一种原子级平整Sr/Si（100）‑2×3再构表面的制备方法

摘要

本发明公开了一种原子级平整Sr/Si(100)‑2×3再构表面的制备方法，属于纳米领域。本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)‑2×3再构表面的制备方法，以单晶硅(100)片为衬底，其步骤为：1)衬底清洗；2)去除衬底表面氧化硅，同时制备出Si(100)‑2×1再构表面；3)在具有Si(100)‑2×1再构表面的衬底上制备亚单层金属锶薄膜；4)制备原子级平整Sr/Si(100)‑2×3再构表面。本发明步骤简单，操作方便，获得原子级平整的Sr/Si(100)‑2×3再构表面，并能精确确定Sr/Si(100)‑2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种再构表面的制备方法，更具体地说，涉及一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法。

背景技术

随着集成电路集成度的提高，CMOS基本单元中的栅极绝缘层材料SiO₂厚度持续减薄，而SiO₂介电常数仅为3.9，当SiO₂的厚度降低到纳米量级后，此时会发生量子隧穿效应，导致大量电子通过SiO₂绝缘层，使得漏电流过大导致CMOS器件失效。为克服该问题，可将SiO₂绝缘层替换成介电常数高的氧化物，如SrTiO₃(介电常数为300)、BaTiO₃等。这样即使栅极绝缘层保持相同的物理厚度，使用高介电常数氧化物替代氧化硅后可将漏电流降低两个数量级，从而使得CMOS器件可以稳定工作。

由于单晶硅表面的最外层硅原子存在反应活性很强的悬挂键，如果直接将高介电常数氧化物如SrTiO₃沉积在其上将使得硅表面悬挂键与氧化物中的氧反应生成氧化硅，导致硅上无法实现高介电常数氧化物的外延生长，从而降低高介电常数氧化物的介电性能。

为了实现高介电常数氧化物SrTiO₃在硅上的外延生长，最核心的问题是要消除硅表面最外层硅原子的悬挂键，而在锶硅表面结构中，精确确定锶原子的表面覆盖度是获取钝化硅原子悬挂键的关键条件，而在锶硅表面结构中，具有稳定表面结构的仅有Sr/Si(100)-2×3，通过第一性原理计算可确定此时的锶原子的表面覆盖度为1/6个单原子层，该表面存在二聚化的硅二聚体，且硅二聚体存在纵向和横向两种排列，锶原子占据2×3再构单元中的一个稳定位，并且该锶原子会向2×3再构单元中的纵向硅二聚体转移电荷，形成稳定的Sr/Si(100)-2×3再构表面，因此如何制备原子级平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面是尤为重要的。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服上述的不足，提供了一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，采用本发明的技术方案，步骤简单，操作方便，获得原子级平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面，并能精确确定Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，以单晶硅(100)片 为衬底，其步骤为：

1)衬底清洗：

1-1)将单晶硅(100)片切割成一定大小；

1-2)将切割好的单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗；

1-3)将经丙酮超声清洗后的单晶硅(100)片使用纯水超声清洗；

1-4)将经纯水超声清洗后的单晶硅(100)片用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内；

2)去除衬底表面氧化硅，同时制备出Si(100)-2×1再构表面：

2-1)将上述真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-8Pa；

2-2)采用直流加热的方式将衬底温度加热到650℃并保持12小时；

2-3)采用直流加热的方式以一定的升温速率将衬底温度加热到1100℃并保持10～30s；

2-4)以一定的降温速率将衬底温度降低到室温；

3)在衬底上形成的Si(100)-2×1再构表面上制备亚单层金属锶薄膜：

3-1)将经步骤2)处理后的衬底移至制样真空腔内，将制样真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-6Pa；

3-2)在1×10^-6Pa的真空下，对衬底进行加热，加热温度为500℃；

3-3)使用脉冲激光沉积技术或电子束蒸发技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜；

4)制备原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面：

4-1)将经步骤3)处理后的衬底移至分析真空腔，并使用离子泵和钛升华泵将分析真空腔的本底真空度抽到1×10^-8Pa；

4-2)将含有金属锶薄膜的衬底加热到750℃，并在750℃温度下维持5～10min，在这一恒温过程中金属锶薄膜中锶原子与Si(100)-2×1再构表面硅二聚体发生电子转移反应，同时除了Si(100)-2×1再构表面上原本存在的横向硅二聚体外，还会形成纵向排列的硅二聚体；

4-3)将衬底的温度降低到室温，同时确保真空腔的本底真空度维持在1×10^-8Pa，即可获得原子级平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面，Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

更进一步地，所述的步骤3)中脉冲激光沉积技术的工艺参数为：激光功率密度为1～10W/cm²，工艺真空度为1×10^-6～1×10^-4Pa，金属锶靶材，衬底温度为室温～500℃，沉积时间为1s～5s，薄膜厚度为0.5nm。

更进一步地，所述的步骤2)中衬底温度自650℃到1100℃的升温速率为20～50℃/s，衬 底温度自1100℃到室温的降温速率为5～10℃/s。

更进一步地，所述的步骤1)中单晶硅(100)片切割成2×2cm²大小，单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗3次，每次超声清洗的时间为15分钟，单晶硅(100)片在使用15兆欧纯水超声清洗3遍，每次超声清洗的时间为10分钟。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，其单晶硅(100)先后在丙酮及纯水中超声清洗，最后将超声清洗单晶硅(100)片用高纯氮气吹干，操作方便，能够很好地去除单晶硅(100)片表面的有机物；

(2)本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，其步骤2)中采用直流加热的方式将衬底温度加热到650℃并保持12小时，以去除单晶硅(100)片表面可能存在的有机物；

(3)本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，其去除衬底表面氧化硅，同时制备出Si(100)-2×1再构表面，通过闪蒸技术去除单晶硅(100)片表面氧化硅，同时得到结构保持完整的Si(100)-2×1再构表面，该表面存在二聚化的硅原子，并且每一个硅原子存在一个活性悬挂键，为制备Sr/Si(100)-2×3再构表面提供了基础；

(4)本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，其在Si(100)-2×1再构表面上制备亚单层金属锶薄膜，由于硅原子悬挂键的活性强，若不是采用金属锶作为锶原子的来源，而是采用其他例如氧化锶作为锶原子的来源的话，极易使得氧化锶中的氧原子与硅表面的硅二聚体发生反应，从而破坏硅的整齐硅二聚体结构，因此必须采用金属锶作为锶原子的来源；

(5)本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，其在超高真空条件下通过闪蒸技术去除单晶硅(100)片表面氧化硅，同时得到结构保持完整的Si(100)-2×1再构表面，再通过脉冲激光沉积技术或电子束蒸发技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，最后在超高真空条件下进行退火热处理，退火温度为750℃，退火时间为5～10min，在退火热处理过程中金属锶薄膜中锶原子与Si(100)-2×1再构表面硅二聚体发生电子转移反应，同时除了本身存在的横向硅二聚体外，还会形成纵向排列的硅二聚体，即可获得Sr/Si(100)-2×3再构表面，且Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

附图说明

图1为本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法所制成的原子级 平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面的扫描隧道显微镜图片。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，以单晶硅(100)片为衬底，其步骤为：

1)衬底清洗：

1-1)将单晶硅(100)片切割成一定大小，本实施例中单晶硅(100)片切割成2×2cm²大小；

1-2)将切割好的单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗，本实施例中单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗3次，每次超声清洗的时间为15分钟；

1-3)将经丙酮超声清洗后的单晶硅(100)片使用纯水超声清洗，本实施例中单晶硅(100)片在使用15兆欧纯水超声清洗3遍，每次超声清洗的时间为10分钟；

1-4)将经纯水超声清洗后的单晶硅(100)片用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内；

2)去除衬底表面氧化硅，同时制备出Si(100)-2×1再构表面：

2-1)将上述真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-8Pa；

2-2)采用直流加热的方式将衬底温度加热到650℃并保持12小时；

2-3)采用直流加热的方式以一定的升温速率将衬底温度加热到1100℃并保持10s，本实施例中衬底温度自650℃到1100℃的升温速率为20℃/s；

2-4)以一定的降温速率将衬底温度降低到室温，本实施例中衬底温度自1100℃到室温的降温速率为5℃/s；

3)在衬底上形成的Si(100)-2×1再构表面上制备亚单层金属锶薄膜：

3-1)将经步骤2)处理后的衬底移至制样真空腔内，将制样真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-6Pa；

3-2)在1×10^-6Pa的真空下，对衬底进行加热，加热温度为500℃；

3-3)使用脉冲激光沉积技术或电子束蒸发技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，本实施例中使用脉冲激光沉积技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，激光功率密度为10W/cm²，工艺真空度为1×10^-6Pa，金属锶靶材，衬底温度为25℃，沉积时间为1s，薄膜厚度为0.5nm；

4)制备原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面：

4-1)将经步骤3)处理后的衬底移至分析真空腔，并使用离子泵和钛升华泵将分析真空 腔的本底真空度抽到1×10^-8Pa；

4-2)将含有金属锶薄膜的衬底加热到750℃，并在750℃温度下维持5min，在这一恒温过程中金属锶薄膜中锶原子与Si(100)-2×1再构表面硅二聚体发生电子转移反应，同时除了Si(100)-2×1再构表面上原本存在的横向硅二聚体外，还会形成纵向排列的硅二聚体；

4-3)将衬底的温度降低到室温，同时确保分析真空腔的本底真空度维持在1×10^-8Pa，本底真空度维持在1×10^-8Pa为了消除真空腔体内残余气体特别是水分子对表面的氧化作用，即可获得原子级平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面，Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层(参见图1所示)。

制备原理为：先将单晶硅(100)片进行清洗，确保去除单晶硅(100)表面的有机物，然后在1×10^-8Pa的真空度下，采用闪蒸技术去除衬底表面氧化硅，同时制备出Si(100)-2×1再构表面，为制备Sr/Si(100)-2×3再构表面提供基础，再在1×10^-6Pa的真空度下，采用脉冲激光沉积技术或电子束蒸发技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，最后在1×10^-8Pa的真空度下进行退火处理，在退火温度为750℃下维持5～10min，使得金属锶薄膜中锶原子与Si(100)-2×1再构表面硅二聚体发生电子转移反应，同时除了本身存在的横向硅二聚体外，还会形成纵向排列的硅二聚体，即可获得Sr/Si(100)-2×3再构表面，且Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

实施例2

本实施例的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，以单晶硅(100)片为衬底，其步骤为：

1)衬底清洗：

1-1)将单晶硅(100)片切割成一定大小，本实施例中单晶硅(100)片切割成2×2cm²大小；

1-2)将切割好的单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗，本实施例中单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗3次，每次超声清洗的时间为15分钟；

1-3)将经丙酮超声清洗后的单晶硅(100)片使用纯水超声清洗，本实施例中单晶硅(100)片在使用15兆欧纯水超声清洗3遍，每次超声清洗的时间为10分钟；

1-4)将经纯水超声清洗后的单晶硅(100)片用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内；

2)去除衬底表面氧化硅，同时制备出Si(100)-2×1再构表面：

2-1)将上述真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-8Pa；

2-2)采用直流加热的方式将衬底温度加热到650℃并保持12小时；

2-3)采用直流加热的方式以一定的升温速率将衬底温度加热到1100℃并保持20s，本实 施例中衬底温度自650℃到1100℃的升温速率为35℃/s；

2-4)以一定的降温速率将衬底温度降低到室温，本实施例中衬底温度自1100℃到室温的降温速率为8℃/s；

3)在衬底上形成的Si(100)-2×1再构表面上制备亚单层金属锶薄膜：

3-1)将经步骤2)处理后的衬底移至制样真空腔内，将制样真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-6Pa；

3-2)在1×10^-6Pa的真空下，对衬底进行加热，加热温度为500℃；

3-3)使用脉冲激光沉积技术或电子束蒸发技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，本实施例中使用脉冲激光沉积技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，激光功率密度6W/cm²，工艺真空度为5×10^-5Pa，金属锶靶材，衬底温度为室温260℃，沉积时间3s，薄膜厚度为0.5nm；

4)制备原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面：

4-1)将经步骤3)处理后的衬底移至分析真空腔，并使用离子泵和钛升华泵将分析真空腔的本底真空度抽到1×10^-8Pa；

4-2)将含有金属锶薄膜的衬底加热到750℃，并在750℃温度下维持8min，在这一恒温过程中金属锶薄膜中锶原子与Si(100)-2×1再构表面硅二聚体发生电子转移反应，同时除了Si(100)-2×1再构表面上原本存在的横向硅二聚体外，还会形成纵向排列的硅二聚体；

4-3)将衬底的温度降低到室温，同时确保分析真空腔的本底真空度维持在1×10^-8Pa，即可获得原子级平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面，Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

实施例3

本实施例的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，以单晶硅(100)片为衬底，其步骤为：

1)衬底清洗：

1-1)将单晶硅(100)片切割成一定大小，本实施例中单晶硅(100)片切割成2×2cm²大小；

1-2)将切割好的单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗，本实施例中单晶硅(100)片在丙酮中超声清洗3次，每次超声清洗的时间为15分钟；

1-3)将经丙酮超声清洗后的单晶硅(100)片使用纯水超声清洗，本实施例中单晶硅(100)片在使用15兆欧纯水超声清洗3遍，每次超声清洗的时间为10分钟；

1-4)将经纯水超声清洗后的单晶硅(100)片用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内；

2)去除衬底表面氧化硅，同时制备出Si(100)-2×1再构表面：

2-1)将上述真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-8Pa；

2-2)采用直流加热的方式将衬底温度加热到650℃并保持12小时；

2-3)采用直流加热的方式以一定的升温速率将衬底温度加热到1100℃并保持30s，本实施例中衬底温度自650℃到1100℃的升温速率为50℃/s；

2-4)以一定的降温速率将衬底温度降低到室温，本实施例中衬底温度自1100℃到室温的降温速率为10℃/s；

3)在衬底上形成的Si(100)-2×1再构表面上制备亚单层金属锶薄膜：

3-1)将经步骤2)处理后的衬底移至制样真空腔内，将制样真空腔的腔体抽真空，使得本底真空达到1×10^-6Pa；

3-2)在1×10^-6Pa的真空下，对衬底进行加热，加热温度为500℃；

3-3)使用脉冲激光沉积技术或电子束蒸发技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，本实施例中使用脉冲激光沉积技术在Si(100)-2×1再构表面上沉积0.5nm厚度的金属锶薄膜，激光功率密度为10W/cm²，工艺真空度为1×10^-4Pa，金属锶靶材，衬底温度为500℃，沉积时间为1s，薄膜厚度为0.5nm；

4)制备原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面：

4-1)将经步骤3)处理后的衬底移至分析真空腔，并使用离子泵和钛升华泵将分析真空腔的本底真空度抽到1×10^-8Pa；

4-2)将含有金属锶薄膜的衬底加热到750℃，并在750℃温度下维持10min，在这一恒温过程中金属锶薄膜中锶原子与Si(100)-2×1再构表面硅二聚体发生电子转移反应，同时除了Si(100)-2×1再构表面上原本存在的横向硅二聚体外，还会形成纵向排列的硅二聚体；

4-3)将衬底的温度降低到室温，同时确保分析真空腔的本底真空度维持在1×10^-8Pa，本底真空度维持在1×10^-8Pa为了消除真空腔体内残余气体特别是水分子对表面的氧化作用，即可获得原子级平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面，Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

本发明的一种原子级平整Sr/Si(100)-2×3再构表面的制备方法，步骤简单，操作方便，获得原子级平整的Sr/Si(100)-2×3再构表面，并能精确确定Sr/Si(100)-2×3再构表面上锶的覆盖度为1/6个单原子层。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。