摘要：利用相移光栅模板使KrF准分子激光形成强度周期分布的激光束，定域晶化a-Si：H(4am)／a-SiNx：H(10nm)多层膜中的超薄a-Si：H层，成功地制备出了三维有序分布的nc-Si阵列。原子力显微镜(AFM)、微区喇曼光谱、剖面透射
电子显微镜(X-TEM)及高分辨电子显微镜HREM)技术分析揭示了晶化后薄膜中形成了横向周期与移相光栅周期相同、纵向周期与a-Si：H／a-SiN。：H多层膜周期(14am)相等的nc-Si阵列。
1引 言
50年代发展起来的固态电子学与微电子学的成就引发了全世界范围内的信息技术革命，已成为当代计算机技术、通信技术、自动控制技术的关键基础。随着微电子器件集成度的不断提高，其芯片上的功能组件尺寸不断减少。根据Morrer定律，到2020年，芯片功能组件的尺寸将进入70am以下即纳米电子学的范围。纳米电子器件不仅仅意味着微电子器件尺寸的进一步减小，更重要的是它们的工作将依赖于器件的量子特性，功能将获得突破性的提高。硅作为微电子器件的主要材料具有其他材料无可比拟的优越性，人们一直致力于开发基于硅材料的纳米电子学器件并使之实用化。作为制备硅纳米器件的关键一步，如何制备出高密度、尺寸均一、分布可控的硅纳米量子点成为近年来的研究热点。
从器件应用角度出发，制备纳米硅材料的关键在于：对纳米硅颗粒尺寸的控制和良好的表面钝化；实现对纳米硅颗粒空间分布的人为控制；制备手段必须与已成熟的硅平面工艺相兼容。经过这几年的研究，国际上已经提出了很多纳米硅制备的方法，如化学腐蚀多孔化、热退火处理[1]、激光诱导晶化[2]、金属诱导晶化、电场诱导晶化、高能离子轰击等。在这些方法中，激光诱导晶化方法具有以下独特的优点：作用时间短(<20ns)，与之相较的热退火方法需要时间长达几小时乃至几十小时；避免高温处理对衬底的损伤；全干法制备，避免化学腐蚀作用与后续Si平面工艺的不兼容；工艺简单，与当前微电子工艺兼容，可实现原位和定域处理。
在上述研究背景下，我们从用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)方法制备的非晶硅多层膜出发，利用激光诱导相变和限制性晶化原理实现从非晶硅到纳米硅的相变过程，探索了一条行之有效的制备可控三维定域有序纳米硅材料的道路。
2 实验方法
实验所用的a-Si：H／a-SiNx：H多层膜是在电容耦合型单反应腔等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)系统中制备的。制备时反应室内气压为20Pa，淀积过程中衬底温度保持在250℃。多层膜的淀积是由计算机控制质量
流量计的
电磁阀开关使反应气体交替地在硅烷(SiU4)和硅烷与氨气(SiIL／NH3)混合气体中作周期性转换，硅烷与氨气的流量比是1：5，淀积速率约为0．1nm／s，原始淀积的a-Si：H／a-SiNx：H子层厚度分别为4am和10am。值得一提的是，在我们的淀积系统中，反应气体在反应室滞留的时间远小于每层子层的生长时间，这就保证了各子层之间的界面有原子量级的陡变。具有30个周期的多层膜分别淀积在石英、Coming7059玻璃和Si02／Si衬底上。在淀积a-Si：H／a-SiNx：H多层膜前后，我们又在衬底上和多层膜的表面上分别各生长了50am厚的a-SiNx：H层，用以在激光辐照时保护多层膜样品。
在以前的研究工作中，我们利用脉冲激光诱导相变方法结合限制性晶化原理使超薄单层a-Si：H膜晶化，成功地制备出尺寸可控和具有良好表面钝化的纳米硅颗粒[3，4]。在此基础上，我们又进一步通过一维移相光栅调节激光能量的分布，使样品表面的激光能量呈周期性分布，即形成明暗相间的条纹结构，从而实现a-Si：H／a-SiNx：H多层膜中超薄a-Si：H层的定域晶化，也就是实现对纳米硅空间分布的控制。
本实验所用的一维石英光栅的周期为2．0μm，表面方形凹槽深度为260nm。激光辐照过程中，光栅放置在样品的表面。当KrF准分子激光束(λ=248nm，脉冲宽度为30ns)垂直入射到光栅表面时，由于多光束的干涉效应，导致出射光能量重新分布，在样品的表面形成强弱相间的周期性分布。通过初步的理论计算[5]，我们得到入射光能量主要分布于第土1级的衍射光，样品表面的能量分布与光栅和样品之间的距离无关，并具有与光栅常数相同的周期常数。
3 结果分析与讨论
(AFM，side-view)所示为辐照后多层膜样品的表面形貌，该样品的辐照条件为150mJ／cm2，单个脉冲。可看出，样品表面存在明显的周期性条状突起结构，突起条纹的宽度为200nm，具有2μm周期，与所用的移相光栅周期相符。我们认为突起条纹对应于多层膜的晶化区域，由于非晶硅晶化时存在一个晶化能量阈值，所以在样品表面只有能量超过晶化能量阈值的区域晶化过程才能完成。这就导致了突起条纹的宽度(200nm)远小于光栅的半周期(1μm)。突起条纹与周围较平整区域之间的界线是清晰的，这同样是由于a-Si：H子层晶化时具有确定的晶化阈值。辐照后样品表面分析结果表明，通过激光干涉晶化方法，我们可以控制a-Si：H子层中晶化过程只发生在某些指定区域，即实现a-Si：H的二维定域晶化。
我们知道，在Micro-Raman谱中，单晶硅由TO模所引起的尖锐的峰在520cm-1处，而非晶硅在480cm-1处有一弥散峰。随着晶化程度的加强，喇曼峰位由480cm-1向520cm-1移动。我们对样品进行了微区喇曼散射光谱分析。曲线a相应于AFM照片上突起条纹之间的较平整区域，此时只有一个位于480cm-1的弥散峰，表明多层膜中该区域内的a-Si：H层末发生相变；曲线b对应于条状突起结构区域的喇曼谱，可以看出在喇曼位移为513cm-1处，信号与曲线a不吻合，有一个微弱的峰出现，代表样品内的纳米
晶粒的信号。由于该样品突起条纹宽度远小于微区喇曼探测的区域(直径为1．01xm的圆形区域)，从而导致晶态信号只占总的探测信号很少一部分，大部分信号仍来源于非晶化区域(AFM照片两条突起条纹之间较平整区域)和晶化区域内残留下来的a-Si：H，所以该晶化峰非常微弱。利用声子限制模型[6]，由公式
Δd=2πb/Δω（nm）
可得薄膜材料中微晶粒的尺寸Δd，其中B=2．24nmZ／cm；Δa,为晶化峰位相对单晶峰(520cm-1)的喇曼位移。计算出该纳米硅的平均尺寸大约为3．6nm，接近于a-Si：H的子层厚度4．0nm。这正是我们采用限制性晶化原理的结果。
为了直接观察样品微结构并确定晶体结构，我们利用剖面电子显微镜(X-TEM)进一步研究了辐照后多层膜样品的微结构。辐照后样品的X-TEM照片，可以看到，样品表面存在着清晰的周期性的由表面突起构成的结构，每一个小突起的宽度约为250nm，突起的周期为21xm，与该样品的AFM测量结果一致，同样证实激光干涉结晶法导致的a-Si：H子层中的定域晶化过程。晶化区放大的X-TEM照片，从图中可看出晶化后a-Si：H和a-SiN,：H子层之间的陡峭界面依然保存完好，而且a-SiN~：H层正如我们所预测的无明显变化，这是因为入射光的大部分能量被a-Si：H子层吸收，转化为热能，发生相变形成纳米硅；而a-SiN,：H层由于对KrF激光的吸收系数比a-Si：H层低两个数量级，故仍保持非晶状态。同时在图中也清楚地观察到了原始a-Si：H层中nc-Si的形成。在该区域的HREM照片中，Si的晶格像清晰可见，确证了nc-Si的形成。值得指出的是，该HREM照片清楚地显示出nc-Si晶粒受到两侧a-SiNx：H层的强烈限制，直接表明nc-Si的尺寸受到原始的a-Si：H子层厚度的限制，只能分布在原始a-Si：H子层中，在纵向上形成周期与a-Si：H／a-SiNx：H多层膜周期相等地规则分布，即形成了三维有序nc-Si阵列。
4结 论
综上所述，我们利用KrF准分子激光结合相移光栅模板，干涉诱导a-Si：H／a-SiNx：H多层膜定域晶化方法成功制备出了三维有序纳米硅阵列。阵列中的纳米硅尺寸受到a-SiNx：H的限制，可通过改变原始淀积多层膜中a-Si：H子层厚度来控制，阵列的几何结构可以通过改变原始淀积多层膜的周期和移相光栅周期常数等参数来控制，这一机制为获得一种尺寸和图形都可控的新型有序纳米硅材料提供了有效的方法。
