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中国科技论文在线
脉冲激光烧蚀制备纳米Si晶粒的动力学研究∗
李红伟,苏威,滕爱萍
中国矿业大学(北京)理学院,北京(100083)
E-mail:******@cumtb.


摘要:本文采用准分子激光器在 10Pa 氩气环境中烧蚀单晶硅靶,用扫描电子显微镜观察了
沉积物的表面形貌,可以得到衬底上晶粒面密度及平均尺寸随靶距离变化的规律。然后利用
气体分子运动论,建立了激光等离子体膨胀模型,从碰撞的角度探索气相成核和晶粒生长机
理,成功解释了实验结果,揭示出了等离子体密度对晶核形成的重要作用。
关键词:脉冲激光烧蚀晶粒生长碰撞
中图分类号:O782;


1. 引言
二十世纪中叶随着微电子时代的到来,微电子器件加速了人类社会的信息化,人类社会
的生产生活方式发生了翻天覆地的变化。然而随着信息技术的继续发展,对信息的传输速度,
存储能力,处理功能提出了更高要求。但Si集成电路受到器件尺寸和电子运动速度的限制,
已不能进一步满足要求[1]。而Si基纳米材料在半导体光电集成领域有着广阔的前景,Si材料
不仅是微电子材料的核心,也将成为纳米材料研究的重点[2]。如果能在Si芯片中引入光电子
技术:用光波代替电子作为信息载体,则可大大的提高信息传输速度和处理能力且存储量将
也要上升九个量级。不过要实现Si纳米晶粒在光电集成上的实际应用,必须解决晶粒尺寸的
可控性和均匀性问题。因此如何得到晶粒尺寸一致、密度分布均匀的高质量薄膜是实用化的
关键。
在多种制备纳米Si晶粒的方法中[3],脉冲激光烧蚀技术(PLA)因其具有加热速度快、表
面玷污小和生长速率快等优点很适合于Si基纳米材料的制备,被认为是目前材料界和分析界
最有前景的技术之一[4] [5]。尽管人们已经做了大量的理论和实验研究,并取得了一定的进展,
但利用PLA制备纳米Si薄膜是一个十分复杂的过程,目前人们对激光与材料相互作用、等离
子体的演化过程、气相动力学的机理以及沉积的最佳条件尚未完全清楚。因此研究PLA的成
核机理及其成核后的运动规律率非常重要,这就需要进一步理解和认识PLA的动力学过程。
从中可得到合适工艺参数,进而获得晶粒尺寸分布均匀的薄膜。
我们研究了激光烧蚀工艺下纳米 Si 晶粒形成和运动的物理过程。通过实验与理论分析
来理解烧蚀物的凝聚过程以及纳米晶粒输运过程,并建立模型解释实验结果。我们的探索既
有助于实现高质量纳米 Si 薄膜的制备,又为激光烧蚀沉积纳米 Si 薄膜的动力学模型的建立
提供了依据。


∗高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20070290008)资助项目。
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2. 实验
本次试验的装置图如图a,在室温下 10 Pa氩气环境中[6],用Compex205 型XeCl准分子激
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光器(波长 308nm,脉宽 15 ns,频率 1-50 Hz,能量密度 4J/cm )发射脉冲激光来烧蚀单晶
Si靶,两个衬底垂直于靶分别水平放置于靶的上下两侧。经过长时间沉积,我们利用扫描电
子显微镜(SEM)观察了沉积物的表面形貌,并统计了衬底上