CN111057999A - 通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多孔二氧化硅薄膜的制备技术领域，具体来说是一种通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法及其设备，将富硅氧化硅薄膜固定于一设置在密闭的金属腔体内的移动平台上，所述的金属腔体在垂直于移动平台的运动方向的一侧设有石英窗口，使用聚焦透镜将连续波激光的激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面，并同时持续向金属腔体内通入氮气气流，通过控制移动平台的移动速度以获得不同密度的纳米孔洞，通过控制激光功率以获得不同孔隙的纳米孔洞。本发明同现有技术相比，其优点在于：能够尽可能避免使用造成环境污染的化学试剂，又能保证薄膜的洁净度；能够对纳米多孔二氧化硅薄膜的孔隙大小的均匀性进行精确控制。

Description

通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法及其 设备

技术领域

本发明涉及多孔二氧化硅薄膜的制备技术领域，具体来说是一种通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法及其设备。

背景技术

纳米多孔二氧化硅薄膜具有密度低、折射率可调、介电常数低、热稳定性高等特性，可应用于光学薄膜、介质材料、传感器、过滤器等领域。对纳米多孔二氧化硅的制备技术已成为当前国内外材料界的研究重点。常用溶胶-凝胶法、蒸发、溅射等方法制备纳米多孔二氧化硅薄膜，以溶胶-凝胶法为例，该方法由于成本低、重复性好等特点，已广泛应用于工业化生产中。但是，该方法一方面采用化学试剂，生产中废液回收会造成潜在的环境污染问题；另一方面，该方法在干燥过程中也可能存在薄膜开裂问题；此外，该方法不能对纳米孔隙大小的均匀性和薄膜的洁净度提供有效保障，限制了其在集成电路领域的应用。本发明专利将采用一种全新的方法，通过连续波激光器，对富硅氧化硅薄膜进行辐照以制备纳米多孔二氧化硅薄膜，既能对纳米多孔二氧化硅薄膜的孔隙大小的均匀性进行精确控制，又能保证薄膜的高洁净度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法及其设备，对纳米多孔二氧化硅薄膜的孔隙大小的均匀性进行精确控制。

为了实现上述目的，设计一种通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，将富硅氧化硅薄膜固定于一设置在密闭的金属腔体内的移动平台上，所述的金属腔体在垂直于移动平台的运动方向的一侧设有石英窗口，使用聚焦透镜将连续波激光的激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面，并同时持续向金属腔体内通入氮气气流，通过控制移动平台的移动速度以获得不同密度的纳米孔洞，通过控制激光功率以获得不同厚度的纳米孔洞。

本发明还具有如下优选的技术方案：

所述的方法还包括富硅氧化硅薄膜的制备步骤：步骤a.清洗熔融玻璃；步骤b.以熔融玻璃为衬底，沉积富硅氧化硅薄膜。

所述的步骤a具体包括：将熔融玻璃浸入异丙醇溶液中进行超声清洗。

所述的步骤a还包括：超声清洗完成后取出熔融玻璃，并用氮气吹干。

所述的步骤a采用的熔融玻璃的直径为20mm，厚度为2mm。

所述的步骤b具体包括：通过离子溅射法制备富硅氧化硅薄膜，以单晶硅作为靶材，以氩气作为溅射气体，以氧气作为反应气体，通过调节氧气的流量以制备不同氧含量的富硅氧化硅薄膜，通过控制溅射时间以调节富硅氧化硅薄膜的厚度。

所述的步骤b采用直径为40mm，厚度为2mm的单晶硅作为靶材，制备得到氧含量为75%、厚度为545mm的富硅氧化硅薄膜。

采用波长为405nm的连续波二极管激光器获得所述的连续波激光，通过10倍的聚焦透镜将激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面。

所述的激光功率大于等于1.16∙105 W/cm2

本发明还涉及一种用于所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法的设备，所述的设备包括一密闭的金属腔体，所述的金属腔体内设有移动平台上，金属腔体在移动平台的运动方向两侧分别设有进气口和出气口用于供氮气气流通过，且所述的金属腔体在垂直于移动平台的运动方向的一侧设有石英窗口，石英窗口外侧设有聚焦透镜，用于将连续波激光的激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面，以及用于向金属腔体内通入氮气气流的气道。

本发明同现有技术相比，其优点在于：

1.本发明与现有的溶胶-凝胶法制备纳米多孔二氧化硅薄膜相比，有着明显的优势。溶胶-凝胶法，一方面采用化学试剂，会在后期的废液回收过程中造成潜在的环境污染；另一方面，化学试剂的残留也会造成薄膜的污染从而限制其在集成电路领域的应用。而激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜技术能够尽可能避免使用造成环境污染的化学试剂，又能保证薄膜的洁净度。

2.本发明相比于其他制备纳米多孔二氧化硅薄膜的技术相比，能够对纳米多孔二氧化硅薄膜的孔隙大小的均匀性进行精确控制。因为该方法基于连续波激光辐照诱导富硅氧化硅的相变机理而产生，薄膜的纳米孔洞是由于初期形成的硅纳米颗粒的蒸发和汽化所形成的。因此，初期所形成的硅纳米颗粒大小，将直接决定纳米二氧化硅孔隙的大小。通过控制硅纳米颗粒的均匀性而实现对纳米多孔二氧化硅薄膜孔隙大小的均匀性精确控制，对纳米多孔二氧化硅薄膜未来在集成电路领域的应用提供了可靠的技术支撑。

附图说明

图1是一实施方式中本发明通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法示意图。

图2是一实施方式中通过本发明方法制备得到的样品的结构观测图和薄膜成分示意图。

图3是一实施方式中本发明方法在不同激光功率密度得到的纳米孔洞的厚度示意图。

图中：1、连续波激光器 2、聚焦透镜 3、石英窗口 4、富硅氧化硅薄膜 5、富硅氧化硅薄膜的熔融玻璃衬底 6、移动平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种方法及装置的原理和结构对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施方式中，所述的方法将富硅氧化硅薄膜固定于一设置在密闭的金属腔体内的移动平台上，金属腔体在移动平台的运动方向两侧分别设有进气口和出气口用于供氮气气流通过，本实施方式中，移动平台在图1中的运动方向为上下方向，即在金属腔体的上下两侧分别设有进气口和出气口，所述的金属腔体在垂直于移动平台的运动方向的一侧设有石英窗口，即在本市示范市中金属腔体的左侧设有石英窗口，富硅氧化硅薄膜固定于移动平台的左侧，使用聚焦透镜将连续波激光的激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面，并同时沿移动平台的运动方向持续向金属腔体内通入氮气气流，通过控制移动平台的移动速度能获得不同密度的纳米孔洞，移动平台的移动速度大小会影响辐照区域是否会完全变成纳米孔洞，例如，如果移动速度太大（激光辐照时间短），尽管能产生纳米孔洞，但是数量不够多；如果移动速度很小（激光辐照时间短），整个激光辐照区域的薄膜都会变成纳米孔洞。通过控制激光功率以获得不同厚度的纳米孔洞。

实施例

首先，对熔融玻璃进行清洗：将直径为20 mm，厚度为2 mm的熔融玻璃浸入浓度为99.9%的异丙醇溶液中进行超声清洗5分钟，取出后采用氮气吹干。

然后，采用离子溅射法制备富硅氧化硅薄膜：采用直径为40 mm，厚度为2 mm的高纯度单晶硅作为靶材，以高纯氩气作为溅射气体，高纯氧气作为反应气体，溅射温度为室温，通过调节氧气的流量来制备不同氧含量的富硅氧化硅薄膜，通过控制溅射时间来调节薄膜厚度，最终获得氧含量为75%厚度为545 nm的富硅氧化硅薄膜。

富硅氧化硅薄膜制备完成后，通过激光辐照富硅氧化硅薄膜：如图1所示，将基于熔融玻璃衬底的富硅氧化硅薄膜样品放置一个能够精确控制样品位置的移动平台上，该移动平台置于一个带有石英窗口的金属腔体中，所述的金属腔体，石英窗口直径为50 mm，厚度为2 mm。腔体中持续通入稳定的氮气气流，所述的稳定氮气气流，采用高纯氮气，持续通入金属腔体中并形成稳定气流，气体流量范围为20 sccm至100 sccm之间，采用波长为405nm的连续波二极管激光器，通过一个10倍的聚焦透镜将激光光斑通过石英窗口聚焦到薄膜样品上，激光光斑直径为6 um左右，样品位置控制平台移动速度为50 um/s，激光功率密度为1.75*105 W/cm2，最终获得纳米多孔二氧化硅薄膜。

在一个优选的实施方式中，经过试验，我们认为激光功率密度具有一个优选的临界值，超过该临界值能够产生纳米孔洞，低于该临界值则很难产生纳米孔洞。通过多次试验，我们测得产生纳米孔洞的激光功率密度临界值为1.16∙105 W/cm2，超过该功率密度会有纳米孔洞产生，低于该功率密度则不会有纳米孔洞产生。激光功率过高会导致纳米孔洞的形成区域沿着薄膜深度纵向延伸，直到被激光作用的薄膜区域都变成纳米孔洞。为了进一步说明，我们给出了在不同功率密度下（1.22∙105 W/cm2 (a)、1.4∙105 W/cm2(b)、1.75∙105 W/cm2(c)）纳米孔洞的形成厚度，参见图3，随着激光功率密度的增加，纳米孔洞区域的厚度也增加，激光功率密度进一步增加之后会导致整个薄膜区域都变成纳米孔洞。

纳米多孔二氧化硅薄膜制备完成后，对纳米多孔二氧化硅薄膜的结构成分进行确认。采用聚焦离子束技术制备透射电镜截面样品，在制备透射电镜截面样品前，通过真空蒸发法制备一层5 nm厚的金纳米层，以防止在聚焦离子束技术工作环境中出现放电现象影响透射电镜样品的制备；通过扫描透射电镜技术对样品进行结构观测，如图2所示，富硅氧化硅薄膜经过激光辐照后形成了多孔结构（porous,白色部分），并进一步通过能量发散型X射线谱技术测量薄膜成分，由于衬底的成分为SiO2，薄膜的成分与衬底的成分一致，因此确定形成了纳米多孔二氧化硅。这里需要指出样品表面的Au、Pt和C成分是在聚焦离子束技术制备透射电镜样品时引入的，并不是激光辐照过程以及富硅氧化硅薄膜制备过程引入的。

Claims (10)

1.一种通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的方法包括：将富硅氧化硅薄膜固定于一设置在密闭的金属腔体内的移动平台上，所述的金属腔体在垂直于移动平台的运动方向的一侧设有石英窗口，使用聚焦透镜将连续波激光的激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面，并同时持续向金属腔体内通入氮气气流，通过控制移动平台的移动速度以获得不同密度的纳米孔洞，通过控制激光功率以获得不同厚度的纳米孔洞。

2.如权利要求1所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的方法还包括富硅氧化硅薄膜的制备步骤：

步骤a.清洗熔融玻璃；

步骤b.以熔融玻璃为衬底，沉积富硅氧化硅薄膜。

3.如权利要求2所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的步骤a具体包括：将熔融玻璃浸入异丙醇溶液中进行超声清洗。

4.如权利要求3所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的步骤a还包括：超声清洗完成后取出熔融玻璃，并用氮气吹干。

5.如权利要求2所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的步骤b具体包括：通过离子溅射法制备富硅氧化硅薄膜，以单晶硅作为靶材，以氩气作为溅射气体，以氧气作为反应气体，通过调节氧气的流量以制备不同氧含量的富硅氧化硅薄膜，通过控制溅射时间以调节富硅氧化硅薄膜的厚度。

6.如权利要求2所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的步骤a采用的熔融玻璃的直径为20mm，厚度为2mm。

7.如权利要求2所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的步骤b采用直径为40mm，厚度为2mm的单晶硅作为靶材，制备得到氧含量为75%、厚度为545mm的富硅氧化硅薄膜。

8.如权利要求1所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于采用波长为405nm的连续波二极管激光器获得所述的连续波激光，通过10倍的聚焦透镜将激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面。

9.如权利要求1所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法，其特征在于所述的激光功率大于等于1.16∙105 W/cm2。

10.一种用于如权利要求1所述的通过连续波激光辐照制备纳米多孔二氧化硅薄膜的方法的设备，其特征在于所述的设备包括一密闭的金属腔体，所述的金属腔体内设有移动平台上，金属腔体在移动平台的运动方向两侧分别设有进气口和出气口用于供氮气气流通过，且所述的金属腔体在垂直于移动平台的运动方向的一侧设有石英窗口，石英窗口外侧设有聚焦透镜，用于将连续波激光的激光光斑通过石英窗口聚焦至富硅氧化硅薄膜表面，以及用于向金属腔体内通入氮气气流的气道。

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