本發(fā)明是涉及一種離子束濺射技術(shù)制備結(jié)晶性Ge/Si多層膜的方法，屬于半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著光電技術(shù)和薄膜技術(shù)的共同發(fā)展，硅鍺薄膜日益受到研究者的重視，在光電集成、微電子以及薄膜太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域都滲透著硅鍺薄膜的廣泛應(yīng)用。隨著研究的不斷深入，人們制備出了不同特點(diǎn)的超晶格多層膜材料，如應(yīng)變超晶格、非晶態(tài)超晶格等。其中，具備帶隙可調(diào)的“能帶工程”以及與Si工藝兼容特點(diǎn)的Ge/Si超晶格和多層膜的研發(fā)，為Si材料的應(yīng)用開(kāi)拓了新的前景。

(Si)_M/(Ge)_N 應(yīng)變層超晶格是一類特別備受關(guān)注的超晶格體系，這種由M層Si原子和N層Ge原子組成基本單元的超晶格以共價(jià)鍵的方式結(jié)合在一起，通過(guò)控制不同的層數(shù)和合金成份，可對(duì)“Si/Ge應(yīng)變層”的光學(xué)特性等進(jìn)行人工剪裁。但是Ge的晶格常數(shù)較Si大4.2％，因此硅鍺組成的是晶格失配體系，在Si襯底上制備Ge/Si多層膜亟待解決的問(wèn)題就是通過(guò)制備技術(shù)來(lái)抑制或減少由此產(chǎn)生的位錯(cuò)。有效提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量，是提高材料遷移率獲得更大輻射復(fù)合系數(shù)，滿足光電技術(shù)發(fā)展要求的保證。目前Si/Ge應(yīng)變超晶格一般是采用MBE或CVD技術(shù)制備，這類方法雖然能夠制備出比較完整的晶體結(jié)構(gòu)，但儀器價(jià)格昂貴，制備出樣品的成本高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

離子束濺射是近來(lái)制備薄膜的物理方法之一，由于其工作真空度高，沉積速率較慢，從靶材濺射出來(lái)的原子能量較高(10eV)，當(dāng)原子沉積到基片上后還有足夠的能量進(jìn)行擴(kuò)散，因而膜的結(jié)晶性得到很大改善，且其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。本發(fā)明利用離子束濺射制備獲得高結(jié)晶性的Ge/Si多層膜，在光電集成、微電子器件以及薄膜太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：利用離子束濺射，在較低生長(zhǎng)束流下，通過(guò)調(diào)節(jié)濺射溫度，Ge、Si子層的厚度等參數(shù)，有效提高Ge/Si多層膜結(jié)晶質(zhì)量，以滿足光電信息器件薄膜材料的應(yīng)用需求。

本發(fā)明基于超高真空離子束濺射技術(shù)，以氬（Ar）氣為工作氣體，在真空度小于3.0×10^-4 Pa時(shí)，首先在硅襯底上生長(zhǎng)80 ~150 nm的Si緩沖層，然后在Si緩沖層上交替濺射10 ~30周期5 ~8 nm厚Ge層和7 ~10 nm厚Si隔離層，獲得高結(jié)晶質(zhì)量的Ge/Si多層膜，在光電集成、微電子器件以及薄膜太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。有效解決了常規(guī)技術(shù)制備存在的生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜、不利于大規(guī)模生產(chǎn)等不足，利用離子束濺射技術(shù)獲得高結(jié)晶性的Ge/Si多層膜，是一種生產(chǎn)低成本、高效率、易于產(chǎn)業(yè)化推廣的Ge/Si多層膜制備方法。

本發(fā)明通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：采用FJL560型超高真空磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備中離子束濺射部分，生長(zhǎng)室內(nèi)安置有考夫曼離子槍。設(shè)備所用靶材為純度5N（含量在99.999%以上）的高純Si方塊形靶和高純Ge方塊形靶，濺射氣體為5N高純氬氣。以N型低摻雜、P型低摻雜或本征Si（100）單面拋光晶體為襯底，襯底厚度為0.50 ~0.80 mm，電阻率為1 ~3 Ω?cm。具體包括如下步驟：

（1）硅襯底預(yù)處理：對(duì)襯底使用標(biāo)準(zhǔn)Shiraki方法進(jìn)行清洗去除表面無(wú)機(jī)及有機(jī)雜質(zhì)，然后在HF（10%）：H₂O比例小于1:8的溶液中漂洗以去除表面的自然氧化層（SiO₂），同時(shí)在表面上形成比較牢固的Si-H鍵，使用氮?dú)鈽專ǖ獨(dú)饧兌葹?N）吹2 ~3 min將襯底吹干后迅速放入離子束濺射真空室內(nèi)，待本底真空小于3.0×10^-4 Pa，對(duì)Si襯底進(jìn)行加熱，加熱速率為10 ~15 ℃/min，升溫至750 ~900 ℃，保溫10 ~30 min。

（2）Si緩沖層的濺射生長(zhǎng)：向?yàn)R射室內(nèi)充入純度為5N的氬（Ar）氣作為工作氣體，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)為1.0×10^-2 ~4.0×10^-2 Pa，在800 ~900 ℃，放電電壓為0.5 ~1.1 KV，加速電壓為100 ~200 V，生長(zhǎng)束流8 ~12 mA，燈絲電流5 ~10 A，濺射速率為0.12 ~0.25 ?/s的條件下濺射生長(zhǎng)80 ~150 nm的Si緩沖層。

（3）Ge/Si多層膜的生長(zhǎng)：保持其他生長(zhǎng)條件不變，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)束流為4 ~10 mA，通過(guò)反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)四工位轉(zhuǎn)靶上Ge靶材、Si靶材的位置，在Si緩沖層上交替濺射沉積Ge、Si子層薄膜：Ge層的濺射速率為0.06 ~0.12 ?/s，濺射時(shí)間為7 ~20 min,厚度為5 ~8 nm;Si隔離層的濺射速率為0.08 ~0.15 ?/s,濺射時(shí)間為8 ~20 min，厚度為7 ~10 nm。每交替生長(zhǎng)一層Ge層和一層Si隔離層為一個(gè)周期，濺射10 ~30個(gè)周期，最后以生長(zhǎng)Ge層作為蓋帽層結(jié)束，濺射生長(zhǎng)總厚度為200 ~650 nm。

本發(fā)明的有益效果是利用工藝簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的離子束濺射技術(shù)獲得高結(jié)晶性的Ge/Si多層膜，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，可充分滿足光電信息器件薄膜材料的應(yīng)用需要。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1 Ge/Si多層膜結(jié)構(gòu)圖。

圖2為表征實(shí)施例1結(jié)晶性的Raman譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

所用濺射生長(zhǎng)設(shè)備為FJL560型超高真空磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備中離子束濺射室，生長(zhǎng)室內(nèi)安置有考夫曼離子槍。設(shè)備所用靶材為純度5N（含量在99.999%以上）的高純Si方塊形靶和高純Ge方塊形靶，濺射氣體為5N高純氬氣。超聲清洗使用市購(gòu)的超聲清洗器。以N型低摻雜Si（100）單面拋光晶體為襯底，襯底厚度為0.50 mm，電阻率為1 ~3 Ω?cm。具體包括如下步驟：

（1）硅襯底預(yù)處理：

Ａ．用分析純丙酮在室溫下超聲5 min，去離子水沖洗，此步驟重復(fù)3遍；

Ｂ．用無(wú)水乙醇在室溫下超聲5 min，去離子水沖洗，此步驟重復(fù)3遍；

Ｃ．先濃H₂SO₄（98%）：H₂O₂ =2:1的混合溶液中煮沸5 min，去離子水沖洗3次，后用HF（10%）：H₂O=1:10的混合溶液浸泡30 s，去離子水沖洗3次；

Ｄ．先濃HNO₃煮沸3 min，去離子水沖洗3次，后用HF（10%）：H₂O=1:10的混合溶液浸泡30 s，去離子水沖洗3次。此步驟重復(fù)2遍；

Ｅ．先濃HNO₃：H₂O₂：H₂O =1:1:4的混合溶液煮沸5 min，去離子水沖洗3次，后用HF（10%）：H₂O=1:10的混合溶液浸泡30 s，去離子水沖洗3次；

Ｆ．用HCl：H₂O =3:1的混合溶液煮沸后加和H₂O等體積的H₂O₂至溶液透明，去離子水沖洗3次；

Ｇ．用HF（10%）：H₂O=1:40的混合溶液漂洗50 s，去離子水沖洗3次；

Ｈ．用氮?dú)獯蹈珊?，放置在樣品托中，送入離子束濺射設(shè)備真空室；

I. 待濺射室本底真空度小于3.0×10^-4 Pa，對(duì)襯底加熱至850 ℃，保溫10 min，使表面Si-H鍵斷鍵脫附出H。

（2）Si緩沖層的濺射生長(zhǎng)：

向?yàn)R射室內(nèi)充入純度為5N的氬氣作為工作氣體，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)為2.0×10^-2 Pa ，在放電電壓為70 V，束流電壓為1 KV，加速電壓為100 V，生長(zhǎng)束流為10 mA的條件下濺射生長(zhǎng)厚度為100 nm的Si緩沖層，Si層的濺射速率約為0.21 ?/s。

（3）Ge/Si多層膜的生長(zhǎng)：

在其他生長(zhǎng)條件保持不變的情況下，只調(diào)節(jié)生長(zhǎng)束流為7 mA，轉(zhuǎn)動(dòng)Ge靶材位置，以在Si緩沖層上濺射Ge靶材，Ge層生長(zhǎng)厚度為6.6 nm，濺射速率為0.11 ?/s；再轉(zhuǎn)動(dòng)Si靶材的位置，以在Ge層上濺射Si靶材，Si隔離層生長(zhǎng)厚度為7.5 nm，濺射速率為0.13 ?/s。如此反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)Ge靶材、Si靶材的位置，交替濺射沉積Ge、Si分層薄膜，一層Ge和一層Si構(gòu)成一個(gè)周期，濺射10個(gè)周期，最后以生長(zhǎng)Ge層作為蓋帽層結(jié)束，得Ge/Si多層膜材料。

圖2為Ge/Si多層膜樣品的Raman光譜圖，從圖中不難看出，從左到右有3個(gè)明顯的光學(xué)模特征峰：300 cm^-1附近出現(xiàn)Ge-Ge鍵振動(dòng)峰，峰位接近晶體Ge的Raman峰位，半高寬較窄，結(jié)晶性較好；約400 cm^-1處為Si-Ge鍵振動(dòng)峰，Si同Ge互擴(kuò)散并有少部分形成晶化的SiGe合金層；約510 cm^-1處為Si-Si鍵振動(dòng)峰，峰形不對(duì)稱，Si處于多晶態(tài)。Ge/Si多層膜整體結(jié)晶性較好。