采用磁控濺射沉積方法制備Mg2Si半導體薄膜。首先在Si襯底上沉積Mg膜，隨后低真空熱處理。采用X 射線衍射、掃描電鏡、拉曼光譜對Mg2Si薄膜的結構進行表征。研究了在低真空(10^-1 ~10^-2Pa)條件下熱處理溫度(350~550℃)和熱處理時間(3~7h)對Mg2Si薄膜形成的影響。結果表明：低真空熱處理條件下制備了單一相Mg2Si半導體薄膜，400~550℃熱處理4~5h是最佳的熱處理條件。在拉曼譜中256cm^-1 和690cm^-1 觀察到兩個散射峰，這與Mg2Si的拉曼特征峰峰位一致。

1、引言

　　半導體Mg2Si材料是由地球上資源豐富、對生態(tài)適應性高、能再生利用的Si、Mg元素構成，其帶隙值為0.6~0.8eV，目前國際上稱這一類材料為環(huán)境友好半導體材料。此外，Mg2Si已成為人們?nèi)找骊P注的焦點之一，還因為它具有一系列優(yōu)良的特性，如其制備方法與現(xiàn)有的Si基微電子工藝相兼容；1.2~1.8μm 紅外波段適用于現(xiàn)代通訊器件；與n型Si有著很好的歐姆接觸，比金屬Al還小一個數(shù)量級；Mg2Si還被認為是一種熱電效率高(ZT>1)的熱電材料，所以Mg2Si材料在光電器件、電子器件、能源器件領域具有重要的應用前景。但制備高質(zhì)量的Mg2Si薄膜并非輕而易舉，由于金屬Mg蒸汽壓很高，即使在200℃時，凝結系數(shù)也非常小，此外，Mg2Si在高溫條件下容易分解與氧化。正因為如此，有關Mg2Si薄膜制備的研究報道并不多。Mahan 等采用分子束外延、熱蒸發(fā)等共沉積方法得到了多晶Mg2Si薄膜；Galkin等采用固相熱處理生長方法在Si襯底上來制備Mg2Si薄膜，但薄膜中Mg2Si相的X射線衍射峰非常弱；Hachiya等采用電化學方法在Si襯底上制備出較高質(zhì)量的Mg2Si薄膜；Kamilov等將Si襯底置于高溫Mg蒸汽中制備了Mg2Si薄膜，也有報道采用離子束濺射、激光脈沖等方法制備Mg2Si薄膜材料。而采用具有工業(yè)化應用優(yōu)勢的磁控濺射技術制備Mg2Si半導體薄膜的報道甚少。

　　我們一直從事半導體硅化物的磁控濺射制備及其性質(zhì)研究。在文獻中，我們采用氬氣氛圍(約300Pa)封閉式熱處理方式制備Mg2Si薄膜，但制備的Mg2Si薄膜中常含有MgO 或Mg晶粒等其它混合相。在文獻中，我們已經(jīng)得出：沉積在Si襯底上的Mg膜經(jīng)高真空度(優(yōu)于10^-3Pa)熱處理后無法合成Mg2Si薄膜。在此基礎上，本文在Si襯底上磁控濺射沉積Mg膜，采用低真空熱處理方式制備單一相Mg2Si薄膜。

2、實驗

　　所用的Si襯底為p型Si(111)，電阻率為8~13Ω·cm。濺射Mg靶直徑為60mm，厚度為5mm，純度為99.98%。Si襯底分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲清洗20min，烘干后送入磁控濺射系統(tǒng)的樣品室，對Si襯底表面進行反濺射氬離子清洗，之后送入磁控濺射系統(tǒng)的濺射室。在往Si襯底上濺射Mg膜前，對Mg靶表面氬離子濺射清洗。經(jīng)臺階儀測試，在Si襯底上濺射Mg膜的厚度均約380nm。最后對Si襯底上濺射沉積的Mg膜進行低真空熱處理，具體參數(shù)如下：熱處理時間分別為3、4、5、6和7h；熱處理溫度分別350、400、450、500 和550℃；熱處理真空為10^-1~10^-2Pa。

　　薄膜沉積、熱處理分別在中國科學院沈陽科學儀器研制中心生產(chǎn)的JGP560CVⅢ型磁控濺射鍍膜系統(tǒng)、SGL80型高真空熱處理退火爐內(nèi)完成。經(jīng)熱處理后的樣品用BrukerD8advance 型X 射線衍射儀(XRD)測量其晶體結構，采用FEI公司Quanta 450FEG型環(huán)境掃描電鏡觀察樣品表面的顯微結構。拉曼光譜采用RenishawInvia型激光共焦顯微拉曼光譜儀測得。

3、結果與討論

　　3.1、低真空條件下熱處理溫度、時間對Mg2Si薄膜晶體結構的影響

　　圖1為350℃低真空熱處理不同時間樣品的XRD圖，可以看出，經(jīng)350℃低真空熱處理后，得到了單一相Mg2Si薄膜。即使350℃低溫熱處理只有3h，也沒有觀察到未反應完全的Mg的衍射峰，這顯然不同于我們以前在氬氣氛圍下熱處理的結果。主要原因是金屬Mg蒸汽壓很高[6]，即使沒有完全反應，在低真空熱處理條件下，Mg膜也會脫附損失掉，因此即使較低溫度(350℃)、較短時間(3h)熱處理也沒有觀察到Mg膜衍射峰。

　　從圖1可以看出，主要觀察到了Mg2Si衍射峰，即Mg2Si(220)、Mg2Si(111)、Mg2Si(200)、Mg2Si(311)、Mg2Si(400)和Mg2Si(422)。熱處理3h時，Mg2Si衍射峰較弱，隨著熱處理時間的增加，Mg2Si的衍射峰逐漸增強。熱處理5h或6h時，Mg2Si的衍射峰最強。然而，熱處理7h，Mg2Si的衍射峰減弱，其中原因，我們認為在低真空熱處理條件下，Mg的脫附和形成Mg的硅化物兩種過程同時進行，熱處理時間越長，Mg因脫附損失越多。

圖1　350℃低真空熱處理不同時間樣品的XRD圖

圖2　400℃低真空熱處理不同時間樣品的XRD圖

　　圖2為400℃低真空熱處理不同時間樣品的XRD圖，從圖中可以觀察到Mg2Si衍射峰，即Mg2Si(220)、Mg2Si(111)、Mg2Si(200)、Mg2Si(311)、Mg2Si(400)和Mg2Si(422)。熱處理3h時，Mg2Si衍射峰較弱，隨著熱處理時間的增加，Mg2Si的衍射峰逐漸增強。熱處理5h時，Mg2Si的衍射峰最強。然而，熱處理6h或7h，Mg2Si的衍射峰減弱。這是Mg的脫附和形成Mg的硅化物兩種過程共同作用的結果。

結論

　　在Si(111)襯底上磁控濺射沉積約380nm 厚度的Mg膜，然后在真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理后，制備了單一相Mg2Si薄膜。研究了低真空(10^-1 ~10^-2Pa)條件下，熱處理溫度(350~550℃)和熱處理時間(3~7h)對Mg2Si薄膜形成的影響，可以得出：

　　(1)　低真空熱處理，得到了單一相Mg2Si薄膜，沒有生成MgO 和Mg晶粒。

　　(2)　低真空400~550℃熱處理4~5h是制備Mg2Si薄膜的合適的熱處理條件。在熱處理的過程中，Mg的脫附損失與形成Mg的硅化物兩種過程是同時進行的。

　　(3)　在相同熱處理溫度下，隨著熱處理時間的增加，有利于形成薄膜晶粒，薄膜逐漸致密、平整。

　　(4)　在200~1000cm^-1 范圍的拉曼譜中，在512cm^-1 處為襯底Si的特征峰，在256和690cm^-1 附近有兩個拉曼散射峰，這與Mg2Si的拉曼特征峰峰位相一致，這結果表明，在制備的樣品中，形成了Mg2Si相，這也與XRD結果一致。