强磁场射频调制螺旋波等离子体及IV族半导体纳米材料的制备

For helicon wave plasma (HWP)discharge processes, we carry out the research project related to the radio-frequency (RF) modulated helicon wave plasma in high intensity magnetic field and the preparation of IV semiconductor nanomaterials. By combining online testing plasma with preparation of IV semiconductor nanomaterials, we adopt the testing methods involving langmuir probe,emission spectrometry,mass spectrometry and ion energy analysis system. We will research the effects of the external parameters (such as the shape of antenna, magnetic field intensity, radio-frequency powder and frequency, etc.) on the plasma parameters (such as plasma density, electron temperature and density, etc.), ion energy and angle incident upon the substrate surface.In addition, we will emphasize our research attention on how the plasma parameters influence on the process of nanoparticle formation, transport、deposition on the substrate surface and growth, for the purpose of understanding the formation mechanism of IV semiconductor nanomaterials (silicon nanocrystal and graphene) by RF modulated helicon wave plasma with high intensity magnetic field. Aiming at various reactive gases, we will try lots of modeling to optimize the working parameters, and hope to give indications on how to control important precursors for the growth of nanostructured materials and how the plasma operating conditions can be tuned to benefit the growth proces. The scaling laws will be established between experimental results and plasma parameters.Thus, we can provide a theoretical basis of parameter optimization for improving fabrication processes of IV semiconductor nanomaterials by HWP.

本项目针对螺旋波等离子体放电过程，开展"强磁场射频调制螺旋波等离子体及IV族半导体纳米材料的制备"研究，本着等离子体在线诊断与IV族半导体纳米材料的制备相结合的原则，分别采用Langmuir探针、发射光谱、质谱和离子能量分析系统等实验诊断手段，研究外部参数，如天线形状、磁场强度、射频电源的频率及功率，对等离子体参数（如等离子体密度、电子温度、电子密度等）、以及入射到基片表面的离子能量和角度的影响。研究等离子体参数对等离子体中反应性纳米颗粒的形成、输运、在衬底表面沉积和生长过程的影响，揭示强磁场射频调制螺旋波等离子体制备IV族半导体纳米材料（硅纳米晶和石墨烯）的物理机理。针对各种反应性气体，通过计算机模拟，优化工作参数，达到有效调控等离子体中的物种成分及纳米材料生长过程之目的。建立实验结果和等离子体参数之间的定标关系，为螺旋波等离子体制备IV族半导体纳米材料的工艺提供理论指导和参数优化。

项目背景：螺旋波等离子体具有在较低气压条件下（~0.1Pa）产生高密度等离子体（~1013cm-3) 、等离子体能量低（20-40eV）等特性，该技术可以通过溅射和化学气相沉积等多种形式实现高质量的半导体材料的制备和加工，因此，开展螺旋波等离子体在制备半导体材料方面的研究有重要的意义。. 主要研究内容：针对螺旋波等离子体放电过程，开展“强磁场射频调制螺旋波等离子体及IV族半导体纳米材料的制备”的研究；研究了磁场强度、射频电源的功率等参数对等离子体参数（如电子温度、电子密度等）的影响；通过调控等离子参数达到优化IV族半导体纳米材料制备工艺。利用螺旋波等离子体装置，对硅材料表面进行了氮化处理研究，并制备了类金刚石薄膜、石墨烯和硅纳米晶，并对其生长机理进行了研究。. 自制的螺旋波实验装置，最大磁场强度可超过6000Gs，在Ar气螺旋波放电研究，随磁场强度和射频功率的变化，各等离子体参数的变化范围：等离子密度1×1012 cm -3 - 2×1014 cm -3，电子温度3-5 eV，离子能量10-50 eV。螺旋波N2/Ar混合气体放电对半导体Si材料表面氮化处理，可在Si表面形成厚度为15nm左右厚度的Si3N4/SiON结构，提高了Si表面的疏水性。螺旋波Ar等离子体溅射Si+SiO2混合物烧结成的靶材，可在SiO2/Si基底上制得4-6nm尺寸的硅纳米晶。螺旋波等离子体化学气相高速沉积（54um/h）类金刚石薄膜，高沉积速率与螺旋波放电的高等离子体密度有关；通过调整工艺参数，可制得纳米晶金刚石薄膜。本项目的研究，为螺旋波等离子技术在制备IV族半导体纳米材料方面的应用提供参考价值及指导意义。