3.1 實驗目的
為了探討並了解薄膜中奈米矽量子點結構之光學性質與其發光 機制，我們根據楊冠霆學長[32]先前之研究，並由 Ref. [3-29]多位學 者的成果，企圖製作出鑲嵌於氮化矽薄膜中高密度小尺寸的奈米矽量 子點之結構，再藉由其特定的汞燈光致激發(photoluminescence，PL) 發光波長系統、傅式轉換紅外線光譜儀(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)及場發射穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)量測觀察並探討奈米矽量子點成長的狀況，本實驗 以高密度電漿化學氣相沉積系統(high density plasma-chemical vapor deposition，HDP-CVD)為主要沉積 SiO2及 SiNx薄膜機台，並參考先 前研究的參數值結果[32]，在不同基板溫度的環境下通入過量的 SiH4、N2O 及 NH3等氣體混合造成出 SiO2與 SiNx等薄膜，並得到因 過量的矽原子(Si atom)無法與足量的氮原子(N atom)反應而產生鑲嵌 在SiNx薄膜中的奈米矽量子結構。再使用後段真空退火爐管(backend vacuum annealing furnace)修補在不同溫度所形成的 SiNx薄膜中的晶 格，及 SiO2 薄膜的表面不完整的矽氧晶格等缺陷，希望能降低非放
度。基於探討不同溫度沉積氮化矽薄膜的問題、表面能態與退火等作 用的影響，本實驗也將逐一對氧化矽與氮化矽薄膜進行量測，並在最 後結合製作出兩層薄膜結構的量測與研究。
3.2 反應氣體(active gases)
一般在製作氮化矽薄膜時較常所使用的反應混合氣體有兩種方 式，其一為SiH4與 N2(或有加入 H2)混合的製作，另外一個為 SiH4和 NH3混合的製作，根據 Ref. [3-11]等多位學者的文獻資料結果，我們 發現使用SiH4、N2與 H2電漿輔助式化學氣相沉積法所製造的氮化矽 薄膜中存在著非輻射性缺陷(也就是非發光性的的缺陷)；而在 2005 年B. H. Kim [5]等人使用 NH3取代 N2，及利用電漿解離NH3後所產 生的氫原子(H atom)與矽之空懸鍵鍵結來降低非輻射性缺陷的數目，
繼而增加其發光效率，並比較以此兩種氣體所產生之氮化矽薄膜，PL 的量測結果中發現若以 SiH4和 NH3製作之氮化矽薄膜有一較好的發 光效率，甚至較再將SiH4和 N2成長之氮化矽薄膜在氫氣氛圍下退火 的試片還來得好(其發光強度有明顯提升，如 Fig. 2-6 所示)，分析解 釋其原因為退火過程中氫會經由熱擴散進入試片中，並且進而保護位 於奈米矽量子點與氮化矽界面之與矽或氮有關之空懸鍵 [5]，基於上 述原因，本實驗以SiH4和 NH3為本實驗主要製作氮化矽薄膜氣體。
而根據先前針對SiH4與NH3不同流量比[32]，所製作的鑲嵌於氮化矽 薄膜的矽量子點結果，發現當通入的SiH4與NH3皆為12 sccm 時(也 就是 SiH4：NH3的流量比為 1：1)，其可得到一最密集的奈米矽量子 點群鑲嵌在其氮化矽薄膜試片中，如 Fig. 3-1 所示。在參考[7-11]等 實驗結果後，同時也發現在低溫下的製程似乎可製作出更小尺寸的奈 米矽量子於氮化矽薄膜中；故本實驗除了使用 SiH4與 NH3等為主要 製作氮化矽薄膜的製程氣體外，也對不同溫度製作出的氮化矽薄膜試 片做討論。
3.3 製作鑲嵌在氮化矽薄膜的奈米矽量子點結構 3.3.1 實驗步驟:
本實驗分為三個步驟來進行 (a) 沉積單一氧化矽薄膜
1. 在矽基板上以1:24之SiH4對N2O的氣流比在HDP-CVD中沉積出約 為200nm的SiO2單一薄膜層。
2. 接著將單一SiO2薄膜層送入氮氣氛圍的後段真空退火爐管做一小 時300℃與600℃的退火。
3. 以FTIR量測其化學鍵結(包括退火與未退火之試片)。
(b) 沉積單一氮化矽薄膜
1. 在矽基板上以1:1之SiH4對NH3的氣流比在HDP-CVD中沉積出與氧 化矽薄膜相同厚度的單一SiNx薄膜層。
2. 因為矽基板之晶格常數與SiNx之晶格常數相差甚多，為避免因為晶 格常數不匹配而造成SiNx薄膜因應力過大而破裂現象，所以在此並不 做熱退火製程。
3. 以FTIR量測其化學鍵結。
4. 以PL量測其發光特性。
(c) 結合上述兩種薄膜並沉積出兩層薄膜
1. 由於上述所說的矽基板之晶格常數與SiNx之晶格常數差太多，所以 先在矽基板上以1:24之SiH4對N2O的氣流比在HDP-CVD中沉積一層 約200 nm之SiO2薄膜層，作用為SiNx薄膜層之緩衝層，以避免SiNx薄 膜層因其過大的應力而產生破裂，並做300℃及600℃的熱退火製程。
2. 接著在SiO2薄膜層上以1:1之SiH4對NH3的氣流比在HDP-CVD中沉 積一層SiNx的薄膜層。
3. 在將此兩層薄膜結構的試片送入在一氮氣氛圍下的後段真空退火 爐管中以300℃及600℃做一小時的退火。
4. 以FTIR量測其化學鍵結(包括退火與未退火之試片)。
5. 以PL量測其發光特性(包括退火與未退火之試片)。
Fig. 3-1
不同氣體流量所合成之矽量子點鑲嵌在氮化矽薄膜在室溫下之光致 發光圖(無退火)。SiH4=12 sccm，NH3=3、12、48、96、120 sccm比較 圖 [32]