脈沖激光掃描直接制備α-FeSi₂薄膜的工藝的制作方法

專利名稱：脈沖激光掃描直接制備α-FeSi₂薄膜的工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種Fe-Si化合物，具體地說是Fe-Si化合物的 高溫金屬相(x-FeSi2薄膜的制備方法及采用此方法制備的a-FeSi2薄膜材料。
背景技術：
過渡金屬硅化物Fe-Si化合物中高溫金屬相a-FeSi2，其塊體 材料通常是采用高溫燒結法制備，而對a-FeSi2薄膜的研究則很少見， 一般 采用電子束蒸發將Fe或Fe、 Si按化學計量比沉積于Si基片上，然后在930 °C 以上高溫退火獲得a-FeSi2薄膜。高溫退火易造成材料中雜質擴散，影響集 成電路元器件性能。

發明內容
本發明的目的在于研究出一種新的生產高溫金屬相a-FeSi2 薄膜的制備方法，使工藝更簡單、成本更低廉，易于制備大面積薄膜。本發明首先采用磁控濺射方法，在Si基片上沉積一層厚度約50 — 100 nm的金屬Fe膜，隨后在空氣中采用二極管泵浦激光器(Nd: YAG)產生 的脈沖激光對金屬Fe膜進行掃描，直接獲得Fe-Si化合物中的高溫金屬相 a-FeSi2薄膜。
本發明所指的磁控濺射方法是采用直流磁控濺射方法，在濺射儀中， 以純度為99.95%的金屬鐵作靶材，以Si (100)單晶片作基片，在室溫下 濺射沉積，濺射沉積條件為背底真空2xl(^Pa，濺射氣壓1.0-2.5 Pa， Ar 氣流量15-30 SCCM，濺射功率80-100 W，基片偏壓-50 V，在Si基片上沉 積一層厚50 —100 nm的金屬鐵膜。本發明所指在空氣中采用二極管泵浦激光器((Nd: YAG)產生的脈沖
激光進行掃描，直接獲得Fe-Si化合物中的高溫金屬相ct-FeSi2薄膜條件是: 激光波長 ^1.06pm，脈沖寬度140ns，激光能量密度0.95 J cm氣掃描后 直接形成了a-FeSi2薄膜。 操作分為以下幾步
1. 基片及基片清洗
基片選用Si(100)單晶片，單面拋光，電阻率7 — 13 Q cm。裝入濺射 室前在丙酮、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗10分鐘，用氮氣吹干。
2. 金屬Fe膜的制備
將清洗好的基片置于濺射儀的濺射室內，以純度為99.95%的金屬鐵作 靶材，以Si (100)單晶片作基片，采用直流磁控濺射方法，室溫下在基片 上沉積厚度為50—100 nm的Fe膜。濺射工藝參數如下背底真空2xl(T5 Pa， 濺射氣壓1.0-2.5 Pa， Ar氣流量15-30 SCCM，濺射功率80-110 W，基片偏 壓-50V，沉積時間5-10分鐘(根據膜厚確定)。
3. 脈沖激光掃描Fe膜直接制備a -FeSi2薄膜
磁控濺射沉積的Fe膜，在空氣中采用二極管泵浦激光器(Nd: YAG) 產生的脈沖激光進行掃描，直接獲得Fe-Si化合物中的高溫金屬相a-FeSi2 薄膜。激光波長X4.06pm，脈沖寬度140ns，當激光能量密度0.95 J cm—2 時，掃描后直接形成了a-FeSi2薄膜。
采用本發明生產a-FeSi2薄膜的工藝，由于采用磁控濺射的方法，使沉積 在Si基片上的鐵膜厚度得到嚴格控制，厚度均勻,工藝簡單，成本低,易于制 備大面積薄膜。
本發明采用脈沖激光掃描的方式進行熱處理，它利用聚焦激光斑在樣 品表面極小范圍內(iam量級)，在極短的時間間隔內(ns量級)使溫度快
速升至極高(103 K以上)，使得Fe、 Si原子迅速擴散并直接形成Fe-Si化 合物中的高溫金屬相a-FeSi2薄膜。
采用脈沖激光掃描方法直接形成金屬相a-FeSi2，在基于P-FeSi2的微電 子或光電子器件中作電極或金屬連接，不用引入其它材料，使工藝過程大 大簡化，極大地降低了產品成本并能提高元器件性能(降低雜質含量及其 對器件性能的影響)，這對新型環境友好半導體材料P-FeSi2的開發、應用 具有重要的價值。
對由上述方法制備的a-FeSi2薄膜，采用X-射線衍射(XRD)(日本理 學D/MAX-2200)和掃描電鏡(SEM)(日立S3400N)對晶體結構和表面形貌 進行了表征。分別見圖l和圖2。


圖1脈沖激光掃描制備的a -FeSi2薄膜的XRD譜。 XRD譜證實直接形成了 Fe-Si化合物系統的高溫相a-FeSi2，且具有 (100)擇優取向，圖中，橫座標表示衍射角，縱座標表示衍射強度； 圖2脈沖激光掃描制備的a ^^12薄膜的SEM圖像。 其中圖2a為低倍像(200倍)，a左邊為激光掃描后的薄膜表面，右邊 為掃描前的薄膜表面。圖b為高倍像(5萬倍)。從圖2可知，SEM圖像顯 示樣品表面有晶粒出現，且晶粒分布均勻密集；
圖3不同能量密度的脈搏沖激光掃描Fe/Si膜的XRD譜。 XRD測量結果證實磁控濺射沉積的Fe/Si薄膜用能量密度為0.11-1.65 J cm^脈沖激光掃描后直接形成了 Fe-Si化合物中的高溫金屬相a-FeSi2，薄膜 的結晶性質隨激光能量密度增加而增加，當激光能量密度為0.95 J cm—2時， 薄膜結構的結晶性最好，且為單一a-FeSi2相；當激光能量密度較低時，薄
膜中還有未反應的Fe存在，而激光能量密度較高時，衍射譜中出現了較多 的襯底Si峰，只有當激光能量密度為0.95 J cm—2時，Fe完全反應形成了 a-FeSi2薄膜，且襯底Si只有(400)峰出現。SEM觀察表明，當激光能量 密度較低時，薄膜中只有部分區域結晶，而激光能量密度較高時，樣品中 雖然出現了顯著的晶粒，但同時出現了明顯的激光損傷，因而在XRD譜中 出現了來自襯底Si的多個晶面的衍射峰。僅當激光能量密度為0.95 J cm—2 時，樣品表現結晶顯著，晶粒分布均勻密集，且沒有明顯的激光損傷現象。 結論采用脈沖激光掃描磁控濺射Fe/Si薄膜直接制備(x-FeSi2薄膜 的最佳條件是Fe膜厚50-100 nm，激光能量密度0.95 J cm—2;
圖4不同能量密度脈沖激光掃描Fe/Si膜的SEM圖像，其中圖4a能 量密度1.65 J cm-2，圖4b能量密度為0.95 J cm—2。
具體實施例方式實施例
1. 將單面拋光的Si(100)單晶片(電阻率7—13 Q cm)在丙酮、無水 乙醇和去離子水中各超聲清洗10分鐘，用氮氣吹干。
2. 將清洗好的基片置于濺射室內，抽真空至2xl0—5 Pa，充入99.999% 純Ar氣，濺射過程中保持Ar氣壓強為2.0Pa， Ar氣流量30SCCM，濺射 功率100W，基片偏壓-50V，在基片上沉積Fe膜，沉積時間10分鐘。
3. 取出濺射沉積在Si基片上的Fe膜，在空氣中采用二極管泵浦激光器 (Nd: YAG)產生的脈沖激光進行掃描，激光波長人=1.06 pm，脈沖寬度
140ns，激光能量密度0.11-1.65 Jcm-2，掃描間距10(im。
4. XRD測量證實a-FeSi2的形成，見圖3，圖4為不同能量密度脈沖激 光掃描Fe/Si膜的SEM圖像。
由于本工藝加工的a-FeSi2薄膜厚度均勻，面積大，采用脈沖激光掃描
方法直接形成金屬相a-FeSi2 ，在基于0-FeSi2的微電子或光電子器件中作 電極或金屬連接，不用引入其它材料，使工藝過程大大簡化，這對新型環 境友好半導體材料e-FeSi2的開發，應用具有重要價值，故本發明要求保護 用本發明工藝生產的a -FeSi2薄膜產品。
權利要求
1.一種脈沖激光掃描直接形成α-FeSi2薄膜的制備方法，其特征為首先采用磁控濺射方法在Si基片上沉積一層厚度50-100nm的金屬Fe膜，隨后在空氣中采用二極管泵浦激光器(Nd:YAG)產生的脈沖激光對金屬Fe膜進行掃描，直接獲得Fe-Si化合物中的高溫金屬相α-FeSi2薄膜。
2. 根據權利要求1所述的脈沖激光掃描直接形成a-FeSi2薄膜的制備方 法，其特征是采用直流磁控濺射方法，在濺射儀中，以純度為99.95%的金 屬鐵作靶材，以Si(100)作基片，在Si基片上沉積一層厚度約50 — 100nm 的金屬Fe膜，濺射沉積條件是在室溫下濺射沉積，濺射參數為背底真空 2xl(T5 Pa，濺射氣壓1.0-2.5 Pa，Ar氣流量15-30 SCCM，濺射功率80-100 W， 基片偏壓-50V。
3. 根據權利要求1或2所述的脈沖激光掃描直接形成a-FeSi2薄膜的制 備方法，其特征是對磁控濺射沉積在Si基片上的Fe膜，在空氣中采用二 極管泵浦激光器((Nd: YAG)產生的脈沖激光進行掃描，直接獲得Fe-Si 化合物中的高溫金屬相a-FeSi2薄膜，激光掃描條件是:激光波長X =1.06 p m， 脈沖寬度140ns，激光能量密度0.95 Jcm—2，掃描后直接形成了a-FeSi2薄 膜。
4. 根據權利要求1或2所述脈沖激光掃描直接形成a-FeSi2薄膜的制備 方法，其特征是用該方法獲得的cc-FeSi2薄膜產品。
5. 根據權利要求3所述脈沖激光掃描直接形成a-FeSi2薄膜的制備方 法，其特征是用該方法獲得的a -FeSb薄膜產品。
全文摘要
本發明公開了一種脈沖激光掃描直接制備α-FeSi₂薄膜的工藝，涉及一種Fe-Si化合物，首先采用磁控濺射方法在Si基片上沉積一層厚度50-100nm的金屬Fe膜，隨后在空氣中采用二極管泵浦激光器(Nd:YAG)產生的脈沖激光進行掃描，直接獲得Fe-Si化合物中的高溫金屬相α-FeSi₂薄膜，本工藝加工的α-FeSi₂薄膜厚度均勻、面積大，采用脈沖激光掃描直接形成金屬相α-FeSi₂，在基于β-FeSi₂的微電子或光電子器件中作電極和金屬連接，不用引入其它材料，使工藝過程大大簡化，這對新型環境友好半導體材料β-FeSi₂的開發和應用具有重要價值。
文檔編號C01B33/00GK101337676SQ20081006886
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月12日 優先權日2008年8月12日
發明者平 余, 勇 張, 張晉敏, 楊子儀, 肖清泉, 泉 謝 申請人:貴州大學