一种利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构的方法与流程

本发明属于金属薄膜材料制备领域，具体涉及一种利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构及制备方法。

技术背景

气相沉积金属薄膜材料作为现代工业技术领域的重要组成部件，在催化反应、集成电路、信息储存、显示器、传感器等方面有着广泛的应用。用各种原子沉积技术生长的薄膜，一般都是特定织构的多晶体。织构的变化对于金属薄膜的性能的开发至关重要。比如，金属铜薄膜在<111>晶向上的弹性模量是<110>晶向上的2.9倍[deformationandfracturemechanicsofengineeringmaterials,wiley,newyork,1996]；在铜(110)面上其氧化物、硅化物的催化反应速率要明显快于(111)面[actametall.,4(1956)145；j.appl.phys.,67(1990)566]；相比于其他晶面，al(110)面在自组装纳米结构[phys.rev.lett.,91(2003)016102]以及羟基催化反应[langmuir,10(1994)2629]中有着独特的优势。

一般认为薄膜织构的形成与沉积工艺、基体温度、基体偏压、沉积时反应室填充气体比例等因素有关。j.gao等人[journalofvacuumscience&technologyavacuumsurfaces&films,29(2011)051507]在si(100)，fto和cds基体上沉积cdte薄膜，发现不同基体上沉积的cdte薄膜织构强弱顺序为si(100)>fto>cds；d.roma等人[materialschemistry&physics,130(2011)147]认为沉积的zrn薄膜(111)织构强度随着基体温度的升高而降低；v.v.balashev等人[physicsofthesolidstate,57(2015)2532]研究了氧气压强对沉积fe3o4薄膜的影响，结果表明随着氧气压强的增加，fe3o4薄膜织构由随机取向变为(311)或者(110)的具体取向；lee等人[metallurgical&materialstransactionsa,44(2013)152]研究了退火温度对沉积纳米cu薄膜的织构影响，发现随着退火温度的升高，薄膜织构从原先的<110>向<112>方向发展。可以看出传统改变沉积参数的方法并不能很好控制薄膜气相沉积时的织构，织构变化不明显或者不稳定，而且就算能够通过改变沉积气流、基体温度等条件来改变生长薄膜的织构，往往这些沉积参数并不能很好的适用于所有气相沉积设备，而且调控织构的方式比较复杂，容易造成资源浪费且成品率低。如果采用外延生长的传统方式改变薄膜生长织构则往往需要单晶基体，单晶制备成本高昂，且工艺复杂。如果采用后续热处理加工的方式来改变沉积薄膜的织构，则具有工序增加，能耗增加等缺点。

当半导体与金属接触时，半导体原子在金属/半导体界面有着不寻常的高原子迁移率，本发明基于这一现象，提出在气相沉积过程中，利用半导体基体来调控金属薄膜织构的方法，即在金属的沉积过程中活跃的半导体原子能够影响并改变金属薄膜的形核与生长。与传统改变薄膜织构的方式相比，本发明可以只对基体进行简单预处理，即通过在基体上预先沉积一层半导体作为基体，继而沉积金属薄膜。本发明能够有效改变沉积金属薄膜的织构并且细化纳米晶粒，方法简单有效，具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明利用半导体基体来调控金属薄膜织构，该方法优于传统外延生长(需要高成本的单晶基体)对薄膜的织构调控。基于半导体原子在金属-半导体界面的高迁移率来改变沉积金属薄膜的形核长大过程，这些金属[如al、ni、cu、pt、pd、au、bi，metal-inducedcrystallization,panstanford,newyork,2015]能够使得半导体原子在其接触界面获得高的原子迁移率。基体可以直接采用半导体基体或者在非半导体基体上采用气相沉积先沉积一层半导体层作为基体，然后在半导体基体表面沉积制备金属薄膜，采用本发明方法制备的金属薄膜织构不同于在传统非半导体基体上沉积的金属薄膜织构。不同织构的金属薄膜拥有不同的性能，通过对金属薄膜(al、ni、cu、pt、pd、au、bi)的织构的调控能够使其拥有更加优异的性能。如对于al薄膜来说，采用本方法制备的金属al薄膜呈现高能量面的(110)特殊织构而不是一般fcc金属薄膜制备所呈现的(111)最低能量面织构，al(110)在纳米结构自组装领域以及羟基化催化反应领域有着优于其他晶面织构的优势[phys.rev.lett.,91(2003)016102；langmuir,10(1994)2629-2635]。并且该方法制备的金属薄膜晶粒更加细小，强度更高，为先进金属薄膜在微电子器件等方面的应用提供了技术支持。

具体技术方案如下：

一种利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构，在半导体基体层上沉积一层金属薄膜，包括如下步骤：

1).半导体基体的准备

准备一个非半导体基体，在其上沉积一层半导体层作为基体或者直接准备一个半导体基体；2).金属薄膜的沉积

在半导体基体表面沉积一层目标金属薄膜。

所述的半导体可以是ge或者si或者si-ge合金，表面无氧化或其他一些杂质层。

所述的沉积的目标金属可以是纯金属或者合金，至少包含一种下列金属元素：al、au、ni、cu、pt、pd或bi等。

所述沉积的目标金属薄膜织构的择优取向与在非半导体基体上沉积的薄膜织构的择优取向不同。

优选沉积的目标金属薄膜晶粒尺寸小于在非半导体基体上沉积的晶粒尺寸。

优选沉积方式为气相沉积。

具体说明如下：

采用气相沉积的方式制备金属薄膜。如图1所示，首先准备一个非半导体基体，对基体进行清洗，然后吹干，在基体上沉积一层半导体层作为基体，或者直接准备一个表面纯净无杂质层的半导体基体；然后在半导体基体表面沉积制备金属薄膜，金属至少包含一种下列金属元素：al、ni、cu、pt、pd、au、bi。

与在非半导体基体上沉积的金属薄膜相比，在半导体基体上沉积的金属薄膜织构发生了明显变化，晶粒尺寸更加细小。

本发明的优点：

1.沉积方式简单，织构变化明显。可以在沉积金属薄膜之前简单地沉积一层半导体层即可明显改变薄膜织构的生长方式，薄膜织构调控成功率高，不需要复杂地调整沉积参数，无需外延生长方法所需的昂贵单晶基体。对于具体方案中的al沉积薄膜，仅需要在ge基体上沉积就能使其织构从传统的低能量面(111)变为了特殊的高能量面(110)。

2.本方法制备的纳米晶金属薄膜晶粒比普通方式沉积的金属薄膜晶粒更加细小，如图4所示，对于al薄膜，晶粒大小从常规的142±78nm变为更小的104±35nm。拥有更好的机械性能，为进一步在催化、微电子器件方面的应用提供了技术支持。

3.在常温下即可沉积薄膜，实现织构显著变化，如图2、图3所示，对于al薄膜，由面心立方金属常见的(111)低能织构变为罕见的(110)高能织构，不需要后续退火加热调控织构的步骤，可以减少能源消耗，如对于al薄膜，热处理必须加热到再结晶温度(350℃)才会发生织构的改变，而且只能向低能态的(111)织构方向发生变化。

附图说明

图1薄膜沉积方案的示意图；

图2分别在sio2和ge基体上沉积的al薄膜的xrd衍射图，传统方法沉积制备的al/sio2薄膜织构呈现明显的fcc金属常见的(111)低能织构，而本发明提出制备的al/ge薄膜呈现特殊的(110)高能织构；

图3分别在sio2和ge基体上沉积的al薄膜的ebsd图，在sio2基体上沉积的al薄膜的ebsd图基本被蓝色区域覆盖，代表(111)织构，在ge基体上沉积的al薄膜的ebsd图基本被绿色区域覆盖，代表(110)织构，本发明提出制备的al/ge薄膜与传统方法沉积制备的al/sio2薄膜取向变化明显；

图4分别在sio2和ge基体上沉积的al薄膜的tem图，本发明提出制备的al/ge薄膜平均晶粒大小为104±35nm，传统方法沉积制备的al/sio2薄膜平均晶粒大小为142±78nm。

具体实施方式

下面通过实例进一步描述本发明的特征，但本发明并不局限于下述实例。

采用热蒸镀的方式，利用克努森蒸发源气相沉积金属al薄膜。首先准备一个惰性氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干；真空腔室的本底真空度为10^-7～10^-8pa，沉积温度为室温；接着预先在基体上热蒸镀一层ge层，沉积厚度为1～10nm，最后在ge基体的基础上继续热蒸镀al薄膜，沉积厚度为100～1000nm。

实施例1

采用热蒸镀的方式，利用克努森蒸发源气相沉积金属al薄膜。首先准备一个惰性sio2氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为10^-8pa，沉积温度为室温。接着预先在基体上热蒸镀一层ge层，沉积厚度为1nm。最后在ge基体的基础上继续热蒸镀al薄膜，沉积厚度为100nm。

同样采用热蒸镀法，首先准备一个惰性sio2氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为10^-8pa，沉积温度为室温。直接在sio2基体上开始热蒸镀al薄膜，沉积厚度为100nm。

如图2中xrd衍射图以及图3中ebsd图所示，制备的al/ge薄膜呈现(110)织构，与直接在sio2基体上制备的al/sio2薄膜的(111)织构区别很大，从图4中晶粒尺寸分布可以看出制备的al/ge薄膜晶粒尺寸为104±35nm，小于al/sio2薄膜中的晶粒尺寸。

实施例2

采用热蒸镀的方式，利用克努森蒸发源气相沉积金属al薄膜。首先准备一个惰性sio2氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为10^-7pa，沉积温度为室温。接着预先在基体上热蒸镀一层ge层，沉积厚度为10nm。最后在ge基体的基础上继续热蒸镀al薄膜，沉积厚度为1000nm。制备的al/ge薄膜呈现(110)织构。

实施例3

采用热蒸镀的方式，利用克努森蒸发源气相沉积金属al薄膜。首先准备一个惰性sio2氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为5×10^-8pa，沉积温度为室温。接着预先在基体上热蒸镀一层ge层，沉积厚度为50nm。最后在ge基体的基础上继续热蒸镀al薄膜，沉积厚度为500nm。制备的al/ge薄膜呈现(110)织构。

实施例4

采用热蒸镀的方式，利用克努森蒸发源气相沉积金属al薄膜。首先准备一个惰性al2o3氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为10^-8pa，沉积温度为室温。接着预先在al2o3基体上热蒸镀一层ge层，沉积厚度为1nm，最后在ge基体的基础上继续热蒸镀al薄膜，沉积厚度为100nm。制备的al/ge薄膜呈现(110)织构。

实施例5

采用热蒸镀的方式，利用克努森蒸发源气相沉积金属al薄膜。首先准备一个惰性al2o3氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为10^-7pa，沉积温度为室温。接着预先在al2o3基体上热蒸镀一层ge层，沉积厚度为10nm，最后在ge基体的基础上继续热蒸镀al薄膜，沉积厚度为1000nm。制备的al/ge薄膜呈现(110)织构。

实施例6

采用热蒸镀的方式，利用克努森蒸发源气相沉积金属al薄膜。首先准备一个惰性al2o3氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为5×10^-8pa，沉积温度为室温。接着预先在al2o3基体上热蒸镀一层ge层，沉积厚度为5nm，最后在ge基体的基础上继续热蒸镀al薄膜，沉积厚度为500nm。制备的al/ge薄膜呈现(110)织构。

实施例7

采用磁控溅射气相沉积金属ni薄膜。首先准备一个惰性sio2氧化层基体，基体在超声波清洗仪中分别用丙酮和异丙醇清洗，然后用加压氮气吹干。真空腔室的本底真空度为10^-5pa，沉积温度为室温。接着预先在sio2基体上溅射沉积一层ge层，沉积厚度为3nm，最后在ge基体的基础上溅射沉积ni薄膜，沉积厚度为300nm。制备的ni/ge薄膜的(110)织构取向比例明显增加。