Способ получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния sioх на кремниевой подложке

Изобретение относится к способу получения люминесцентного материала - конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке, предназначенного для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах. Осуществляют имплантацию в вышеуказанную пленку ионов кислорода с последующим отжигом при температуре 700-900°С в течение 0,5-1 часа в атмосфере сухого азота. Для имплантации используют конвертер в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20-70 нм, имплантацию проводят с энергией ионов, величину которой определяют по формуле $$E=\mathrm{0,19}\cdot d-\mathrm{0,18}$$ , где Е - энергия ионов, кэВ, d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, которую выбирают в пределах от 20 до 70 нм, и при флюенсе, определяемом по формуле $$F=2.21\cdot {10}^{15}\cdot \left(x-2\right)\cdot d$$ , где F - флюенс, см^-2, d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, которую выбирают в пределах от 20 до 70 нм, x - стехиометрический коэффициент, являющийся безразмерной величиной, который выбирают в пределах от 2,01 до 2,45. Обеспечивается увеличение интенсивности красного излучения конвертера и обеспечение красного свечения при сохранении конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое. 6 ил., 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к способу получения люминесцентного материала - конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке. Конвертер предназначен для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения с использованием в фотосенсорике, солнечной энергетике, авиационно-космическом приборостроении, в частности для энергообеспечения систем навигации и управления беспилотных летательных аппаратов, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах, например при изготовлении микросхем по 32-нанометровой и более «тонкой» технологии.

В статье [ЖТФ, 2012, т.82, вып.2, стр.153-155] описан способ получения люминесцентных материалов на основе (CaO·0,5Al₂O₃·5SiO₂):Eu и (СаО·0,2Al₂O₃·SiO₂):Eu с добавкой B₂O₃ в количестве 3 вес.%, которые могут быть использованы в качестве конвертеров ближнего ультрафиолетового излучения (пик излучения 3,2 эВ или 380 нм) в видимое излучение (350-675 нм, 1,84-3,54 эВ). Способ основан на методе прямого твердофазного синтеза при температуре 1350°С в вакууме.

Недостаток получаемых конвертеров заключается в том, что они обеспечивают преобразование в видимый свет только ближнего ультрафиолетового излучения, отсутствует возможность конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения, которое представляет интерес для космического приборостроения, солнечной энергетики, а также при контроле наличия или отсутствия жесткого ультрафиолетового излучения в технологических процессах, например при создании микросхем по 32-нанометровой и более «тонкой» технологии.

Ближайшим к предложенному является описанный в статье [Journal of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 1977-1980] способ получения люминесцентного материала в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке, работающего в качестве конвертера жесткого (вакуумного) ультрафиолетового излучения (8,25÷10,25 эВ или 150,18÷120,88 нм) в видимое излучение (1,5÷3,0 эВ, 413÷826 нм). Способ основан на получении конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X толщиной 500 нм на кремниевой подложке путем внедрения в указанную пленку ионов кислорода имплантацией с энергией ионов 100 кэВ при флюенсе 5·10¹⁶ ион/см² с последующим отжигом при таких известных параметрах: температура 700-900°С и длительность 0,5-1 часа в атмосфере сухого азота.

Способ-прототип обеспечивает изготовление конвертера жесткого (вакуумного) ультрафиолетового излучения (8,25÷10,25 эВ или 150,18÷120,88 нм) в видимое излучение (1,5÷3,2 эВ, 387÷826 нм). Этот конвертер имеет излучение в видимой области спектра с отношением интенсивности пика красного излучения (1,9 эВ) к интенсивности излучения середины остальной части видимого спектра (2,55 эВ), равным 1,87 (Фиг.1).

Недостатком способа-прототипа является создание конвертера с видимым спектром излучения (1,5÷3,2 эВ), содержащим красную, оранжевую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую компоненты с преобладанием красной компоненты. При этом свечение имеет смешанный характер, не является ни чисто белым, ни чисто красным.

Задачей изобретения является создание способа получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое излучение, обладающего повышенной интенсивностью красного излучения и обеспечивающего преимущественно красное свечение при сохранении конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения.

Для решения поставленной задачи способ получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке путем внедрения в указанную пленку ионов кислорода имплантацией с последующим отжигом при температуре 700-900°С в течение 0.5-1 часа в атмосфере сухого азота отличается тем, что для имплантации используют конвертер в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20-70 нм, имплантацию ведут с энергией ионов, величина которой определяется по формуле

$$E=\mathrm{0,19}\cdot d-\mathrm{0,18}\left(1\right)$$

где

Е - энергия фотонов, кэВ;

d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, выбирается в пределах от 20 до 70 нм;

и при флюенсе, определяемом по формуле

$$F=2.21\cdot {10}^{15}\cdot \left(x-2\right)\cdot d\left(2\right)$$

где

F - флюенс, ион/см²;

d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, выбирается в пределах от 20 до 70 нм;

x - стехиометрический коэффициент, величина безразмерная, выбирается в пределах от 2,01 до 2,45.

Техническим результатом использования предложенного способа является повышение эффективности получаемого конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое свечение, а именно увеличение интенсивности красного излучения конвертера в 1,2÷2,7 раза и обеспечение красного свечения. Последнее достигается за счет того, что в излучении конвертера отношение интенсивности пика красного излучения (1,9 эВ) к интенсивности излучения середины остальной части видимого спектра (2,55 эВ) находится в диапазоне от 2,35 до 7,65 (таблица).

При толщине, получаемой предложенным способом, аморфной пленки оксида кремния менее 20 нм происходит деградация структуры материала и ухудшение люминесцентных свойств конвертера вследствие увеличения количества структурных дефектов, являющихся центрами тушения люминесценции. При толщине пленки более 70 нм усложняется технология получения конвертера, требуется использование ионного источника с повышенной энергией и увеличение времени имплантации, что нецелесообразно.

При стехиометрическом коэффициенте «x», равном или большем значения 2,01, обеспечивается наличие в получаемом конвертере дополнительных центров красного излучения и соответствующее увеличение интенсивности красного излучения. Однако при значениях стехиометрического коэффициента «x», больших значения 2,45, происходит ухудшение люминесцентных свойств конвертера вследствие влияния повышенного количества отрицательных ионов кислорода $$O_2^{-}$$ на единицу объема аморфной пленки оксида кремния - возникает эффект концентрационного тушения люминесценции.

На фигурах 1, 2 и 3 изображены спектры излучения известного и полученного конвертеров, а также спектр возбуждающего вакуумного излучения, при этом по вертикальным осям отложены интенсивности излучения в относительных единицах (отн.ед.), по горизонтальным - энергия фотонов излучения (эВ).

Фиг.1 - спектр излучения конвертера, представляющего собой известный люминесцентный материал в виде имплантированной ионами кислорода аморфной пленки оксида кремния SiO₂:O⁺(или SiO_X, где х=2) толщиной 500 нм на кремниевой подложке [Journal of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 1977-1980, Figure 1 (O-related centers)].

Фиг.2 - спектр излучения предложенного конвертера в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X, где х=2,23, толщина пленки 45 нм.

Фиг.3 - спектр возбуждения фотолюминесценции предложенного конвертера в области ультрафиолетового излучения.

Фиг.4 демонстрирует используемую при получении конвертора вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона зависимость энергии Е имплантируемых ионов O⁺(вертикальная ось, кэВ) от требуемой толщины d аморфной пленки оксида кремния SiO_X (горизонтальная ось, нм).

Фиг.5 показывает используемые при получении конвертора вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона калибровочные зависимости флюенса F (вертикальная ось, ион/см²) от требуемой толщины d аморфной пленки оксида кремния SiO_X (горизонтальная ось, нм) для нескольких постоянных значений стехиометрического коэффициента «x» (А при х=2,01, Б при х=2,23, В при х=2,45).

Фиг.6 демонстрирует используемые при получении конвертора вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона калибровочные зависимости флюенса F (вертикальная ось, ион/см²) от стехиометрического коэффициента «x» (горизонтальная ось, величина безразмерная) для нескольких постоянных значений толщины d аморфной пленки оксида кремния SiO_X (Г при 20 нм, Д при 45 нм, Ж при 70 нм).

В таблице приведены параметры известного способа-прототипа получения образца 1 конвертера и предложенного способа получения нескольких образцов 2, 3 и 4 конвертера, а также параметры указанных образцов конвертера.

Имплантация ионов кислорода в аморфную пленку оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке осуществлялась с помощью ионного источника, работающего в непрерывном режиме при указанных в таблице параметрах и вакууме (1,4÷2,5)·10^-4 Торр. Перед облучением образцы материала промыты в спирте в ультразвуковой ванне.

Отжиг производился в атмосфере сухого азота с использованием электропечи сопротивления (типа НТ 40/16).

Полученные образцы конвертера представляют собой плоскопараллельные пластины площадью 1 см², толщиной 0,5 мм, с поверхностью оптического качества. Поверхностный слой каждого образца представляет собой аморфную пленку оксида кремния SiO_X, включающую молекулы O₂, ионы $$O_2^{-}$$ , а также точечные дефекты, созданные в процессе ионной имплантации. Нижележащая основа образца состоит из нелегированного диоксида кремния. Фотолюминесценция полученного конвертера возбуждалась вакуумным ультрафиолетовым излучением (фиг.3) с энергией фотонов в интервале 8,5÷40,5 эВ с помощью синхротрона DESY, через монохроматор. Люминесцентные спектры регистрировались фотоумножителем R6358P Hamamatsu.

Люминесцентный спектр излучения образца 1 конвертера-прототипа приведен на фигуре 1. Спектры излучения образцов 2 и 4 по форме соответствуют спектру излучения образца 2 (фиг.2), отличаясь интенсивностями излучения, указанными в таблице.

Ниже описаны примеры изготовления образцов конвертера. Номера примеров соответствуют номерам образцов в таблице.

Пример 1 (прототип). Имплантацию ионов O⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 500 нм на кремниевой подложке при энергии ионов 100 кэВ и флюенсе 5·10¹⁶ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 900°С в течение 1 часа. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 1 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 1,87. Видимое излучение такого конвертера смешанный характер.

Пример 2. Имплантацию ионов O⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 3,7 кэВ и флюенсе 4,4·10¹⁵ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 850°С в течение 50 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 1,2 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 2,35. Излучение полученного конвертера является красным.

Пример 3. Имплантацию ионов O⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 45 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 8,4 кэВ и флюенсе 2,4·10¹⁶ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 800°С в течение 40 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 2,7 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 7,83. Излучение полученного конвертера (фиг.2) является красным.

Пример 4. Имплантацию ионов О⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 70 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 13,2 кэВ и флюенсе 7·10¹⁶ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 750°С в течение 30 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 2,1 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 7,65. Излучение полученного конвертера является красным.

Способ получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке путем внедрения в указанную пленку ионов кислорода имплантацией с последующим отжигом при температуре 700÷900°С в течение 0,5÷1 часа в атмосфере сухого азота, отличающийся тем, что для имплантации используют конвертер в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20÷70 нм, имплантацию проводят с энергией ионов, величину которой определяют по формуле $$E=\mathrm{0,19}\cdot d-\mathrm{0,18}$$ , где Е - энергия ионов, кэВ, d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, которую выбирают в пределах от 20 до 70 нм, и при флюенсе, определяемом по формуле $$F=2.21\cdot {10}^{15}\cdot \left(x-2\right)\cdot d$$ , где F - флюенс, см^-2, d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, которую выбирают в пределах от 20 до 70 нм, x - стехиометрический коэффициент, являющийся безразмерной величиной, который выбирают в пределах от 2,01 до 2,45.