一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，步骤为：以Si和Al为靶材进行共溅射，溅射压力为0.1～20Pa，铝靶的溅射功率为30～200W，硅靶的溅射功率为80～300W，在衬底表面沉积得到AlxSi1-x混合薄膜，其中，0.05<x<0.8；再将得到的AlxSi1-x混合薄膜经退火处理后得到所述的面心立方相硅晶体薄膜。本发明专利技术提供了一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，在常压下即可制备得到，薄膜中含有显著的面心立方相硅晶体，薄膜厚度可以达到500nm以上，达到器件应用级水平的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅晶体薄膜的制备领域，具体涉及一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法。
技术介绍
硅材料是当今最重要应用最广泛的半导体材料，其晶体结构为金刚石相结构。事实上，金刚石相是硅的常压相。随着压力增加，硅晶体将从金刚石相依次转变为β-锡相、简单六角相、体心立方相、密堆六角相、面心立方相等不同的高压相结构(Yin and Cohen 1982,Chang and Cohen 1985,Mercer Jr and Chou 1993,Needs and Mujica 1995)，面心立方相是平衡相变压力最高的高压相，也是迄今为止研究较多的高压相硅材料。高压相硅晶体却呈现出明显的金属性，显著不同于作为半导体的金刚石相硅晶体。研究表明，硅的高压相具有一些独特的新性能。例如：面心立方相硅纳米晶具有优良的电导率(Bundy 1964,McMahan and Moriarty1983)、光致发光效应(Du,Qin et al.2007,Hu,Zhang et al.2011)、低温超导性质(Chang,Dacorogna et al.1985)等。显然，制备和研究硅的高压相具有重要的科学价值和潜在的应用前景。目前关于高压相硅材料的研究报道依然屈指可数。迄今为止，仅有为数不多的工作研究了晶体硅材料的高压相变。实验上，Bundy等人于1964年采用高压带设备(a high-compression belt apparatus)验证了硅的高压相变，他指出在室温下条件下，当外界压强接近12GPa时，半导体晶体硅将开始转变为高压金属相(Bundy 1964)；然而他并没有进一步分析高压金属相的晶体结构。Duclos等则在实验上观测到面心立方相硅晶体的形成压力约为78±3GPa(Duclos,Vohra et al.1987)。除了实验以外，科学家们还借助理论方法研究硅晶体的高压相变，这些方法包括：局域密度泛函(Yin and Cohen 1982)、赝式理论(Chang and Cohen 1985)、紧束缚理论(Mercer Jr and Chou 1993)、第一性原理赝势法(Needs and Mujica 1995)等。理论预测，面心立方相硅晶体的相变形成压力约为80-90GPa(Chang and Cohen 1985,Needs and Mujica 1995)。显然，平衡相变压力过高阻碍了高压相硅材料的制备和应用。近年来，科学家们在多种的制备方法中发现纳米尺寸的面心立方相硅晶体的存在：激光烧蚀硅片表面法(Du,Qin et al.2007)、微波射频辅助气相沉积硅薄膜法(Viera,Mikikian et al.2002)、大衬底偏压辅助磁控溅射法SiOx薄膜(Lu,Du et al.2007,Hu,Zhang et al.2011)、离子束照射法SiOx薄膜(Saxena,Kumar et al.2012)、快速退火处理SiCx薄膜法(Zeng,Chen et al.2012,Cheng,Zeng et al.2013)等。上述5种方法的共同点是在远低于相变平衡压力下制备出了纳米尺度的相变平衡压力最大的面心立方相硅晶体。不过，这些方法的制备出的面心立方相硅晶体材料仍难以在半导体器件中使用，其相应的缺点如下：激光烧蚀硅片表面法只能制备出量很少的分散的面心立方相硅纳米颗粒；微波射频辅助气相沉积硅薄膜法只能制备出金刚石相和面心立方相混杂的硅薄膜，且面心立方相硅晶体的含量很低且不存在完整的颗粒状晶体；大衬底偏压辅助磁控溅射法采用接近1000V的衬底偏压，薄膜受离子轰击严重，且面心立方相晶体镶嵌在SiOx中而不具有导电性；离子束照射法SiOx薄膜同样只能获得镶嵌在SiOx中的面心立方相硅晶体；快速退火处理SiCx薄膜法获得的面心立方相硅晶体镶嵌在SiC中在薄膜中，且晶体的含量很低，仅分布于薄膜表面几十纳米范围内。总的来说，上述方法存在的问题大致可以归结于以下几个方面：分散颗粒的面心立方相硅晶体存在量少的问题，镶嵌在硅化物薄膜中的面心立方相硅晶体则存在晶体含量低，以至无法通过掠入射X射线(GI-XRD)检测到面心立方相硅晶体的存在，另外还存在薄膜厚度小、导电性能差等问题。总之，上述方法获得的面心立方相硅晶体均达不到器件级应用的要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，在常压下即可制备得到，薄膜中含有显著的面心立方相硅晶体，薄膜厚度可以达到500nm以上，达到器件应用级水平的要求。一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)以Si和Al为靶材进行共溅射，溅射压力为0.1～20Pa，铝靶的溅射功率为30～200W，硅靶的溅射功率为80～300W，在衬底表面沉积得到AlxSi1-x混合薄膜，其中，0.05<x<0.8；(2)步骤(1)得到的AlxSi1-x混合薄膜经退火处理后得到所述的面心立方相硅晶体薄膜。固相形核可以由吉布斯自由能理论描述，晶核的吉布斯自由能由表面吉布斯自由能和体吉布斯自由能两部分构成；在纳米尺度下，表面吉布斯自由能有可能占据主导因素，从而使得表面能较小的高压相晶核在形核竞争中优先形成(Zeng,Chen et al.2012,Cheng,Zeng et al.2013)。经研究发现，通过引入铝杂质，可以有效降低铝硅前驱体薄膜的熔点，有效提高分相过程中母相的流动性、降低母相与晶核之间的表面能；同时，通过引入铝杂质也有利于减小铝硅合金与面心立方相硅晶体的晶格失配度，从而降低晶核的表面能。我们可以得出结论：采用铝硅薄膜前驱体可以有效促使面心立方相硅纳米晶核在形核竞争过程中优先形成，这在国内外尚未见相关报道。作为优选，步骤(1)中，所述的衬底为硅片或石英片。作为优选，步骤(1)中，所述衬底的温度为20～600℃。作为优选，步骤(1)中，溅射的本底真空度为1×10-3Pa，以高纯氩气或惰性气体中的至少一种作为溅射保护气氛。作为优选，步骤(1)中，通过调节硅靶的溅射功率为100～250W和铝靶的溅射功率为30～120W，在衬底表面沉积得到0.1<x<0.7的AlxSi1-x混合薄膜。作为优选，步骤(2)中，所述退火处理以高纯氩气或惰性气体中的至少一种作为溅射保护气氛，具体步骤为：在800～1400℃下处理30～120s；或者为：先在400～800℃下处理60～240s，再在800～1400℃下处理30～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以Si和Al为靶材进行共溅射，溅射压力为0.1～20Pa，铝靶的溅射功率为30～200W，硅靶的溅射功率为80～300W，在衬底表面沉积得到AlxSi1‑x混合薄膜，其中，0.05<x<0.8；(2)步骤(1)得到的AlxSi1‑x混合薄膜经退火处理后得到所述的面心立方相硅晶体薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下
步骤：
(1)以Si和Al为靶材进行共溅射，溅射压力为0.1～20Pa，铝靶的
溅射功率为30～200W，硅靶的溅射功率为80～300W，在衬底表面沉积得
到AlxSi1-x混合薄膜，其中，0.05<x<0.8；
(2)步骤(1)得到的AlxSi1-x混合薄膜经退火处理后得到所述的面
心立方相硅晶体薄膜。
2.根据权利要求1所述的面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，其特
征在于，步骤(1)中，所述的衬底为硅片或石英片。
3.根据权利要求1所述的面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，其特
征在于，步骤(1)中，所述衬底的温度为20～600℃。
4.根据权利要求1所述的面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，其特
征在于，步骤(1)中，溅射的本底真空度为1×10-3Pa，以高纯氩气或惰
性气体中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋伟杰，曾俞衡，谭瑞琴，刘超，黄金华，王维燕，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33