电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg₂Si薄膜工艺的制作方法

专利名称：：电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg₂Si薄膜工艺的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种环境友好半导体材料Mg2Si薄膜的制备工艺。
背景技术：
：Mg2Si作为一种拥有良好的发展前景的金属硅化物环境友好半导体材料，具有以下特点合金元素Mg、Si的原料资源丰富、地壳蕴藏量大、价格低廉；元素无毒无污染，Mg2Si耐腐蚀、抗氧化；M&Si可以在Si基片上外延生长，和传统的Si工艺兼容。M&Si是一种间接带隙半导体材料，具有0.78ev的带隙宽度，并有两个临近的直接带隙值分别为0.83ev和0.99ev。Mg2Si可以在Si基片上较好的外延生长，与传统Si工艺兼容，减少了生产设备升级带来的成本压力。在光电及热电性质的研究方面，作为一种窄带隙半导体材料，Mg2Si在红外传感器领域有一定的应用前景，通过掺杂不同元素进行分析，证明了Mg2Si具有良好的热电材料应用前景。目前已经有多种技术被应用于Mg2Si薄膜材料的制备，其中包括脉冲激光沉积，分子束外延，离子束合成等，这些方法均存在实验条件苛刻，成本较高，难于工业化推广等缺点。
发明内容本发明要解决的技术问题是，提供一种新的环境友好半导体材料Mg2Si薄膜的制备工艺，以克服现有技术存在的实验条件苛刻，成本较高，难于工业化推广等不足。为了解决所述的技术问题，本发明采用以下技术方案它包括以下过程第一，将Si片清洗干燥；第二，将Si片固定在蒸镀室上方的样品架上，Mg靶放置在蒸发坩埚内；第三，蒸镀；第四，蒸镀后冷却，再取出置于高真空退火炉中在氩气中退火，形成环境友好半导体Mg2Si多晶薄膜。在Si片清洗干燥过程中，先将Si片裁切至所需形状尺寸，将其用10%的氢氟酸浸泡后用去离子水反复冲洗，再分别用无水乙醇、丙酮超声波震荡清洗，再使用去离子水超声波震荡清洗；将清洗干净的样品置于干燥箱中80°C条件下烘烤，至表面完全干燥。在第二过程中，使用高温胶带将Si片固定在蒸镀室上方的样品架上。在蒸镀过程，先对蒸镀室抽真空，当真空度小于等于1.OXICT3Pa时，对Si基底预加热至200°C，并保持一段时间；当真空度再次小于等于1.OXlO-3Pa时，开始蒸镀；先将电子束聚焦光斑调宽，预蒸发12min，正式开始蒸镀；蒸镀时的电子束功率为24KW，蒸发速率保持在1030nm/min，衬底温度为150200°C。在第四过程的冷却，是指蒸镀完成后自然冷却至室温。在第四过程，高真空退火炉中的退火炉背底真空小于等于10_3Pa。在第四过程，退火前，高真空退火炉腔体内通入氩气，并封闭；整个退火过程中，高真空退火炉腔体保持氩气气压为-0.OlMpa到-0.IMPa0在第四过程，退火时间3-7小时，退火温度300°C-500°c。Mg靶纯度为99.98%。形成的环境友好半导体Mg2Si多晶薄膜是指在Si基片上沉积一层厚度200-400nm的金属Mg膜。本发明采用电子束蒸发技术，制备了环境友好半导体Mg2Si薄膜材料。电子束加热的基本原理是，使用被加速的高能电子轰击靶材，由于用于轰击的电子所携带的动能在撞击时大部分转化为热能，而使靶材局部温度急剧升高，凭借这一高温可以使部分靶材升华，从而以气态形式沉积到基片上形成薄膜。本发明首先采用电子束蒸发技术沉积200-400nm纯金属Mg膜在Si单晶基片上，形成Si/Mg薄膜结构，随后置于真空退火炉中退火。退火炉背底真空小于等于10_3Pa，为抑制Mg挥发，退火前腔体内通入氩气，并封闭。整个退火过程中，保持氩气气压为-0.OlMpa到-0.IMPa0退火时间3-7小时，退火温度300°C_500°C，获得高质量Mg2Si半导体薄膜。目前国内尚未见到对该材料的电子束蒸发方法制备工艺及相关热处理条件进行研究的报道。与现有技术相比，本发明具有生产成本较低，能够进行工业化生产的优点。图1为本发明的样品X射线衍射图，即在500°C退火时间分别为37h的X射线衍射图2为本发明的样品扫描电镜图，即在500°C退火时间分别为37h的扫描电镜图。具体实施例方式具体实施例方式通过实验，总结出以下工艺过程(1)将试验用Si片裁切至所需大小。首先，用10%的氢氟酸浸泡3分钟，去除表面的SiO2;之后用去离子水反复冲洗几次，去除残留的氢氟酸；再分别用无水乙醇、丙酮超声波震荡清洗20分钟，目的是去除硅片表面有机物，再使用去离子水超声波震荡清洗5次，每次10分钟。最后将清洗干净的样品置于干燥箱中80°C条件下烘烤，至表面完全干燥为止。(2)试验用Si片由于面积较小，使用高温胶带固定在蒸镀室上方的样品架上。Mg靶直接放置在蒸发坩埚内。(3)对蒸镀室抽真空，当真空度小于等于1.OX10_3Pa时，对Si基底预加热至200°C，并保持一段时间。(4)当真空度再次小于等于1.0XIO-3Pa时，开始蒸镀。先将电子束聚焦光斑调宽，预蒸发lmin，再正式开始。蒸镀时，电子束功率为24KW，蒸发速率保持在15(或20)nm/min，衬底温度为180°C。(5)蒸镀完成后自然冷却至室温，再取出并置于高真空退火炉中。退火炉背底真空小于等于10_3Pa，为抑制Mg挥发，退火前腔体内通入氩气，并封闭。整个退火过程中，保持氩气气压为-O.OlMpa到-0.IMPa0退火时间3_7小时，退火温度450°C，形成环境友好半导体Mg2Si多晶薄膜。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>退火条件高真空導火炉ii火前通入氬退火氛■气，遍火过程中封闭、+保持约04MPa的奮·气__I氛围，在此氮+气氛B·护下退火_图1为500°C不同退火时间制备的样品的X射线衍射图，图中可见，除衬底Si衍射峰外，各衍射峰均为Mg2Si衍射峰，且与PDF标准谱(卡片号65-9365)衍射峰一一对应，说明本发明所述制备条件下，制备了结晶状况好的Mg2Si薄膜。图2为500°C不同退火时间制备的样品表面形貌的扫描电镜图，结果显示Mg2Si晶粒对样品表面覆盖度好，晶粒尺寸较大，表面较为平整。在实验所采用的退火条件下，均有结晶状态良好的Mg2Si薄膜出现。权利要求一种电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜的工艺，其特征在于它包括以下过程第一，将Si片清洗干燥；第二，将Si片固定在蒸镀室上方的样品架上，Mg靶放置在蒸发坩埚内；第三，蒸镀；第四，蒸镀后冷却，再取出置于高真空退火炉中在氩气氛围中退火，形成环境友好半导体Mg2Si多晶薄膜。2.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于在Si片清洗干燥过程中，先将Si片裁切至所需形状尺寸，将其用10%的氢氟酸浸泡后用去离子水反复冲洗，再分别用无水乙醇、丙酮超声波震荡清洗，再使用去离子水超声波震荡清洗；将清洗干净的样品置于干燥箱中80°C条件下烘烤，至表面完全干燥。3.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于在第二过程中，使用高温胶带将Si片固定在蒸镀室上方的样品架上。4.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于在蒸镀过程，先对蒸镀室抽真空，当真空度小于等于1.0X10_3Pa时，对Si基底预加热至200°C，并保持一段时间；当真空度再次小于等于1.0X10_3Pa时，开始蒸镀；先将电子束聚焦光斑调宽，预蒸发12min，正式开始蒸镀；蒸镀时的电子束功率为24KW，蒸发速率保持在1030nm/min，衬底温度为150200°C。5.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于在第四过程的冷却，是指蒸镀完成后自然冷却至室温。6.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于在第四过程，高真空退火炉中的退火炉背底真空小于等于10_3Pa。7.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于在第四过程，退火前，高真空退火炉腔体内通入氩气，并封闭；整个退火过程中，高真空退火炉腔体保持氩气气压为-0.OlMpa到-0.IMPa。8.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜备工艺，其特征在于在第四过程，退火时间3-7小时，退火温度300°C-500°C。9.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于Mg靶纯度为99.98%。10.根据权利要求1所述的电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺，其特征在于形成的环境友好半导体Mg2Si多晶薄膜是指在Si基片上沉积一层厚度200-400nm的金属Mg膜。全文摘要本发明公开了一种电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺。其过程为:将清洗好的Si片置于蒸镀室内，对蒸镀室抽真空并保持。先将电子束聚焦光斑调宽，预蒸发1～2min，再正式开始蒸镀。蒸镀时，电子束功率为2～4KW，蒸发速率保持在10～30nm/min，衬底温度为150～200℃。蒸镀完成后自然冷却至室温，再取出并置于高真空退火炉中。退火炉背底真空小于等于10-3Pa，为抑制Mg挥发，退火前腔体内通入氩气，并封闭。整个退火过程中，保持氩气气压为-0.01MPa到-0.1MPa。退火时间3-7小时,退火温度300℃-500℃，直接形成环境友好半导体Mg2Si多晶薄膜。文档编号C23C14/06GK101798674SQ20101014730公开日2010年8月11日申请日期2010年4月15日优先权日2010年4月15日发明者余志强,张晋敏,肖清泉,谢泉,赵珂杰,陈茜申请人:贵州大学