蒸发时间对Mg2Si薄膜的影响
摘 要
本文旨在研究Mg2Si半导体薄膜的制备过程中，蒸发时间对Mg2Si薄膜的影响。通过采用电阻式热蒸发及退火工艺的制备方法制备了Mg2Si半导体薄膜。在低真空（10-1～10-2Pa），400℃热处理4h条件下，研究在80A蒸发电流时，不同蒸发时间对Mg2Si薄膜的影响。并采用扫描电镜手段对实验形成的Mg2Si薄膜的结构进行了表征。最后得出结论：低真空（10-1～10-2Pa），400℃热处理4h条件下，蒸发时间为16min是制备高质量Mg2Si半导体薄膜的最佳蒸发时间。
【关键词】热蒸发 蒸发时间 Mg2Si半导体薄膜
1 引言
在国际材料领域，半导体Mg2Si材料被冠以环境友好半导体材料的美称。这种材料由 Si和Mg两种元素构成，其蕴藏量丰富、生态适应性强、而且具有良好的可再生利用功能。而且，Mg2Si半导体薄膜所具有的一系列优点也使更多的人们向它投去了关注的目光。最明显的有下列几点：
（1）该材料的制备方法能够兼容现有的Si基微电子工艺，一定程度上减少了技术成本；
（2）该材料与n型Si的欧姆接触表现良好，与金属Al相比还要小上一个数量级；
（3）Mg2Si可以作为一种热电材料，并且有些很高的热电效率（ZT>1）。
虽然 Mg2Si材料有着上述许多优点，其可应用的领域也十分的广大，但是我们发现有关 Mg2Si半导体薄膜制备的研究活动及历史资料并不多。这是因为想要制备出高质量的Mg2Si半导体薄膜并不是一件简单的事。制约高质量 Mg2Si半导体薄膜制备的因素主要有两点：
（1）金属Mg所需要的蒸汽压很高，哪怕温度达到200℃时，其凝结系数也非常小，这导致了金属Mg的凝结条件相当严苛。
（2）在高温环境中Mg2Si容易出现氧化分解，导致最后的成品难以达到高质量的要求。
目前，在 Mg2Si半导体薄膜制备领域存在着多种制备方法。以Mahan为代表的研究人员利用了分子束外延方法制备出了多晶Mg2Si薄膜。而Galkin则是通过在Si衬底上用固相热处理生长的方法制备Mg2Si薄膜，不过这种方法有一定的缺陷，制备出来的薄膜中Mg2Si相所表征出来的X射线衍射峰非常弱。Hachiya等人创新性地在Si衬底上用电化学的方法制备出了较高质量的Mg2Si薄膜。此外还有以Kamilov为代表的研究人员采用将Si衬底放置在高温Mg蒸汽中方法制备Mg2Si薄膜。
本文采用是一种报道得比较少的方法，利用电阻式热蒸发技术制备Mg2Si半导体薄膜。从该领域的专利申请数量上得出该技术基本还处于技术空白阶段。不过这种方法的工业化转换难度低，适应性强，能够快速转成生产力，可以想见在将来的一段时间该技术将成为这一领域的热点技术。
2 实验
实验中所用的Si衬底为p型Si（111），电阻率为8～13Ω·cm，纯度为99.98%。首先，将Si衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，时间为20min。然后将烘干后的Si衬底送入蒸发系统的样品室，继续对Si衬底表面进行反溅射氩离子清洗，清洗完成后将其送入蒸发系统的蒸发室。Mg颗粒纯度为99.99%，使用于水乙醇进行清洗。蒸发电流加到80A，蒸发时间分别为14min、16min、18min。最后在数值为10-1～10-2Pa的低真空环境中对Si衬底上的Mg膜进行400℃热处理4h。
在本次实验中在热处理环节是选用的SGL80型高真空热处理退火炉。 测量其晶体结构采用FEI公司Quanta 450FEG型环境扫描电镜得出的样品表面的显微结构数据。
3 结果与研讨
在 80A蒸发电流条件下不同蒸发时间的实验中，Mg2Si薄膜的SEM图片如图1所示，随着蒸发时间的延长， Mg2Si薄膜的表面形成细晶体，并且不断变大，总体分布均匀。这是由于时间的增加，原子扩散程度不断加强，在膜的表面形成晶体。当蒸发时间为16min时表面形成了一层致密的晶体层并不断向底层生长。随着时间延长到18min时，晶粒变小。
3 结论
本文通过在80A蒸发电流条件下，蒸发镁颗粒到硅基片上，不同蒸发时间形成不同的Mg/Si样品。然后在低真空（10-1～10-2Pa）退火炉氛围条件下，400℃对Mg/Si样品热处理4h，最后得出结论：在相同热处理温度和时间下，蒸发时间延长有利于形成薄膜晶体，薄膜逐渐致密、平整。当蒸发时间为16min时结晶效果最佳、致密度最高。随着时间继续延长会导导致晶粒表面不平整，晶粒变小。蒸发时间为16min是制备高质量Mg2Si半导体薄膜的最佳蒸发时间。
参考文献
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