專利名稱：：電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg₂Si薄膜工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜的制備工藝。
背景技術(shù)：
：Mg2Si作為一種擁有良好的發(fā)展前景的金屬硅化物環(huán)境友好半導(dǎo)體材料，具有以下特點(diǎn)合金元素Mg、Si的原料資源豐富、地殼蘊(yùn)藏量大、價(jià)格低廉；元素?zé)o毒無(wú)污染，Mg2Si耐腐蝕、抗氧化；M&Si可以在Si基片上外延生長(zhǎng)，和傳統(tǒng)的Si工藝兼容。M&Si是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，具有0.78ev的帶隙寬度，并有兩個(gè)臨近的直接帶隙值分別為0.83ev和0.99ev。Mg2Si可以在Si基片上較好的外延生長(zhǎng)，與傳統(tǒng)Si工藝兼容，減少了生產(chǎn)設(shè)備升級(jí)帶來(lái)的成本壓力。在光電及熱電性質(zhì)的研究方面，作為一種窄帶隙半導(dǎo)體材料，Mg2Si在紅外傳感器領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景，通過摻雜不同元素進(jìn)行分析，證明了Mg2Si具有良好的熱電材料應(yīng)用前景。目前已經(jīng)有多種技術(shù)被應(yīng)用于Mg2Si薄膜材料的制備，其中包括脈沖激光沉積，分子束外延，離子束合成等，這些方法均存在實(shí)驗(yàn)條件苛刻，成本較高，難于工業(yè)化推廣等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種新的環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜的制備工藝，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的實(shí)驗(yàn)條件苛刻，成本較高，難于工業(yè)化推廣等不足。為了解決所述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它包括以下過程第一，將Si片清洗干燥；第二，將Si片固定在蒸鍍室上方的樣品架上，Mg靶放置在蒸發(fā)坩堝內(nèi)；第三，蒸鍍；第四，蒸鍍后冷卻，再取出置于高真空退火爐中在氬氣中退火，形成環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si多晶薄膜。在Si片清洗干燥過程中，先將Si片裁切至所需形狀尺寸，將其用10%的氫氟酸浸泡后用去離子水反復(fù)沖洗，再分別用無(wú)水乙醇、丙酮超聲波震蕩清洗，再使用去離子水超聲波震蕩清洗；將清洗干凈的樣品置于干燥箱中80°C條件下烘烤，至表面完全干燥。在第二過程中，使用高溫膠帶將Si片固定在蒸鍍室上方的樣品架上。在蒸鍍過程，先對(duì)蒸鍍室抽真空，當(dāng)真空度小于等于1.OXICT3Pa時(shí)，對(duì)Si基底預(yù)加熱至200°C，并保持一段時(shí)間；當(dāng)真空度再次小于等于1.OXlO-3Pa時(shí)，開始蒸鍍；先將電子束聚焦光斑調(diào)寬，預(yù)蒸發(fā)12min，正式開始蒸鍍；蒸鍍時(shí)的電子束功率為24KW，蒸發(fā)速率保持在1030nm/min，襯底溫度為150200°C。在第四過程的冷卻，是指蒸鍍完成后自然冷卻至室溫。在第四過程，高真空退火爐中的退火爐背底真空小于等于10_3Pa。在第四過程，退火前，高真空退火爐腔體內(nèi)通入氬氣，并封閉；整個(gè)退火過程中，高真空退火爐腔體保持氬氣氣壓為-0.OlMpa到-0.IMPa0在第四過程，退火時(shí)間3-7小時(shí)，退火溫度300°C-500°c。Mg靶純度為99.98%。形成的環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si多晶薄膜是指在Si基片上沉積一層厚度200-400nm的金屬M(fèi)g膜。本發(fā)明采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，制備了環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si薄膜材料。電子束加熱的基本原理是，使用被加速的高能電子轟擊靶材，由于用于轟擊的電子所攜帶的動(dòng)能在撞擊時(shí)大部分轉(zhuǎn)化為熱能，而使靶材局部溫度急劇升高，憑借這一高溫可以使部分靶材升華，從而以氣態(tài)形式沉積到基片上形成薄膜。本發(fā)明首先采用電子束蒸發(fā)技術(shù)沉積200-400nm純金屬M(fèi)g膜在Si單晶基片上，形成Si/Mg薄膜結(jié)構(gòu)，隨后置于真空退火爐中退火。退火爐背底真空小于等于10_3Pa，為抑制Mg揮發(fā)，退火前腔體內(nèi)通入氬氣，并封閉。整個(gè)退火過程中，保持氬氣氣壓為-0.OlMpa到-0.IMPa0退火時(shí)間3-7小時(shí)，退火溫度300°C_500°C，獲得高質(zhì)量Mg2Si半導(dǎo)體薄膜。目前國(guó)內(nèi)尚未見到對(duì)該材料的電子束蒸發(fā)方法制備工藝及相關(guān)熱處理?xiàng)l件進(jìn)行研究的報(bào)道。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有生產(chǎn)成本較低，能夠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。圖1為本發(fā)明的樣品X射線衍射圖，即在500°C退火時(shí)間分別為37h的X射線衍射圖2為本發(fā)明的樣品掃描電鏡圖，即在500°C退火時(shí)間分別為37h的掃描電鏡圖。具體實(shí)施例方式具體實(shí)施例方式通過實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出以下工藝過程(1)將試驗(yàn)用Si片裁切至所需大小。首先，用10%的氫氟酸浸泡3分鐘，去除表面的SiO2;之后用去離子水反復(fù)沖洗幾次，去除殘留的氫氟酸；再分別用無(wú)水乙醇、丙酮超聲波震蕩清洗20分鐘，目的是去除硅片表面有機(jī)物，再使用去離子水超聲波震蕩清洗5次，每次10分鐘。最后將清洗干凈的樣品置于干燥箱中80°C條件下烘烤，至表面完全干燥為止。(2)試驗(yàn)用Si片由于面積較小，使用高溫膠帶固定在蒸鍍室上方的樣品架上。Mg靶直接放置在蒸發(fā)坩堝內(nèi)。(3)對(duì)蒸鍍室抽真空，當(dāng)真空度小于等于1.OX10_3Pa時(shí)，對(duì)Si基底預(yù)加熱至200°C，并保持一段時(shí)間。(4)當(dāng)真空度再次小于等于1.0XIO-3Pa時(shí)，開始蒸鍍。先將電子束聚焦光斑調(diào)寬，預(yù)蒸發(fā)lmin，再正式開始。蒸鍍時(shí)，電子束功率為24KW，蒸發(fā)速率保持在15(或20)nm/min，襯底溫度為180°C。(5)蒸鍍完成后自然冷卻至室溫，再取出并置于高真空退火爐中。退火爐背底真空小于等于10_3Pa，為抑制Mg揮發(fā)，退火前腔體內(nèi)通入氬氣，并封閉。整個(gè)退火過程中，保持氬氣氣壓為-O.OlMpa到-0.IMPa0退火時(shí)間3_7小時(shí)，退火溫度450°C，形成環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si多晶薄膜。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>退火條件高真空導(dǎo)火爐ii火前通入氬退火氛■氣，遍火過程中封閉、+保持約04MPa的奮·氣__I氛圍，在此氮+氣氛B·護(hù)下退火_圖1為500°C不同退火時(shí)間制備的樣品的X射線衍射圖，圖中可見，除襯底Si衍射峰外，各衍射峰均為Mg2Si衍射峰，且與PDF標(biāo)準(zhǔn)譜(卡片號(hào)65-9365)衍射峰一一對(duì)應(yīng)，說明本發(fā)明所述制備條件下，制備了結(jié)晶狀況好的Mg2Si薄膜。圖2為500°C不同退火時(shí)間制備的樣品表面形貌的掃描電鏡圖，結(jié)果顯示Mg2Si晶粒對(duì)樣品表面覆蓋度好，晶粒尺寸較大，表面較為平整。在實(shí)驗(yàn)所采用的退火條件下，均有結(jié)晶狀態(tài)良好的Mg2Si薄膜出現(xiàn)。權(quán)利要求一種電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜的工藝，其特征在于它包括以下過程第一，將Si片清洗干燥；第二，將Si片固定在蒸鍍室上方的樣品架上，Mg靶放置在蒸發(fā)坩堝內(nèi)；第三，蒸鍍；第四，蒸鍍后冷卻，再取出置于高真空退火爐中在氬氣氛圍中退火，形成環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si多晶薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于在Si片清洗干燥過程中，先將Si片裁切至所需形狀尺寸，將其用10%的氫氟酸浸泡后用去離子水反復(fù)沖洗，再分別用無(wú)水乙醇、丙酮超聲波震蕩清洗，再使用去離子水超聲波震蕩清洗；將清洗干凈的樣品置于干燥箱中80°C條件下烘烤，至表面完全干燥。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于在第二過程中，使用高溫膠帶將Si片固定在蒸鍍室上方的樣品架上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于在蒸鍍過程，先對(duì)蒸鍍室抽真空，當(dāng)真空度小于等于1.0X10_3Pa時(shí)，對(duì)Si基底預(yù)加熱至200°C，并保持一段時(shí)間；當(dāng)真空度再次小于等于1.0X10_3Pa時(shí)，開始蒸鍍；先將電子束聚焦光斑調(diào)寬，預(yù)蒸發(fā)12min，正式開始蒸鍍；蒸鍍時(shí)的電子束功率為24KW，蒸發(fā)速率保持在1030nm/min，襯底溫度為150200°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于在第四過程的冷卻，是指蒸鍍完成后自然冷卻至室溫。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于在第四過程，高真空退火爐中的退火爐背底真空小于等于10_3Pa。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于在第四過程，退火前，高真空退火爐腔體內(nèi)通入氬氣，并封閉；整個(gè)退火過程中，高真空退火爐腔體保持氬氣氣壓為-0.OlMpa到-0.IMPa。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜備工藝，其特征在于在第四過程，退火時(shí)間3-7小時(shí)，退火溫度300°C-500°C。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于Mg靶純度為99.98%。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝，其特征在于形成的環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si多晶薄膜是指在Si基片上沉積一層厚度200-400nm的金屬M(fèi)g膜。全文摘要本發(fā)明公開了一種電子束蒸發(fā)法制備環(huán)境友好半導(dǎo)體材料Mg2Si薄膜工藝。其過程為:將清洗好的Si片置于蒸鍍室內(nèi)，對(duì)蒸鍍室抽真空并保持。先將電子束聚焦光斑調(diào)寬，預(yù)蒸發(fā)1～2min，再正式開始蒸鍍。蒸鍍時(shí)，電子束功率為2～4KW，蒸發(fā)速率保持在10～30nm/min，襯底溫度為150～200℃。蒸鍍完成后自然冷卻至室溫，再取出并置于高真空退火爐中。退火爐背底真空小于等于10-3Pa，為抑制Mg揮發(fā)，退火前腔體內(nèi)通入氬氣，并封閉。整個(gè)退火過程中，保持氬氣氣壓為-0.01MPa到-0.1MPa。退火時(shí)間3-7小時(shí),退火溫度300℃-500℃，直接形成環(huán)境友好半導(dǎo)體Mg2Si多晶薄膜。文檔編號(hào)C23C14/06GK101798674SQ20101014730公開日2010年8月11日申請(qǐng)日期2010年4月15日優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日發(fā)明者余志強(qiáng),張晉敏,肖清泉,謝泉,趙珂杰,陳茜申請(qǐng)人:貴州大學(xué)