源，3-4-地線；4-1-真空抽氣管道，4-2-真空閥門，4-3-真空泵。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明中高壓熱充氫設備是由反應室、氫氣加壓傳輸系統、加熱控溫系統和真空系統四部分組成。其中反應室包括樣品臺1-1、高壓反應釜1-2、固定螺栓1-3和密封壓板1-4，氫氣傳輸系統包括高壓氫氣瓶2-1、壓力表2-2、氫氣控制閥2-3和氫氣輸送管2-4，加熱控溫系統包括加熱電阻絲3-1、溫控表3-2、交流電源3-3和地線3-4，真空系統包括真空抽氣管道4-1、真空閥門4-2和真空泵4-3。密封壓板1-4通過固定螺栓1-3與高壓反應釜1-2的上開口處法蘭連接，使高壓反應釜1-2密封，高壓反應釜1-2內底部設樣品臺1-1，高壓氫氣瓶2-1通過氫氣輸送管2-4與高壓反應釜1-2連通，氫氣輸送管2-4上設有壓力表2-2、氫氣控制閥2-3；加熱電阻絲3-1設於高壓反應釜1-2外側，加熱電阻絲3-1由交流電源3-3供電，供電迴路上串聯有溫控表3-2，溫控表3-2與高壓反應釜1-2內的測溫裝置(如熱電偶等)相連，通過溫控表3-2控制高壓反應釜1-2內的溫度；真空泵4-3通過真空抽氣管道4-1與高壓反應釜1-2連通，真空抽氣管道4-1上設有真空閥門4-2。
本發明提供了一種納米晶矽薄膜的製備方法，通過對單晶矽在高壓氫氣的環境中進行長時間氫擴散處理，使單晶矽中氫濃度接近飽和狀態，同時保持反應環境溫度，隨後使高壓反應釜重新達到真空狀態，原有內部形成的矽—氫鍵發生斷裂，部分氫匯聚，形成微尺度缺陷，使已經擴散到矽單晶內部的氫高速逸出，破壞原有晶格的完整性，矽單晶片的表面形成納米晶矽薄膜。
本發明高壓熱充氫納米晶矽薄膜的製備方法中，預抽真空度至少達到1×10-3～2×10-3乇，預加熱溫度在473～573K之間，加熱過程真空度在1×10-3～2×10-3乇。
本發明利用高壓熱充氫設備製備納米晶矽薄膜的步驟如下1.使用丙酮清洗矽單晶片，保持反應生成納米晶矽薄膜面潔淨，將處理後的矽單晶片放置到高壓反應釜1-2內部樣品臺1-1上。
2.啟動真空系統4-3對高壓反應釜內1-2進行抽真空處理，保證高壓反應釜內的真空度達到1×10-3～2×10-3乇，使高壓反應釜內部達到設定預真空狀態。
3.將安裝在高壓反應釜周圍的電爐絲通電加熱，使高壓反應釜內部的溫度達到473～573K，此時保證真空系統繼續處於抽真空狀態。
4.關閉真空系統的真空閥門4-2。打開氫氣瓶2-1的閥門，使高純氫氣進入高壓反應釜，通過壓力表2-2監控高壓反應釜內部的氫氣壓力，最後保持高壓反應釜內氫氣壓力為10～12MPa，此時同時要保持加熱溫度在573～723K，處理時間大約為120小時～288小時。
在步驟3的過程中，由於壓力的存在和溫度的提高，氫氣向單晶矽片內部的擴散速率大幅上升，同時在單晶矽中包有的氫最高濃度提高，在單晶矽的內部形成矽—氫、空位—氫和缺陷—氫的多種絡合結構，此時單晶矽的結構不完整性提高。
5.關閉氫氣瓶2-1的氫氣控制閥2-3，停止氫氣對高壓反應釜1-2的供應，停止電爐絲3-1的溫度加熱，同時打開真空系統的真空閥門4-2，啟動真空泵4-3。使高壓反應釜內部重新達到預抽真空狀態，真空度保持在真空度1×10-3～2×10-3乇。此處理過程大約48～96小時。
在此過程中，在步驟3擴散進入單晶矽內部的氫部分從矽—氫、空位—氫和缺陷—氫的多種絡合結構中脫離出來，導致單晶矽表明出現結構損傷，在損傷層中形成納米晶和部分非晶。擴散逸出過程生成納米晶矽薄膜的數率大約為10nm/小時。
6.關閉真空閥門4-2，停止抽真空。通過氫氣控制閥2-3使空氣進入高壓反應釜1-2。取下固定螺栓1-3和密封壓板1-4。
實施例1充氫前預抽真空度達到2×10-3乇，預加熱溫度在573K；充氫時高壓反應釜內氫氣壓力為10MPa，加熱充氫過程中加熱溫度為573K，滲氫時間為288小時，脫氫時間為96小時，所製備的納米晶矽薄膜中納米晶粒平均晶粒尺度4.35nm。生成納米晶矽晶體體積比為57％。
實施例2充氫前預抽真空度達到1×10-3乇，預加熱溫度在573K；充氫時高壓反應釜內氫氣壓力為12MPa，加熱充氫過程中加熱溫度為673K，滲氫時間為168小時，脫氫時間為96小時，所製備的納米晶矽薄膜中納米晶粒平均晶粒尺度5.1nm。生成納米晶矽晶體體積比為52％。
實施例3充氫前預抽真空度達到2×10-3乇，預加熱溫度在573K；充氫時高壓反應釜內氫氣壓力為12MPa，加熱滲氫過程中加熱溫度為723K，滲氫時間為120小時，脫氫時間為48小時，所製備的納米晶矽薄膜中納米晶粒平均晶粒尺度5.6nm。生成納米晶矽晶體體積比為50％。
權利要求
1.一種高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法，其特徵在於首先對單晶矽在高壓氫氣的環境中進行長時間氫擴散處理，高壓反應釜內氫氣壓力為10～12MPa，高壓滲氫過程中高壓反應釜的加熱溫度為573～723K，滲氫處理時間為120小時～288小時；然後，使高壓反應釜重新達到真空狀態，真空度為1×10-3～2×10-3乇，通過抽真空對單晶矽進行高速脫氫處理，脫氫時間為48～96小時。
2.按照權利要求1所述的高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法，其特徵在於充氫前預抽真空度達到1×10-3～2×10-3乇，預加熱溫度在473～573K之間，加熱過程真空度在1×10-3～2×10-3乇。
3.按照權利要求1所述的高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的專用設備，其特徵在於由反應室、氫氣加壓傳輸系統、加熱控溫系統和真空系統四部分組成，其中反應室包括樣品臺(1-1)、高壓反應釜(1-2)、固定螺栓(1-3)和密封壓板(1-4)，密封壓板(1-4)通過固定螺栓(1-3)與高壓反應釜(1-2)的上開口處法蘭連接，高壓反應釜(1-2)內底部設樣品臺(1-1)；氫氣傳輸系統包括高壓氫氣瓶(2-1)、壓力表(2-2)、氫氣控制閥(2-3)和氫氣輸送管(2-4)，高壓氫氣瓶(2-1)通過氫氣輸送管(2-4)與高壓反應釜(1-2)連通，氫氣輸送管(2-4)上設有壓力表(2-2)、氫氣控制閥(2-3)；加熱控溫系統包括加熱電阻絲(3-1)、溫控表(3-2)，加熱電阻絲(3-1)設於高壓反應釜(1-2)外側，供電迴路上串聯有溫控表(3-2)，溫控表(3-2)與高壓反應釜(1-2)內的測溫裝置相連；真空系統包括真空抽氣管道(4-1)、真空閥門(4-2)和真空泵(4-3)，真空泵(4-3)通過真空抽氣管道(4-1)與高壓反應釜(1-2)連通，真空抽氣管道(4-1)上設有真空閥門(4-2)。
全文摘要
本發明屬於納米晶矽薄膜的製備方法，具體為一種高壓熱充氫製備納米晶矽薄膜的方法及其專用設備，主要應用於量子功能器件、發光器件和壓力傳感器件。該方法對單晶矽在高壓氫氣的環境中進行長時間氫擴散處理；氫氣的壓力為10～12MPa，高壓反應釜的加熱溫度為573～723K，滲氫處理時間為120小時～288小時，脫氫時間為48～96小時。設備由反應室、氫氣加壓傳輸系統、加熱控溫系統和真空系統組成。本發明可以直接在單晶片上大面積生成納米晶矽薄膜，並且在整個表面上厚度均勻；在高壓反應釜內部一次性直接生成納米晶矽薄膜，中間不需要轉移和改變單晶矽片的狀態；製備的納米晶矽薄膜中納米晶粒的尺度均勻，平均晶粒尺度大約在5nm，生成納米晶矽晶體體積比＞50％。
文檔編號C30B29/06GK1920119SQ20051004708
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月24日 優先權日2005年8月24日
發明者譚軍, 萬曄, 溫井龍, 張磊, 姚戈 申請人:中國科學院金屬研究所