一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法
一种面心立方相硅晶体薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及娃晶体薄膜的制备领域，具体设及一种面屯、立方相娃晶体薄膜的制备 方法。
【背景技术】
[0002] 娃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，金刚石相是娃的常压相。随着压力增加，娃晶体将从金刚石相依次转变为0-锡相、 简单六角相、体屯、立方相、密堆六角相、面屯、立方相等不同的高压相结构（YinandCohen 1982,QiangandCohen1985,MercerJrandQiou1993,NeedsandMujica1995)，面屯、 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娃材料。
[0003] 高压相娃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娃 晶体。研究表明，娃的高压相具有一些独特的新性能。例如；面屯、立方相娃纳米晶具有 优良的电导率炬undy1964,McMahanandMoriarty1983)、光致发光效应值u,Qinet al.2007,Hu,Zhangetal.2011)、低温超导性质（Qiang,Dacoro即aetal. 198巧等。显然， 制备和研究娃的高压相具有重要的科学价值和潜在的应用前景。
[0004] 目前关于高压相娃材料的研究报道依然屈指可数。迄今为止，仅有为数不多的 工作研究了晶体娃材料的高压相变。实验上，Bundy等人于1964年采用高压带设备（a hi曲-compressionbeltapparatus)验证了娃的高压相变，他指出在室温下条件下，当外 界压强接近12G化时，半导体晶体娃将开始转变为高压金属相炬undy1964);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屯、立方相娃晶体的 形成压力约为78±36?3值11(31〇3，￥〇虹3日*31.1987)。除了实验^外，科学家们还借助理 论方法研究娃晶体的高压相变，该些方法包括；局域密度泛函（YinandCohen1982)、腰 式理论（QiangandCohen1985)、紧束缚理论（MercerJrandQiou1993)、第一性原理 腰势法（NeedsandMujica1995)等。理论预测，面屯、立方相娃晶体的相变形成压力约为 80-90GPa(ChangandCohen1985,NeedsandMujica1995)。显然，平衡相变压力过高阻 碍了高压相娃材料的制备和应用。
[0005] 近年来，科学家们在多种的制备方法中发现纳米尺寸的面屯、立方相娃晶体 的存在：激光烧蚀娃片表面法值u，Qin et al.2007)、微波射频辅助气相沉积娃薄膜 法（Viera,Mikikian et al.2002)、大衬底偏压辅助磁控瓣射法Si〇x薄膜（Lu,Duet al. 2007,Hu,Zhang et al. 2011)、离子束照射法Si〇x薄膜（Saxena, Kumar et al. 2012)、快 速退火处理SiCy薄膜法狂eng, Qien et al.2012, Qieng, 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屯、 立方相娃晶体。不过，该些方法的制备出的面屯、立方相娃晶体材料仍难W在半导体器件中 使用，其相应的缺点如下：激光烧蚀娃片表面法只能制备出量很少的分散的面屯、立方相娃 纳米颗粒；微波射频辅助气相沉积娃薄膜法只能制备出金刚石相和面屯、立方相混杂的娃薄 膜，且面屯、立方相娃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瓣 射法采用接近looov的衬底偏压，薄膜受离子轰击严重，且面屯、立方相晶体镶嵌在SiO,中 而不具有导电性；离子束照射法Si(v薄膜同样只能获得镶嵌在Sio,中的面屯、立方相娃晶 体；快速退火处理SiC,薄膜法获得的面屯、立方相娃晶体镶嵌在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W归 结于W下几个方面；分散颗粒的面屯、立方相娃晶体存在量少的问题，镶嵌在娃化物薄膜中 的面屯、立方相娃晶体则存在晶体含量低，W至无法通过掠入射X射线（GI-XRD)检测到面屯、 立方相娃晶体的存在，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 面屯、立方相娃晶体均达不到器件级应用的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种面屯、立方相娃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屯、立方相娃晶体，薄膜厚度可W达到500nmW上，达到器件应用级水 平的要求。
[0007] -种面屯、立方相娃晶体薄膜的制备方法，包括如下步骤；
[0008] (1)WSi和A1为祀材进行共瓣射，瓣射压力为0. 1~20化，侣祀的瓣射功率为 30~200W，娃祀的瓣射功率为80~300W，在衬底表面沉积得到Al,SiiV混合薄膜，其中， 0. 05<x<0. 8 ;
[000引 似步骤（1)得到的Al,Sii_x混合薄膜经退火处理后得到所述的面屯、立方相娃晶 体薄膜。
[0010] 固相形核可W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狂eng,化enet al. 2012,化eng,Zengetal. 2013)。经研究发现，通过引入侣杂质，可W有效降低侣娃前驱 体薄膜的烙点，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， 通过引入侣杂质也有利于减小侣娃合金与面屯、立方相娃晶体的晶格失配度，从而降低晶核 的表面能。我们可W得出结论：采用侣娃薄膜前驱体可W有效促使面屯、立方相娃纳米晶核 在形核竞争过程中优先形成，该在国内外尚未见相关报道。
[0011] 作为优选，步骤（1)中，所述的衬底为娃片或石英片。
[0012] 作为优选，步骤（1)中，所述衬底的温度为20~600°C。
[0013] 作为优选，步骤（1)中，瓣射的本底真空度为IXl(T3pa，W高纯氣气或惰性气体中 的至少一种作为瓣射保护气氛。
[0014] 作为优选，步骤（1)中，通过调节娃祀的瓣射功率为100~250W和侣祀的瓣射功 率为30~120W，在衬底表面沉积得到0.Kx<0. 7的Al,Sii_，混合薄膜。
[0015] 作为优选，步骤（2)中，所述退火处理W高纯氣气或惰性气体中的至少一种作为 瓣射保护气氛，具体步骤为：
[0016]在 800 ~1400°C下处理 30 ~120s;
[0017] 或者为；
[0018] 先在400~800°C下处理60~240s，再在800~1400°C下处理30~180s。
[0019] 进一步优选，所述退火处理的步骤为；先在600~800°C下处理60~240s，再在 1000 ~1200°C下处理 30 ~180s。
[0020] 本方法制备得到的薄膜中含有显著的面屯、立方相娃晶体，可W通过掠入射X射 线衍射谱（Grazing-IncidenceX-rayDiffraction,GI-X畑）和透射电镜（Transmission ElectronMicroscope,TEM)等方法清楚地观察到薄膜中的面屯、立方相娃晶体。
[0021] 制备得到的薄膜厚度可W达到500nmW上，具有良好的导电性能，其特征电阻率 约为0. 5~5毫欧姆?厘米，方块电阻约为10~100欧姆。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0023] 本发明通过侣娃合金前驱薄膜的诱导作用，在常压高温下即可制备出娃的高压相 薄膜一一面屯、立方相娃晶体薄膜。该方法避开了制备高压相材料通常所需要的高压条件， 从而极大地降低了制备高压相材料的难度。此方法制备出的薄膜厚度可W大于500nm，电阻 率低于0.01Q.cm,具有器件级应用潜力。此外，该薄膜的制备方法所用的设备和工艺与现 行成熟的娃器件平面工艺完全兼容。
【附图说明】
[0024] 图1为立方金刚石相娃晶体、面屯、立方相娃晶体和面屯、立方相侣晶体的晶体结构 示意图及对应的XRD衍射特征峰位；
[00巧]其中，cd-立方金刚石相，fee-面屯、立方相，Si-娃，4^侣
[0026]图2为实施例1制备得到的薄膜的表征：
[0027] (a)GI-XRD衍射图谱及其在各个特征峰位附近的精细扫描谱、化）透射电镜下的 形貌图、高分辨图、选区电子衍射图和能谱图；
[0028] 图3为实施例2制备得到的薄膜的GI-XRD衍射全谱和GI-XRD局部特征峰谱；
[0029] 图4为实施例3、对比例1和对比例2中分别制备的S种薄膜的GI-XRD局部特征 峰谱。
【具体实施方式】
[0030]W下结合附图进一步说明本发明。
[00引]实施例1
[0032] 采取如下工艺步骤；
[0033] (1)清洗P型<100〉、电阻率为1~100欧姆?厘米、大小为20X20毫米、厚度为 470微米的娃片，接着放入射频磁控瓣射装置的生长腔室中，腔内真空度抽至1X1(T中a,W Si和A1为祀材，其中娃的瓣射功率为100瓦，侣的瓣射功率为30瓦，W高纯Ar气作为瓣射 保护气氛，在5化压强下，在娃片上利用沉积一层厚度约为500皿、组分约为Alu.2Si。.8的侣 娃混合薄膜；
[0034] (2)将侣娃混合薄膜放入快速热退火炉中，采用高纯Ar气作为保护气氛进行 600°C/60s+1200°C/90s两步退火处理，待炉温冷却至W后取出样品。
[00巧]对薄膜分别采用掠入射X射线（GI-XRD)和透射电镜（TEM)进行分析表征并获得 如图2的结果。
[0036] 需要说明的是，GI-X畑的探测光波长约为1. 5406埃米。
[0037] 从图2 (a)的GI-X畑图谱可W看出，42. 2。-42. 7。峰位对应的晶面间距约 2.14-2. 12A，此区间峰位归属于发生晶格崎变的小尺寸面屯、立方娃纳米晶。纳米晶的晶格 崎变通常是由于应力和杂质等因素引起的。
[0038]从图2化）的TEM图可知，TEM检测到的晶面间距与理论值存在一定的偏差 (±0.Olnm)，即使是同一晶粒不同位置的晶面间距也存在偏差。
[00測实施例2
[0040] 采取如下工艺步骤：
[0041] (1)清洗P型<100〉、电阻率为1~100欧姆?厘米、大小为20X20毫米、厚度为 470微米的娃片，接着放入射频磁控瓣射装置的生长腔室中，腔内真空度抽至1X1(T中a,W Si和A1为祀材，其中娃的瓣射功率为100瓦，侣的瓣射功率为30瓦，W高纯Ar气作为瓣射 保护气氛，在5化压强下，在娃片上利用沉积一层厚度约为500皿、组分约为Alu.2Si。.8的侣 娃混合薄膜；
[0042] (2)将侣娃混合薄膜放入快速热退火炉中，采用高纯Ar气作为保护气氛进行单步 1200°C下高温处理90秒，待炉温冷却至W后取出样品。
[0043] 对薄膜采用掠入射X射线（GI-XRD)进行表征并获得如图3的结果。
[0044] 由图3的GI-XRD图中可W看到，该薄膜中的主要物相为面屯、立方相娃晶体，同 时也含有少量面屯、立方相侣晶体和其他侣娃相，不含有金刚石相娃晶体。佑I-XRD图中的 40.5°峰对应面屯、立方相娃晶体的特征峰位；39. 4°峰对应侣晶体的特征峰位。）
[004引 实施例3
[0046] 采取如下工艺步骤：
[0047] (1)清洗P型<100〉、电阻率为1~100欧姆?厘米、大小为20X20毫米、厚度为 470微米的娃片，接着放入射频磁控瓣射装置的生长腔室中，腔内真空度抽至IX1(T中a, WSi和A1为祀材，其中娃的瓣射功率为100瓦，侣的瓣射功率分别为30瓦，W高纯Ar气 作为瓣射保护气氛，在5化压强下，在娃片上利用沉积一层厚度约为500nm、组分分别约为 Alc.wSia.gs、Ala.sSia.s和A1a.sSia.2的侣娃混合薄膜；
[0048] (2)将侣娃混合薄膜放入快速热退火炉中，采用高纯Ar气作为保护气氛进行 700°C/60s+1200°C/90s两步退火处理，待炉温冷却至W后取出样品。
[004引 对比例1
[0050]采用与实施例3相同的步骤，区别仅在于侣的瓣射功率为15瓦。
[00川 对比例2
[0052] 采用与实施例3相同的步骤，区别仅在于侣的瓣射功率为200瓦。
[0053] 对实施例3与对比例1、对比例2制备的S种薄膜分别采用掠入射X射线佑I-XRD) 进行分析表征并获得如图4的结果，图4中，（a)为对比例1制备的薄膜，化）为实施例3制 备的薄膜，（C)为对比例2制备的薄膜。
[0054] 由图4可知，过低（Ala.wSi。.％)或过高（Ala.sSia.2)的侣浓度均不能显著诱导面屯、 立方相娃纳米晶的形成；而只有适当侣浓度才能显著诱导面屯、立方相娃纳米晶的形成。
[00巧]总的来说，采用本发明的制备方法获得的薄膜样品中发现显著的面屯、立方相娃(feeSi),同时也有少量侣相（feeA1)和尚未完全确认组分的侣娃合金相，但是没有发现 金刚石相娃相（cdSi)。
【主权项】
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AlxSih混合薄膜，其中， 0. 05<x<0. 8 ； (2) 步骤（1)得到的AlxSih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 °C。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IXKT3Pa,以高纯氩气或惰性气体中的至少一种作为溅射保护气 氛。5. 根据权利要求1~4任一权利要求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，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AlxSipx混合薄膜。6. 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（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°C下处理30~120s; 或者为： 先在400~800°C下处理60~240s，再在800~1400°C下处理30~180s。7. 根据权利要求6所述的面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述退火 处理的步骤为：先在600~800°C下处理60~240s，再在1000~1200°C下处理30~180s。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】H01L21/02, H01L21/20
【公开号】CN104900496
【申请号】CN201510223751
【发明人】宋伟杰, 曾俞衡, 谭瑞琴, 刘超, 黄金华, 王维燕
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月5日
【技术领域】
[0001] 本发明设及娃晶体薄膜的制备领域，具体设及一种面屯、立方相娃晶体薄膜的制备 方法。
【背景技术】
[0002] 娃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，金刚石相是娃的常压相。随着压力增加，娃晶体将从金刚石相依次转变为0-锡相、 简单六角相、体屯、立方相、密堆六角相、面屯、立方相等不同的高压相结构（YinandCohen 1982,QiangandCohen1985,MercerJrandQiou1993,NeedsandMujica1995)，面屯、 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娃材料。
[0003] 高压相娃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娃 晶体。研究表明，娃的高压相具有一些独特的新性能。例如；面屯、立方相娃纳米晶具有 优良的电导率炬undy1964,McMahanandMoriarty1983)、光致发光效应值u,Qinet al.2007,Hu,Zhangetal.2011)、低温超导性质（Qiang,Dacoro即aetal. 198巧等。显然， 制备和研究娃的高压相具有重要的科学价值和潜在的应用前景。
[0004] 目前关于高压相娃材料的研究报道依然屈指可数。迄今为止，仅有为数不多的 工作研究了晶体娃材料的高压相变。实验上，Bundy等人于1964年采用高压带设备（a hi曲-compressionbeltapparatus)验证了娃的高压相变，他指出在室温下条件下，当外 界压强接近12G化时，半导体晶体娃将开始转变为高压金属相炬undy1964);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屯、立方相娃晶体的 形成压力约为78±36?3值11(31〇3，￥〇虹3日*31.1987)。除了实验^外，科学家们还借助理 论方法研究娃晶体的高压相变，该些方法包括；局域密度泛函（YinandCohen1982)、腰 式理论（QiangandCohen1985)、紧束缚理论（MercerJrandQiou1993)、第一性原理 腰势法（NeedsandMujica1995)等。理论预测，面屯、立方相娃晶体的相变形成压力约为 80-90GPa(ChangandCohen1985,NeedsandMujica1995)。显然，平衡相变压力过高阻 碍了高压相娃材料的制备和应用。
[0005] 近年来，科学家们在多种的制备方法中发现纳米尺寸的面屯、立方相娃晶体 的存在：激光烧蚀娃片表面法值u，Qin et al.2007)、微波射频辅助气相沉积娃薄膜 法（Viera,Mikikian et al.2002)、大衬底偏压辅助磁控瓣射法Si〇x薄膜（Lu,Duet al. 2007,Hu,Zhang et al. 2011)、离子束照射法Si〇x薄膜（Saxena, Kumar et al. 2012)、快 速退火处理SiCy薄膜法狂eng, Qien et al.2012, Qieng, 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屯、 立方相娃晶体。不过，该些方法的制备出的面屯、立方相娃晶体材料仍难W在半导体器件中 使用，其相应的缺点如下：激光烧蚀娃片表面法只能制备出量很少的分散的面屯、立方相娃 纳米颗粒；微波射频辅助气相沉积娃薄膜法只能制备出金刚石相和面屯、立方相混杂的娃薄 膜，且面屯、立方相娃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瓣 射法采用接近looov的衬底偏压，薄膜受离子轰击严重，且面屯、立方相晶体镶嵌在SiO,中 而不具有导电性；离子束照射法Si(v薄膜同样只能获得镶嵌在Sio,中的面屯、立方相娃晶 体；快速退火处理SiC,薄膜法获得的面屯、立方相娃晶体镶嵌在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W归 结于W下几个方面；分散颗粒的面屯、立方相娃晶体存在量少的问题，镶嵌在娃化物薄膜中 的面屯、立方相娃晶体则存在晶体含量低，W至无法通过掠入射X射线（GI-XRD)检测到面屯、 立方相娃晶体的存在，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 面屯、立方相娃晶体均达不到器件级应用的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种面屯、立方相娃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屯、立方相娃晶体，薄膜厚度可W达到500nmW上，达到器件应用级水 平的要求。
[0007] -种面屯、立方相娃晶体薄膜的制备方法，包括如下步骤；
[0008] (1)WSi和A1为祀材进行共瓣射，瓣射压力为0. 1~20化，侣祀的瓣射功率为 30~200W，娃祀的瓣射功率为80~300W，在衬底表面沉积得到Al,SiiV混合薄膜，其中， 0. 05<x<0. 8 ;
[000引 似步骤（1)得到的Al,Sii_x混合薄膜经退火处理后得到所述的面屯、立方相娃晶 体薄膜。
[0010] 固相形核可W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狂eng,化enet al. 2012,化eng,Zengetal. 2013)。经研究发现，通过引入侣杂质，可W有效降低侣娃前驱 体薄膜的烙点，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， 通过引入侣杂质也有利于减小侣娃合金与面屯、立方相娃晶体的晶格失配度，从而降低晶核 的表面能。我们可W得出结论：采用侣娃薄膜前驱体可W有效促使面屯、立方相娃纳米晶核 在形核竞争过程中优先形成，该在国内外尚未见相关报道。
[0011] 作为优选，步骤（1)中，所述的衬底为娃片或石英片。
[0012] 作为优选，步骤（1)中，所述衬底的温度为20~600°C。
[0013] 作为优选，步骤（1)中，瓣射的本底真空度为IXl(T3pa，W高纯氣气或惰性气体中 的至少一种作为瓣射保护气氛。
[0014] 作为优选，步骤（1)中，通过调节娃祀的瓣射功率为100~250W和侣祀的瓣射功 率为30~120W，在衬底表面沉积得到0.Kx<0. 7的Al,Sii_，混合薄膜。
[0015] 作为优选，步骤（2)中，所述退火处理W高纯氣气或惰性气体中的至少一种作为 瓣射保护气氛，具体步骤为：
[0016]在 800 ~1400°C下处理 30 ~120s;
[0017] 或者为；
[0018] 先在400~800°C下处理60~240s，再在800~1400°C下处理30~180s。
[0019] 进一步优选，所述退火处理的步骤为；先在600~800°C下处理60~240s，再在 1000 ~1200°C下处理 30 ~180s。
[0020] 本方法制备得到的薄膜中含有显著的面屯、立方相娃晶体，可W通过掠入射X射 线衍射谱（Grazing-IncidenceX-rayDiffraction,GI-X畑）和透射电镜（Transmission ElectronMicroscope,TEM)等方法清楚地观察到薄膜中的面屯、立方相娃晶体。
[0021] 制备得到的薄膜厚度可W达到500nmW上，具有良好的导电性能，其特征电阻率 约为0. 5~5毫欧姆?厘米，方块电阻约为10~100欧姆。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0023] 本发明通过侣娃合金前驱薄膜的诱导作用，在常压高温下即可制备出娃的高压相 薄膜一一面屯、立方相娃晶体薄膜。该方法避开了制备高压相材料通常所需要的高压条件， 从而极大地降低了制备高压相材料的难度。此方法制备出的薄膜厚度可W大于500nm，电阻 率低于0.01Q.cm,具有器件级应用潜力。此外，该薄膜的制备方法所用的设备和工艺与现 行成熟的娃器件平面工艺完全兼容。
【附图说明】
[0024] 图1为立方金刚石相娃晶体、面屯、立方相娃晶体和面屯、立方相侣晶体的晶体结构 示意图及对应的XRD衍射特征峰位；
[00巧]其中，cd-立方金刚石相，fee-面屯、立方相，Si-娃，4^侣
[0026]图2为实施例1制备得到的薄膜的表征：
[0027] (a)GI-XRD衍射图谱及其在各个特征峰位附近的精细扫描谱、化）透射电镜下的 形貌图、高分辨图、选区电子衍射图和能谱图；
[0028] 图3为实施例2制备得到的薄膜的GI-XRD衍射全谱和GI-XRD局部特征峰谱；
[0029] 图4为实施例3、对比例1和对比例2中分别制备的S种薄膜的GI-XRD局部特征 峰谱。
【具体实施方式】
[0030]W下结合附图进一步说明本发明。
[00引]实施例1
[0032] 采取如下工艺步骤；
[0033] (1)清洗P型<100〉、电阻率为1~100欧姆?厘米、大小为20X20毫米、厚度为 470微米的娃片，接着放入射频磁控瓣射装置的生长腔室中，腔内真空度抽至1X1(T中a,W Si和A1为祀材，其中娃的瓣射功率为100瓦，侣的瓣射功率为30瓦，W高纯Ar气作为瓣射 保护气氛，在5化压强下，在娃片上利用沉积一层厚度约为500皿、组分约为Alu.2Si。.8的侣 娃混合薄膜；
[0034] (2)将侣娃混合薄膜放入快速热退火炉中，采用高纯Ar气作为保护气氛进行 600°C/60s+1200°C/90s两步退火处理，待炉温冷却至W后取出样品。
[00巧]对薄膜分别采用掠入射X射线（GI-XRD)和透射电镜（TEM)进行分析表征并获得 如图2的结果。
[0036] 需要说明的是，GI-X畑的探测光波长约为1. 5406埃米。
[0037] 从图2 (a)的GI-X畑图谱可W看出，42. 2。-42. 7。峰位对应的晶面间距约 2.14-2. 12A，此区间峰位归属于发生晶格崎变的小尺寸面屯、立方娃纳米晶。纳米晶的晶格 崎变通常是由于应力和杂质等因素引起的。
[0038]从图2化）的TEM图可知，TEM检测到的晶面间距与理论值存在一定的偏差 (±0.Olnm)，即使是同一晶粒不同位置的晶面间距也存在偏差。
[00測实施例2
[0040] 采取如下工艺步骤：
[0041] (1)清洗P型<100〉、电阻率为1~100欧姆?厘米、大小为20X20毫米、厚度为 470微米的娃片，接着放入射频磁控瓣射装置的生长腔室中，腔内真空度抽至1X1(T中a,W Si和A1为祀材，其中娃的瓣射功率为100瓦，侣的瓣射功率为30瓦，W高纯Ar气作为瓣射 保护气氛，在5化压强下，在娃片上利用沉积一层厚度约为500皿、组分约为Alu.2Si。.8的侣 娃混合薄膜；
[0042] (2)将侣娃混合薄膜放入快速热退火炉中，采用高纯Ar气作为保护气氛进行单步 1200°C下高温处理90秒，待炉温冷却至W后取出样品。
[0043] 对薄膜采用掠入射X射线（GI-XRD)进行表征并获得如图3的结果。
[0044] 由图3的GI-XRD图中可W看到，该薄膜中的主要物相为面屯、立方相娃晶体，同 时也含有少量面屯、立方相侣晶体和其他侣娃相，不含有金刚石相娃晶体。佑I-XRD图中的 40.5°峰对应面屯、立方相娃晶体的特征峰位；39. 4°峰对应侣晶体的特征峰位。）
[004引 实施例3
[0046] 采取如下工艺步骤：
[0047] (1)清洗P型<100〉、电阻率为1~100欧姆?厘米、大小为20X20毫米、厚度为 470微米的娃片，接着放入射频磁控瓣射装置的生长腔室中，腔内真空度抽至IX1(T中a, WSi和A1为祀材，其中娃的瓣射功率为100瓦，侣的瓣射功率分别为30瓦，W高纯Ar气 作为瓣射保护气氛，在5化压强下，在娃片上利用沉积一层厚度约为500nm、组分分别约为 Alc.wSia.gs、Ala.sSia.s和A1a.sSia.2的侣娃混合薄膜；
[0048] (2)将侣娃混合薄膜放入快速热退火炉中，采用高纯Ar气作为保护气氛进行 700°C/60s+1200°C/90s两步退火处理，待炉温冷却至W后取出样品。
[004引 对比例1
[0050]采用与实施例3相同的步骤，区别仅在于侣的瓣射功率为15瓦。
[00川 对比例2
[0052] 采用与实施例3相同的步骤，区别仅在于侣的瓣射功率为200瓦。
[0053] 对实施例3与对比例1、对比例2制备的S种薄膜分别采用掠入射X射线佑I-XRD) 进行分析表征并获得如图4的结果，图4中，（a)为对比例1制备的薄膜，化）为实施例3制 备的薄膜，（C)为对比例2制备的薄膜。
[0054] 由图4可知，过低（Ala.wSi。.％)或过高（Ala.sSia.2)的侣浓度均不能显著诱导面屯、 立方相娃纳米晶的形成；而只有适当侣浓度才能显著诱导面屯、立方相娃纳米晶的形成。
[00巧]总的来说，采用本发明的制备方法获得的薄膜样品中发现显著的面屯、立方相娃(feeSi),同时也有少量侣相（feeA1)和尚未完全确认组分的侣娃合金相，但是没有发现 金刚石相娃相（cdSi)。
【主权项】
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AlxSih混合薄膜，其中， 0. 05<x<0. 8 ； (2) 步骤（1)得到的AlxSih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 °C。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IXKT3Pa,以高纯氩气或惰性气体中的至少一种作为溅射保护气 氛。5. 根据权利要求1~4任一权利要求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，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AlxSipx混合薄膜。6. 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（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°C下处理30~120s; 或者为： 先在400~800°C下处理60~240s，再在800~1400°C下处理30~180s。7. 根据权利要求6所述的面心立方相硅晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述退火 处理的步骤为：先在600~800°C下处理60~240s，再在1000~1200°C下处理30~180s。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】H01L21/02, H01L21/20
【公开号】CN104900496
【申请号】CN201510223751
【发明人】宋伟杰, 曾俞衡, 谭瑞琴, 刘超, 黄金华, 王维燕
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月5日
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