專利名稱：：環境友好半導體材料Mg₂Si薄膜的磁控濺射制備工藝的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的制備工藝。
背景技術：
：Mg2Si材料不僅具有良好的半導體性能，擁有約0.78eV的帶隙寬度，而且Si、Mg元素的資源壽命極長，地層蘊藏量大，能循環利用，對地球無污染，屬于環境友好半導體材料。如今，Mg2Si作為很有應用前景的光電與熱電材料，成為該領域的研究熱點之一。在現有的環境友好半導體Mg2Si薄膜的制備方法中，通常采用分子束外延、離子束濺射等制備方法。分子束外延生長方法具有可得到高純度、高性能的外延薄膜，精確地控制外延層厚度等優點，但其設備價格高昂，維護費用高，更重要的是分子束外延生長方法不適用于工業化的大規模批量生產，常用于基礎科研。而離子束濺射方法濺射的薄膜均勻性比較差、鍍膜效率比較低。
發明內容本發明要解決的技術問題是，提供一種新的環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的制備工藝，以克服現有技術存在的分子束外延生長方法不適用于工業化的大規模批量生產，或離子束濺射方法濺射的薄膜均勻性比較差、鍍膜效率比較低等不足。為了解決所述的技術問題，本發明采取以下技術方案該方案包括以下過程首先，清洗Si基片；其次，將清洗后的Si基片送入真空磁控濺射系統的濺射室，在Si單晶上沉積Mg膜，形成Si/Mg薄膜結構；最后，將Si/Mg薄膜結構放置于真空退火爐內在氬氣氛圍下350-550°C退火3-8小時，形成環境友好半導體Mg2Si薄膜。在濺射Mg膜前，先對預先裝在濺射室的Mg預濺射，去除Mg靶上的氧化物。退火前對退火爐抽真空，使其背底真空小于等于10_3Pa時往真空退火爐內通入氬氣。退火過程中，保持退火爐腔體內氬氣氣壓為10_104Pa的氬氣氛圍。采用高真空磁控濺射系統在Si單晶上沉積200-500nmMg膜。室溫下濺射沉積條件如下濺射氣壓0.5Pa-3.OPa,氬氣流量5SCCm-30SCCm，濺射功率60WllOffo以往，即使有人采用采用高真空磁控濺射方法想制備Mg2Si薄膜，若選用熱處理方式不對，也不能制備出Mg2Si薄膜。而本發明采用封閉氬氣氛圍下退火方式，制備出了高質量的環境友好半導體Mg2Si薄膜。因為按照通常退火方式，就是采用真空情況下熱處理，達到防氧化目的。若制備Mg2Si薄膜采用真空情況下熱處理，雖防止了氧化，但由于金屬Mg在高溫下具有揮發性，所以在熱處理的過程中Mg揮發，制備不了Mg2Si薄膜。本發明采用的新的熱處理方式，即首先對退火爐抽真空，抽成高真空，然后往退火爐內通入大量氬氣，之后封閉，這樣在封閉的、氬氣氛圍下熱處理，制備了Mg2Si薄膜。這種熱處理方式，既防氧化又防揮發。首先對退火爐抽真空，后又通入氬氣，這樣防氧化；然后封閉退火爐，這樣可以抑制揮發，制備出Mg2Si薄膜。環境友好半導體Mg2Si薄膜由地球上儲量極為豐富的Si、Mg兩種元素組成，長期使用也對生物體和環境無毒無害，帶隙約0.78eV，屬于新型環境友好環境友好半導體材料，可用于環境友好半導體光電與熱電領域，如太陽能電池、紅外探測器等。與現有技術相比，本發明的磁控濺射法具有鍍膜層與基片的結合力強、鍍膜層致密、均勻等優點，更重要的是適用于工業化的大規模批量生產。此外，采用封閉、氬氣氛圍熱處理方式，有利于Mg2Si薄膜的形成。圖1為本發明的500°C、5小時退火條件下不同濺射功率制備的M&Si薄膜的X射線衍射圖2-圖7為本發明的500°C、5小時退火條件下不同濺射功率制備的Mg2Si薄膜的掃描電鏡圖；其濺射功率分別為60W、70W、80W、90W、100W、110W；圖8為400°C、5小時退火條件下不同Mg膜厚度的X射線衍射圖；圖9-圖13為400°C、5小時退火條件下不同Mg膜厚度的掃描電鏡圖，其厚度分別為280nm,330nm,380nm,430nm,480nm。具體實施例方式本發明的實施例1:(1)清洗Si基片。Si基片分別用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗20分鐘，然后在氫氟酸稀溶液中浸蝕60秒，再去離子水超聲清洗，吹干后送入磁控濺射系統的樣品室，進行反濺射清潔Si基片表面。之后送入磁控濺射系統的濺射室。(2)在Si基片上濺射沉積Mg膜。在濺射Mg膜前，首先對預先裝在濺射室的Mg靶預濺射，去除Mg靶上的氧化物，接下來就按照表1的濺射條件濺射沉積Mg膜，形成Si/Mg結構薄膜。(3)對上面制備的樣品熱處理，制備出環境友好半導體Mg2Si薄膜。從磁控濺射系統的濺射室中取出樣品，放置于真空退火爐內。對真空退火爐抽真空，退火爐背底真空小于等于10_3Pa。為抑制Mg的揮發和氧化，退火前往高真空的退火爐內通入氬氣，然后封閉退火爐進行退火處理。整個退火過程中，保持退火爐腔體內氬氣氣壓為10_104Pa的氬氣氛圍，在氬氣氛圍下500°C退火5小時，直接形成環境友好半導體Mg2Si薄膜。圖1中所示不同的Mg膜厚度的X射線衍射圖，除了明顯的Si襯底衍射峰外，其余都是Mg2Si衍射峰，說明制備了高質量的Mg2Si薄膜。圖2-圖7中所示的不同Mg膜厚度的掃描電鏡圖，生成的Mg2Si晶粒分布均勻，說明制備的Mg2Si薄膜質量很好。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本發明的實施例2:(1)清洗Si基片。Si基片分別用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗20分鐘，然后在氫氟酸稀溶液中浸蝕60秒，再去離子水超聲清洗，吹干后送入磁控濺射系統的樣品室，進行反濺射清潔Si基片表面。之后送入磁控濺射系統的濺射室。(2)在Si基片上濺射沉積Mg膜。在濺射Mg膜前，首先對預先裝在濺射室的Mg靶預濺射，去除Mg靶上的氧化物，接下來就按照表2的濺射條件濺射沉積Mg膜，形成Si/Mg結構薄膜。(3)對上面制備的樣品熱處理，制備出環境友好半導體Mg2Si薄膜。從磁控濺射系統的濺射室中取出樣品，放置于真空退火爐內。對真空退火爐抽真空，退火爐背底真空小于等于10_3Pa。為抑制Mg的揮發和氧化，退火前往高真空的退火爐內通入氬氣，然后封閉退火爐進行退火處理。整個退火過程中，保持退火爐腔體內氬氣氣壓約300Pa的氬氣氛圍，在氬氣氛圍下400°C退火5小時，直接形成環境友好半導體Mg2Si薄膜。圖8所示意的400°C、5小時退火條件下不同Mg膜厚度的X射線衍射圖，除了明顯的Si襯底衍射峰外，其余都是Mg2Si衍射峰，說明制備了高質量的Mg2Si薄膜。圖9-圖13所示意的400°C、5小時退火條件下不同Mg膜厚度的掃描電鏡圖，生成的Mg2Si晶粒分布均勻，說明制備的Mg2Si薄膜質量很好。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權利要求一種環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的磁控濺射制備工藝，其特征在于它包括以下過程首先，清洗Si基片；其次，將清洗后的Si基片送入真空磁控濺射系統的濺射室，在Si單晶上沉積Mg膜，形成Si/Mg薄膜結構；最后，將Si/Mg薄膜結構放置于真空退火爐內在氬氣氛圍下350-550℃退火3-8小時，形成環境友好半導體Mg2Si薄膜。2.根據權利要求1所述的環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的磁控濺射制備工藝，其特征在于在濺射Mg膜前，先對預先裝在濺射室的Mg預濺射，去除Mg靶上的氧化物。3.根據權利要求1所述的環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的磁控濺射制備工藝，其特征在于退火前對退火爐抽真空，使其背底真空小于等于10_3Pa時往真空退火爐內通入氬氣。4.根據權利要求1所述的環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的磁控濺射制備工藝，其特征在于退火過程中，保持退火爐腔體內氬氣氣壓為10_104Pa的氬氣氛圍。5.根據權利要求1所述的環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的磁控濺射制備工藝，其特征在于采用高真空磁控濺射系統在Si單晶上沉積200-500nmMg膜。6.根據權利要求1所述的環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的磁控濺射制備工藝，其特征在于室溫下濺射沉積條件如下濺射氣壓0.5Pa-3.OPa，氬氣流量5SCCm-30SCCm，濺射功率60WllOffo全文摘要本發明公開了一種環境友好半導體材料Mg2Si薄膜的磁控濺射制備工藝，它包括首先清洗Si基片；其次采用高真空磁控濺射系統在Si單晶上沉積200-500nm純金屬Mg膜，形成Si/Mg薄膜結構；最后放置于真空退火爐內。對真空退火爐抽真空，退火爐背底真空小于等于10-3Pa，往高真空的退火爐內通入氬氣，然后封閉退火爐進行退火處理。整個退火過程中，保持退火爐腔體內氬氣氣壓為10-104Pa的氬氣氛圍、350-550℃退火3-8小時,直接形成環境友好半導體Mg2Si薄膜。本發明的磁控濺射法制備工藝，具有鍍膜層與基片的結合力強、鍍膜層致密、均勻等優點，適用于工業化的大規模批量生產。文檔編號C23C14/06GK101798680SQ20101014730公開日2010年8月11日申請日期2010年4月15日優先權日2010年4月15日發明者張晉敏,肖清泉,謝泉申請人:貴州大學