CN101260511A - 金属半导体复合超分辨薄膜及其制备方法 - Google Patents

金属半导体复合超分辨薄膜及其制备方法 Download PDF

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蒋志
耿永友
魏劲松
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Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
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Abstract

一种金属半导体复合超分辨薄膜及其制备方法，该薄膜是由金属银、或金、或铂、或钯与半导体硅通过磁控溅射方法沉积在基片上的金属半导体复合薄膜，且薄膜中具有由不规则分布于半导体硅基质中或基质表面的金属纳米颗粒或团簇构成的纳米微结构，该纳米金属颗粒的成分为银、或金、或铂、或钯，金属颗粒或团簇的尺寸为5～100nm。本发明的结构能充分利用金属纳米粒子产生的局域表面等离子体增强作用和半导体硅的光学非线性作用，读出小于光学衍射极限的信息点，达到超分辨效果。此外，这类超分辨薄膜用于光存储还具有制备方法简单，时间响应快，读出稳定性好和信号强等优点。

Description

金属半导体复合超分辨薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及光存储，特别是一种应用于光盘上，可以减小在记录层上读写光斑尺寸的金属半导体复合超分辨薄膜及其制备方法。
背景技术
随着信息化时代的发展，特别是数字高清晰度影视技术和网络技术的发展普及，要求光盘存储器具有更高的存储密度和容量。提高存储密度和容量最直接的方法是减小记录点尺寸。但是最小记录点尺寸取决于光盘存储系统的光学分辨率，为此，人们往往通过减小激光波长和增大光学头物镜的数值孔径两种途径来提高光学系统的分辨率。前者由于短波长激光器研制的困难以及盘片对短波长激光透过率减弱等原因，波长的减小受到限制。而光学头物镜数值孔径的增大是以焦深的减小和由于偏心率而引起的失真的加大为代价的。因此采用减小激光波长和增大光学头的数值孔径来减小读出光斑的尺寸，其效果十分有限。研究直径小于光的衍射极限的记录点(超分辨记录点)的读出具有非常重要的实用价值和意义。
目前，采用超分辨掩膜技术可以得到小于衍射极限尺寸的光斑。利用超分辨掩膜技术之所以能够突破光学衍射极限，主要是由于掩膜层在激光作用前后光谱发生显著变化，遮盖了部分光斑，从而将有效光斑尺寸缩小到衍射极限以下。在这类超分辨技术中，掩膜层功能材料的选择是其核心，也是此类光盘的新颖性所在。在只读式光盘领域，K.Yasuda等首次采用Ge2Sb2Te5作掩膜，实现了超分辨预刻信息点的读出(参见Kouichi Yasuda，Masumi Onoand Katsuhisa Aratani et al.Jpn.J.Appl.Phys.，1993，32(11B)：5210-5213)。D.Yoon等采用AgInSbTe作掩膜层实现了超分辨预刻信息点的读出(参见DuseopYoon，Jooho Kim，and Hyunki Kim，et al.Jpn.J.Appl.Phys.2004，43(7B)：4945-4948)。H.Kim等以GeSbTe作掩膜在只读式光盘中实现了超分辨预刻信息坑点的读出(参见Hyunki Kim，Inoh Hwang，Jooho Kim et al.Jpn.J.Appl.Phys.，2005，44(5B)：3605-3608)。
然而，上述光盘中所用的超分辨掩膜具有以下缺点：
(1)在减小聚焦光斑有效尺寸的同时，会引起聚焦光斑能量的衰减，因此，往往需要较高的读出激光功率，从而影响激光器的寿命，同时辐照中的高温会损害薄膜和基片，缩短盘片寿命；
(2)超分辨掩膜材料产生超分辨的机理是激光热作用引起材料的相变，光学信号响应较慢，影响光盘的读写速率；
(3)掩膜的稳定性有待改善，可循环读出次数有待提高。
发明内容
本发明的目的在于有效地改善上述现有材料遇到的困难，提供一种具有近场等离子增强和超衍射分辨作用的含有纳米微结构的金属半导体复合超分辨薄膜及其制备方法，以实现小于衍射极限的记录点的记录和读出。该介质具有制备方法简单、热稳定性好和光能利用率高等优点。
本发明的技术解决方案是：
一种金属半导体复合超分辨薄膜，其特点在于它是由金属银、或金、或铂、或钯与半导体硅通过磁控溅射方法沉积在基片上的金属半导体复合薄膜，且薄膜中具有由不规则分布于半导体硅基质中或基质表面的金属纳米颗粒或团簇构成的纳米微结构，该纳米金属颗粒的成分为金属银、或金、或铂、或钯，金属颗粒或团簇的尺寸为5～100nm。
所述的基片是厚度为0.6mm、或1.1mm、或1.2mm的玻璃或聚碳酸酯。
所述的金属半导体复合超分辨薄膜的制备方法，是采用磁控溅射的方法并通过以下两种途径获得：一是用混合靶磁控溅射法，在硅靶上均匀放置金属片，或者使用合金靶；二是利用多层法制备，即通过磁控溅射方法依次反复镀上金属和半导体硅，从而形成金属在半导体中无序分布的纳米复合薄膜。
所述的溅射工艺参数为：本底真空1.0×10-5Pa～8.0×10-4Pa，氩气流量为10～100sccm，溅射功率为50W～1000W，溅射气压为0.3Pa～2.0Pa，溅射时间为4min～20min。
所述的所述靶材中的金属为Ag、或Au、或Pt、或Pd，所述的金属与半导体硅的摩尔比为1∶9～4∶6。
本发明的技术效果：
与以前的掩膜材料相比，本发明“金属半导体复合超分辨薄膜”由无序金属纳米颗粒和半导体薄膜复合而成，读出过程中，不再依赖掩膜材料的热效应来缩小光斑，而是依靠半导体硅的光学非线性效应，信号响应更快。与此同时，半导体硅中分布的无序金属(Ag或Au或Pt或Pd)纳米微结构具有局域表面等离子体共振效应，在光学近场的范围内会产生很强的局域增强场，提高读出信号的强度。此外，光盘在没有保护层的条件下，循环读出10000次，读出信号基本没有变化，显示薄膜具有较好的稳定性。
总之，实验表明，本发明金属半导体复合超分辨薄膜具有制备方法简单、热稳定性好和光能利用率高等优点。
附图说明
图1金属半导体复合超分辨薄膜结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
以Ag-Si复合薄膜为例，以Ag与Si的摩尔比为1∶9组成的混合靶作为溅射靶材，基片是1.2mm厚的聚碳酸酯光盘，基片上有直径为380nm的预刻坑点作为信息点。将溅射腔的本底真空抽至6.0×10-4Pa后，通入氩气，氩气流量为70sccm，调节溅射气压到0.6Pa，溅射功率为250W，对复合靶进行5min的预溅射，以清除复合靶表面的污染，然后溅射10min，即得到所需的Ag-Si复合薄膜。图1是本实施例的金属半导体复合薄膜的结构示意图，薄膜由半导体基质2和埋藏于其中或位于其表面的纳米金属(Ag或Au或Pt或Pd)颗粒1构成。为了检验其超分辨效果，我们采用波长为780nm、光学头数值孔径为0.45的光盘读出系统，测试含有纳米微结构的只读式数字光盘对预刻信息点的读出效果，得到了清晰的示波器信号图。在相同条件下，光盘循环读出10000次后，读出信号基本没有变化。根据光波的衍射极限公式，该读出系统的读出分辨率极限约为435nm，大于本实施例中的预刻坑点直径(380nm)，采用传统的只读式光盘结构不能读出信号。
其它实施例如下表所示：
  实施例   混合靶摩尔比   本底真空Pa   氩气流量sccm   溅射气压Pa   溅射功率w   溅射时间min 基片   复合薄膜
  2   Ag∶Si＝4∶6   6.0×10-4   50   1.0   300   4   聚碳酸酯   Ag-Si
  3   Ag∶Si＝2∶8   6.0×10-4   40   0.6   300   9   聚碳酸酯   Ag-Si
  4   Au∶Si＝1∶9   6.0×10-4   80   1.2   350   12   聚碳酸酯   Au-Si
  5   Au∶Si＝4∶6   6.0×10-4   100   1.5   380   10   聚碳酸酯   Au-Si
  6   Pt∶Si＝4∶6   6.0×10-4   90   2.0   400   14   聚碳酸酯   Pt-Si
  7   Pt∶Si＝1∶9   6.0×10-4   90   1.5   500   20   聚碳酸酯   Pt-Si
  8   Pd∶Si＝4∶6   6.0×10-4   30   0.6   400   15   聚碳酸酯   Pd-Si
  9   Pd∶Si＝1∶9   6.0×10-4   60   1.4   450   18   聚碳酸酯   Pd-Si

Claims (5)

1、一种金属半导体复合超分辨薄膜，其特征在于它是由金属银、或金、或铂、或钯与半导体硅通过磁控溅射方法沉积在基片上的金属半导体复合薄膜，且薄膜中具有由不规则分布于半导体硅基质中或基质表面的金属纳米颗粒或团簇构成的纳米微结构，该纳米金属颗粒的成分为银、或金、或铂、或钯，金属颗粒或团簇的尺寸为5～100nm。
2、根据权利要求1所述的金属半导体复合超分辨薄膜，其特征在于所述的基片是厚度为0.6mm、或1.1mm、或1.2mm的玻璃或聚碳酸酯。
3、权利要求1所述的金属半导体复合超分辨薄膜的制备方法，其特征是采用磁控溅射的方法并通过以下两种途径获得：一是用混合靶磁控溅射法，在硅靶上均匀放置金属片，或者使用合金靶；二是利用多层法制备，即通过磁控溅射方法依次反复镀上金属和半导体硅，从而形成金属在半导体中无序分布的纳米复合薄膜。
4、根据权利要求3所述的金属半导体复合超分辨薄膜的制备方法，其特征是所述的溅射工艺参数为：本底真空1.0×10-5Pa～8.0×10-4Pa，氩气流量为10～100sccm，溅射功率为50W～1000W，溅射气压为0.3Pa～2.0Pa，溅射时间为4min～20min。
5、根据权利要求3或4所述的金属半导体复合超分辨薄膜的制备方法，其特征是所述的所述靶材中的金属为Ag、或Au、或Pt、或Pd，所述的金属与半导体硅的摩尔比为1∶9～4∶6。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101901755A (zh) * 2010-07-23 2010-12-01 复旦大学 适用于快闪存储器的高密度钯纳米晶的制备方法
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