Si(111)基片上Mg2Si薄膜的脈沖激光沉積
采用脈沖激光沉積方法在Si(111) 基片上制備了Mg2 Si 薄膜。研究了激光能量密度、退火氣氛及壓強、退火溫度、退火時間等工藝條件對Mg2 Si 薄膜生長的影響。用X 射線衍射儀分析了Mg2Si 薄膜的物相，用原子力顯微鏡、高分辨場發(fā)射掃描電鏡表征了薄膜的形貌。實驗結果表明: 在激光能量密度為2.36 J /cm2 ，Si(111) 基片上室溫、真空( 真空度10-6 Pa) 條件下沉積，在Ar 氣壓強為10 Pa，500℃，30 min 條件下原位退火得到了純相、結構均勻、表面平整、厚度約為900 nm 的Mg2Si 多晶薄膜。
隨著電子工業(yè)的發(fā)展和信息產業(yè)的興起，為了實現(xiàn)器件的輕薄短小化和系統(tǒng)集成化，需要材料以薄膜的形式應用。特別是隨著半導體技術的飛速發(fā)展以及基于光電集成的設想，在Si 基片上生長Mg2Si 薄膜具有重要的意義�；诠枰r底的Mg2Si 薄膜在光學材料、熱電材料、太陽能電池、儲氫材料以及合金材料改性等領域將具有廣闊的潛在應用價值，Mg2Si 薄膜的制備成為學者研究的熱點。
目前，制備Mg2Si 薄膜的方法主要有電化學技術、固相退火、分子束外延生長、濺射技術、輝光放電技術等方法[2 - 6]。但由于Mg的冷凝系數(shù)低、蒸氣壓高，而Mg 又極易揮發(fā)引起薄膜組分偏離化學計量比等問題，使得單相、多晶Mg2Si 薄膜沉積困難。脈沖激光沉積( Pulsed Laser Deposition，PLD) 方法可以保證靶材和薄膜成分的一致性，在制備化合物薄膜方面具有其獨特的優(yōu)勢，但目前有關采用PLD 技術在Si 基底上生長Mg2Si 薄膜的報道還很鮮見。
本文采用PLD 技術，在Si(111) 基片上制備Mg2Si 薄膜，研究PLD 工藝參數(shù)對Mg2Si 薄膜制備的影響，通過工藝優(yōu)化制備得到純相、結構均勻、表面平整的Mg2Si 薄膜。
實驗
Mg2Si 薄膜的制備采用日本真空設備公司生產的PLVD-362 型PLD 設備，以純度為99.99%、直徑為20 mm 的Mg2Si 為靶材。實驗前，沉積所用的Si(111) 基片采用RCA( Radio Corporation of America)法，分別在四氯化碳、丙酮、乙醇、( NH4OH：H2O2：H2O = 1：1：5) 溶液、( HCl：H2O2： H2O = 1：1：5) 溶液、0.5%HF 溶液、去離子水中超聲清洗。由于Mg 極易揮發(fā)、氧化、冷凝系數(shù)低、難沉積的特點，實驗在室溫、真空下進行沉積，以避免Mg 的揮發(fā)、氧化。沉積時系統(tǒng)真空度為10 - 6 Pa，沉積時間為5 h，靶基距為50 mm。沉積過程中采用的激光能量密度為0.94 ～ 2.83 J /cm2，退火溫度為300 ～ 600℃，退火氣氛為真空或Ar 氣，其中Ar 氣壓強為5 ～20 Pa，退火時間為15 ～60 min。
采用日本Rigaku 公司生產的Ultima II 型X 射線衍射(XRD) 儀(CuKα) 對薄膜物相進行分析，日本Hitachi Seisakusho 公司生產的S-4800 型場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM) 對薄膜斷口進行觀察。采用Veeco公司生產的DI Nanoscope IV 型原子力顯微鏡(AFM) 通過對薄膜表面的實時掃描成像，獲得真實而豐富的三維圖像信息，為薄膜的晶體結構、晶粒取向、表面形態(tài)粗糙度等研究提供直觀信息。
結論
采用PLD 方法在Si (111) 基片上能夠得到Mg2Si 薄膜; 在沉積溫度為室溫，系統(tǒng)真空度為10 -6Pa，激光能量密度為2.36 J/cm2，沉積時間為5 h，靶基距為50 mm，退火溫度為500℃，退火氣氛及壓強為Ar 氣10 Pa，退火時間為30 min 條件下得到的Mg2Si 薄膜晶粒生長完全，排列緊密，大小均勻，薄膜表面粗糙度小，與Si 基底表面結合良好，界面清晰，且薄膜厚度均勻，約為900 nm。
