[发明专利]电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺

说明书

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；Mg₂Si可以在Si基片上外延生长，和传统的Si工艺兼容。Mg₂Si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℃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1.0×10^-3Pa时，对Si基底预加热至200℃，并保持一段时间；当真空度再次小于等于1.0×10^-3Pa时，开始蒸镀；先将电子束聚焦光斑调宽，预蒸发1～2min，正式开始蒸镀；蒸镀时的电子束功率为2～4KW，蒸发速率保持在10～30nm/min，衬底温度为150～200℃。

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-0.01Mpa到-0.1MPa。

在第四过程，退火时间3-7小时,退火温度300℃-500℃。

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-0.01Mpa到-0.1MPa。退火时间3-7小时,退火温度300℃-500℃，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。

附图说明

图1为本发明的样品X射线衍射图，即在500℃退火时间分别为3～7h的X射线衍射图；

图2为本发明的样品扫描电镜图，即在500℃退火时间分别为3～7h的扫描电镜图。

具体实施方式