[发明专利]脉冲激光扫描直接制备α－FeSi2薄膜的工艺

说明书

技术领域：

本发明涉及一种Fe-Si化合物，具体地说是Fe-Si化合物的高温金属相α-FeSi₂薄膜的制备方法及采用此方法制备的α-FeSi₂薄膜材料。

背景技术：

过渡金属硅化物Fe-Si化合物中高温金属相α-FeSi₂，其块体材料通常是采用高温烧结法制备，而对α-FeSi₂薄膜的研究则很少见，一般采用电子束蒸发将Fe或Fe、Si按化学计量比沉积于Si基片上，然后在930℃以上高温退火获得α-FeSi₂薄膜。高温退火易造成材料中杂质扩散，影响集成电路元器件性能。

发明内容：

本发明的目的在于研究出一种新的生产高温金属相α-FeSi₂薄膜的制备方法，使工艺更简单、成本更低廉，易于制备大面积薄膜。

本发明首先采用磁控溅射方法，在Si基片上沉积一层厚度约50-100nm的金属Fe膜，随后在空气中采用二极管泵浦激光器(Nd:YAG)产生的脉冲激光对金属Fe膜进行扫描，直接获得Fe-Si化合物中的高温金属相α-FeSi₂薄膜。

本发明所指的磁控溅射方法是采用直流磁控溅射方法，在溅射仪中，以纯度为99.95％的金属铁作靶材，以Si(100)单晶片作基片，在室温下溅射沉积，溅射沉积条件为：背底真空2×10^-5Pa，溅射气压1.0-2.5Pa，Ar气流量15-30SCCM，溅射功率80-100W，基片偏压-50V，在Si基片上沉积一层厚50-100nm的金属铁膜。

本发明所指在空气中采用二极管泵浦激光器((Nd:YAG)产生的脉冲激光进行扫描，直接获得Fe-Si化合物中的高温金属相α-FeSi₂薄膜条件是：激光波长λ＝1.06μm，脉冲宽度140ns，激光能量密度0.95J cm^-2，扫描后直接形成了α-FeSi₂薄膜。

操作分为以下几步：

1.基片及基片清洗

基片选用Si(100)单晶片，单面抛光，电阻率7-13Ωcm。装入溅射室前在丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗10分钟，用氮气吹干。

2.金属Fe膜的制备

将清洗好的基片置于溅射仪的溅射室内，以纯度为99.95％的金属铁作靶材，以Si(100)单晶片作基片，采用直流磁控溅射方法，室温下在基片上沉积厚度为50-100nm的Fe膜。溅射工艺参数如下：背底真空2×10^-5Pa，溅射气压1.0-2.5Pa，Ar气流量15-30SCCM，溅射功率80-110W，基片偏压-50V，沉积时间5-10分钟(根据膜厚确定)。

3.脉冲激光扫描Fe膜直接制备α-FeSi₂薄膜

磁控溅射沉积的Fe膜，在空气中采用二极管泵浦激光器(Nd:YAG)产生的脉冲激光进行扫描，直接获得Fe-Si化合物中的高温金属相α-FeSi₂薄膜。激光波长λ＝1.06μm，脉冲宽度140ns，当激光能量密度0.95J cm^-2时，扫描后直接形成了α-FeSi₂薄膜。

采用本发明生产α-FeSi₂薄膜的工艺，由于采用磁控溅射的方法，使沉积在Si基片上的铁膜厚度得到严格控制，厚度均匀，工艺简单，成本低，易于制备大面积薄膜。

本发明采用脉冲激光扫描的方式进行热处理，它利用聚焦激光斑在样品表面极小范围内(μm量级)，在极短的时间间隔内(ns量级)使温度快速升至极高(10³K以上)，使得Fe、Si原子迅速扩散并直接形成Fe-Si化合物中的高温金属相α-FeSi₂薄膜。

采用脉冲激光扫描方法直接形成金属相α-FeSi₂，在基于β-FeSi₂的微电子或光电子器件中作电极或金属连接，不用引入其它材料，使工艺过程大大简化，极大地降低了产品成本并能提高元器件性能(降低杂质含量及其对器件性能的影响)，这对新型环境友好半导体材料β-FeSi₂的开发、应用具有重要的价值。