[发明专利]一种纳米硅薄膜的制备方法

说明书

本发明属于压力传感器的元件材料的制备方法。

纳米硅薄膜(Nano-Size Crystalline SiliconFilms)是本世纪八十年代初期才开始发展起来的一种新型的人工功能材料。由于它具有非常特殊的结构，它是即不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料。因此具有一系列不同于同类物质晶态材料或非晶态材料的特殊性能。如在可见光或红外光谱范围内，光吸收系数大于非晶硅、微晶硅及单晶硅；在液氮温度下出现新的发光峰；纳米硅薄膜的室温电导率甚至比本征单晶硅高出数百倍，并且温度稳定性好，具有较大的压敏系数，其K值可超过100，可作优良的压力传感器材料。由于这种材料的独特的性能，世界许多国家的科技工作者都在努力寻求和研究制备这种材料的方法，到目前为止，国内外制作纳米材料的方法是先在超高真空系统中将元素(例如金)蒸发后，在冷衬底上凝结成超细微粒(约几个nm～几十个nm)，然后再将微粒原位刮下来，外加压力，压成块状材料，此种方法，其设备昂贵(价值数十万元)，而且只能压成块状材料，很难压成μm量级的薄膜。对于半导体材料锗和硅，国内外也只能制成超细微粒，尚未压结成材。

本发明的目的是利用简便的等离子化学沉积法(PCVD)制备纳米硅材料，并直接形成纳米硅薄膜。

图1是本发明的等离子化学沉积法系统示意图。它是由反应室、抽真空系统抽气口、阴极板、R.F交流电源、反应气体入口、衬底(兼作阴极)、电炉D.C直流电源、隔直流电容器、隔射频源电感器、离子探针等组成。利用这种系统制备纳米硅薄膜的步骤如下：

第一步：使用抽直空系统将反应室内的空气抽空，使反应室内的真空度至少要达到2×10^-3乇，即达到预真空状态。

第二步：将安装在衬底电极上的电炉打开，通电加热，使衬底温度T_s达到280～350℃的范围，并继续抽气，使反应室的真空度继续达到预真空状态。

第三步：将纯度为99.999％的高纯度氢气通入反应室内，使反应室内真空度保持在1～2乇范围内，稳定后，打开R.F功率源(交流)，当反应室内出现高频辉光放电呈淡兰色时，氢气在高频等离子体中被分解成[H]原子基，[H]基在高频电场中吸收了能量，而成为具有一定动能的[H]基。

这种带有一定动能的[H]基对用于沉积纳米硅薄膜的衬底(如玻璃、石英、单晶硅等)以及反应室壁具有轰击清洁作用，处理时间大约20～30分钟。同时这种具有一定动能的[H]基，取决于施加R.F交流电源功率的大小，一般以两极板间不打火为准。

第四步：关掉R.F交流电源及氢气源，使反应室内真空度回复到原来预真空度，稳定后，通入按一定稀释比(C＝SiH₄/SiH₄＋H₂＝0.5～2.0％)混合的硅烷气，使反应室内真空度达到1.0～1.5乇左右。

第五步：上述过程稳定后，重新打开R.F交流电源并调节到适当的功率(视所要沉积的硅膜的微晶粒的大小而定)，待R.F辉光稳定后(颜色为淡红色)，打开D.C电源，选用直流负偏压为200～300V左右。

第六步：沉积开始并形成纳米硅膜。其沉积速率约2nm/分。

第七步：纳米硅薄膜沉积完后，先关掉R.F交流电源及D.C直流电源，再关掉气源，待反应室真空度回复到预真空度状态时，关掉衬底电极上的加热电炉的电源；T8值下降到100℃以下后，方能关闭抽真空系统。

本发明是一种制备纳米硅薄膜的方法。它具有简便、实用、成本价廉，并直接制出特性优越的实用的纳米硅薄膜。

附图说明：

图1：等离子化学沉积法系统示意图图中：1—R.F交流电源

  2—D.C直流电源

  3—反应室

  4—衬底(兼作阴极板)

  5—电炉

  6—反应气体入口

  7—抽真空系统抽气口

  8—阳极板

  9—隔直流电容器

  10—隔射频源电感器

  11—离子探针

应用上述设备和方法，选用工艺参数为：T₃＝350℃，硅烷气体稀释比C＝0.95％，R.F功率为50W，直流负偏压为-220V，沉积薄膜时的气体总压为1.3乇。在上述条件下制备的纳米硅薄膜的结构参数为：平均晶粒尺寸d＝3nm，晶体体积比X_c＝49％；其性能为：室温电导率σ_rc＝6.3×10^-2Ω^-1cm^-1，在室温下测得电阻应变系数K＝77.87，经一定温度退火后K值升高为125.4。可见纳米硅薄膜是一种很有价值的材料。