原位退火对磁控溅射法制备Mg2Si薄膜性能的影响

摘要

Mg2Si是一种环境友好型半导体材料，具有良好的光电特性和热电特性，在光电探测器方面是一种很有潜力的材料。本文主要采用磁控溅射法通过原位退火方式在钠钙玻璃衬底上制备 Mg2Si薄膜，研究了退火温度和时间对溅射单层 Mg2Si薄膜晶体结构、表面形貌和方块电阻的影响。确定原位退火最优热处理参数后，研究交换Si、Mg溅射顺序对原位退火制备 Mg2Si 薄膜晶体结构和表面形貌的影响。研究了不同原位退火温度、不同薄膜厚度对制备多层Mg2Si薄膜晶体结构和表面形貌的影响。 首先，研究了溅射单层Si、Mg制备Mg2Si薄膜的工艺条件，室温下采用磁控溅射法在钠钙玻璃衬底上溅射沉积25min Si膜，18min Mg膜后，分别在400-600℃原位退火3-5 h制备Mg2Si薄膜。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜表征薄膜的晶体结构和表面形貌，测试结果表明：各退火温度下都成功制备出单一相的 Mg2Si 薄膜，Mg2Si（220）衍射峰一直为最强峰。在550℃，4 h原位退火制备的Mg2Si薄膜晶粒连续致密，表面平整，结晶度高。在400-600℃退火4 h条件下，Mg2Si各衍射峰强度随着退火温度的升高表现为先增强后减弱，薄膜方块电阻变化趋势与此一致。550℃退火温度时薄膜方块电阻最小。 接着研究了交换Si、Mg溅射顺序对制备Mg2Si薄膜晶体结构和表面形貌的影响。在钠钙玻璃衬底上先沉积溅射Mg膜后再沉积Si膜，沉积Mg膜时间分别为14min、16min、18min、20min、22min，Mg膜沉积速率为80nm/min，沉积Si膜时间为25min，沉积速率为10nm/min。550℃原位退火4 h后制备的薄膜样品通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜表征，测试结果表明：不同 Mg 膜厚度交换溅射顺序后，都成功制备出了 Mg2Si 薄膜，溅射 Mg 膜时间为16min时，制备的Mg2Si薄膜衍射峰强度最强，薄膜表面最为连续致密。当Mg膜厚度增加时，Mg2Si衍射峰强度先增强后减弱，溅射时间大于18min时，出现Mg的衍射峰。 最后，研究了溅射多层Si、Mg制备Mg2Si薄膜的工艺条件，分别在钠钙玻璃衬底上交替溅射两层和三层 Si/Mg 薄膜，研究不同退火温度、不同 Si/Mg 溅射厚度对原位退火制备Mg2Si薄膜的影响。结果表明，不管是双层膜还是三层膜，溅射Si、Mg薄膜厚度较薄时，基本无Mg2Si薄膜生长，随着溅射厚度增加，Mg2Si衍射峰强度大大增强；在550℃退火温度下制备的 Mg2Si 薄膜各衍射峰强度最强，表面形貌最佳，退火温度过低或过高时，都不利于Mg2Si薄膜的生长。

目录

第一个书签之前

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2Mg2Si的基本性质

1.2.1 Mg2Si的晶体结构

1.2.2 Mg2Si的能带结构

1.2.3 Mg2Si的物理性质

1.3 Mg2Si的制备方法

1.4 本文主要研究内容

第二章 制备与表征方法

2.1 制备Mg2Si薄膜所需材料

2.2 制备Mg2Si薄膜所需设备

2.3 表征Mg2Si薄膜所需设备

2.3.1 X射线衍射仪

2.3.2 扫描电镜

2.3.3 四探针测试仪

2.4 本章小结

第三章 不同制备条件对溅射单层Si、Mg制备

Mg2Si薄膜的影响

3.1 Mg2Si薄膜的制备

3.1.1 衬底及靶材的清洗

3.1.2 磁控溅射沉积

3.1.3 原位退火

3.2 退火温度对原位退火制备Mg2Si薄膜的影响

3.2.1退火温度对Mg2Si薄膜晶体结构的影响

3.2.2退火温度对Mg2Si薄膜表面形貌的影响

3.2.3退火温度对Mg2Si方块电阻的影响

3.3退火时间对原位退火制备Mg2Si薄膜的影响

3.3.1退火时间对Mg2Si薄膜晶体结构的影响

3.3.2退火时间对Mg2Si薄膜表面形貌的影响

3.3.3退火时间对Mg2Si方块电阻的影响

3.4交换溅射顺序探索制备工艺

3.4.1衬底清洗

3.4.2Mg/Si薄膜样品制备及退火

3.4.3 Mg膜厚度对交换溅射顺序制备Mg2Si薄膜晶体结构的影响

3.4.4 Mg膜厚度对交换溅射顺序制备Mg2Si薄膜表面形貌的影响

3.5本章小结

第四章 不同制备条件对溅射多层Si、Mg制备

4.1退火温度对溅射两层Si、Mg制备Mg2Si薄膜的影响

4.1.1衬底清洗

4.1.2磁控溅射沉积

4.1.3原位退火

4.1.4退火温度对Mg2Si薄膜晶体结构的影响

4.1.5退火温度对Mg2Si薄膜表面形貌的影响

4.1.6结论

4.2溅射两层不同厚度Si、Mg对制备Mg2Si薄膜的影响

4.2.1衬底清洗

4.2.2磁控溅射沉积

4.2.3原位退火

4.2.4双层膜溅射厚度对Mg2Si薄膜晶体结构的影响

4.2.5双层膜溅射厚度对Mg2Si薄膜表面形貌的影响

4.2.6结论

4.3退火温度对溅射三层Si、Mg制备Mg2Si薄膜的影响

4.3.1衬底清洗

4.3.2磁控溅射沉积

4.3.3原位退火

4.3.4退火温度对Mg2Si薄膜晶体结构的影响

4.3.5退火温度对Mg2Si薄膜表面形貌的影响

4.4溅射三层不同厚度Si、Mg对制备Mg2Si薄膜的影响

4.4.1衬底清洗

4.4.2磁控溅射沉积

4.4.3原位退火

4.4.4三层膜溅射厚度对Mg2Si薄膜晶体结构的影响

4.4.5三层膜溅射厚度对Mg2Si薄膜表面形貌的影响

4.5本章小结

第五章 总结

致 谢

参考文献

附录

原 创 性 声 明