CN1312734C - 飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法 - Google Patents

飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1312734C
CN1312734C CNB2005100182212A CN200510018221A CN1312734C CN 1312734 C CN1312734 C CN 1312734C CN B2005100182212 A CNB2005100182212 A CN B2005100182212A CN 200510018221 A CN200510018221 A CN 200510018221A CN 1312734 C CN1312734 C CN 1312734C
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
substrate
fesi
target
fesi2
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2005100182212A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1664989A (zh
Inventor
周幼华
陆培祥
郑启光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CNB2005100182212A priority Critical patent/CN1312734C/zh
Publication of CN1664989A publication Critical patent/CN1664989A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1312734C publication Critical patent/CN1312734C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明提供了一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5~10-3Pa,以FeSi2合金为靶材,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20~50mm,基片加热到20℃~700℃,然后保温,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。本发明适合于不同的基底,在较低的温度下,短时间内合成大面积的、均匀的单相β-FeSi2薄膜,所制备的薄膜有较好的发光和光伏特性,解决了作为红外发光二极管和太阳能电池所需的优质β-FeSi2薄膜的技术难题。

Description

飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体薄膜的制备方法,具体是一种脉冲激光沉积薄膜的方法。
背景技术
β-FeSi2半导体薄膜的制备方法通常有如下几种
(1)离子注入(IBS)
通过在硅基片上诸如能量为400keV~2MeV,剂量为1017~1019cm-2的Fe+,然后在一定温度下退火,形成β-FeSi2埋层,由于离子注入过程中的加热效应,可直接合成α相和γ相的FeSi2。缺点:难以获得大面积的β-FeSi2薄膜,成膜时间长。
(2)分子束外延(MBE)
先在基片上沉积0.1~0.2nm的纯铁,然后按一定的化学比例蒸发一定量的Fe和Si在基片上,基片保持室温或加热至50~800℃,650℃时对应的是单相β-FeSi2。缺点:薄膜的质量还是不够好,需要高真空环境,生长速度较慢。
(3)固相反应淀积法(RDE)
在室温下先在硅表面沉积铁薄膜,然后在一定温度下进行退火,通过FeSi在界面上的相互间的扩散,实现固相反应,形成铁硅化合物。铁硅化合物形成的种类是由退火温度及退火时间决定,与铁硅系统的界面行为有关。如果直接把铁沉积导热的硅基片上就是反应外延法。缺点是:固相反应只发生在界面,难于获得单相的β-FeSi2膜,难以获得较厚的膜,固相外延法制备的膜厚只有几纳米;退火温度高(800~900℃);薄膜的形貌差。
(4)脉冲激光沉积(PLD)
传统的脉冲激光沉积(PLD)的缺点是:采用的是纳秒(10-9秒),能量密度还不够高,沉积过程仍然是以热作用为主,沉积物中夹杂大量的小液滴,薄膜均匀性差,难以合成均匀的单相的β-FeSi2膜。见参考文献:S.Komuro et al.Formation ofβ-FeSi2 thin films using laser ablation Journal ofCrystal Growth 237-239(2002)1961-1965
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处,提供一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法。该方法适合于不同的基底,在较低的温度下,短时间内合成大面积的、均匀的单相β-FeSi2薄膜。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是,一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法,其特征在于:将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5~10-3Pa,以硅化铁FeSi2合金为靶材,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20~50mm,基片加热到20℃~700℃,然后保温,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
在上述技术方案中,在采用激光照射时,旋转靶材和实时监测等离子体焰,相应调整靶材的位置,使激光光斑焦点不偏离靶材,从而较好控制激光功率密度。
所述基片为硅、石英、玻璃或金属材料。所述金属材料为镀铂的硅晶片、铁、铁合金、铝、铝合金、黄铜。
所述基片加热到300℃~700℃为优化温度。
可在形成薄膜后,在300℃~700℃,原位热处理基片0.5h~20h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。原位热处理基片0.5h~2h为优化时间。
本发明的优点在于:
(1)以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,使得激光的热效应减少到不明显的程度,在如此高的功率密度下,靶材被激光束剥离,主要以等离子体的形式喷出,从而避免大的微晶粒和微液滴(微米级)的产生,获得了大面积的、均匀的单相β-FeSi2薄膜;
利用脉冲激光沉积法的高保组分特性、利用激光作用在靶材上产生的等离子体,在基片上实现异质外延生长,从而获得β-FeSi2外延膜,也可以获得多晶膜和非晶膜。
(2)可在直径50cm的基片上生长,晶粒可以控制在30~150nm,从而获得大面积的均匀的纳米薄膜。
(3)原位制备单相β-FeSi2薄膜,薄膜的热处理也可在原位进行,避免了二次污染。
(4)薄膜可在低温下300℃生长完成。
(5)所制备的薄膜有较好的发光和光伏特性。
(6)薄膜的生长速度>10nm/min,达每分钟10~30nm。
(7)解决了作为红外发光二极管和太阳能电池所需的优质β-FeSi2薄膜的技术难题。
具体实施方式
采用FeSi2合金作为靶材,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,靶材上被激光束剥离产生的等离子体具有和靶材相同的化学剂量比。激光产生等离子体沉积在基片上形成薄膜,改变沉积时间可以获得不同厚度的β-FeSi2薄膜。
由于β-FeSi2晶体结构的特殊性,实现β-FeSi2薄膜外延生长较困难,可以通过控制基片的温度来实现薄膜的外延生长。
在以下实施例中,采用通用的脉冲激光沉积薄膜装置;激光器:采用钛蓝宝石飞秒激光器,飞秒(fs)激光器是指脉冲宽度在10fs~150fs的脉冲激光器,1fs=10-15s;靶材的制备:采用常规的粉末冶金方法在高纯Ar气氛中,合成FeSi2合金作为脉冲激光沉积的靶材;基片的清洗:作为沉积的载体,采用标准半导体清洗工艺清洗基片,除掉表层的有机和无机杂质。
实施例1
基片采用Si(111)圆片或Si(100)圆片,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-3Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距40mm,基片加热到500℃,然后保温,温控精度±0.5℃,激光参数:单脉冲激光能量1.0mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=1000mm,光斑在0.3mm,以1.1×1014W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
实施例2
基片采用石英片或载玻片(玻璃),将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-4Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距50mm,基片加热到300℃,然后保温,温控精度±0.5℃,激光参数:单脉冲激光能量1.5mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=400mm,光斑在0.1mm,以1×1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,在采用激光照射时,旋转靶材和实时监测等离子体焰,相应调整靶材的位置,使激光光斑焦点不偏离靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
实施例3
上述实施例2形成薄膜后,在300℃,原位热处理基片20h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。
实施例4
基片采用Pt/Ti/SiO2/Si(100)、铝片、铝合金片、铁片、钢片、不锈钢片或黄铜片,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20mm,基片加热到700℃,然后保温,温控精度±0.5℃,激光参数:单脉冲激光能量0.5mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=1000mm,光斑在2.1mm,以1.0×1012W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。形成薄膜后,在700℃,原位热处理基片0.5h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。
实施例5
基片采用Si(111)圆片、Si(100)圆片、Pt/Ti/SiO2/Si(100)、石英片、载玻片(玻璃)、铁片、铁合金片、铝片、铝合金片、钢片、不锈钢片或黄铜片,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-3Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距40mm,室温20℃,激光参数:单脉冲激光能量1.9mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=400mm,光斑在0.3mm,以2.0×1014W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。形成薄膜后,在500℃,原位热处理基片10h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。

Claims (7)

1.一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法,其特征在于:将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5~10-3pa,以硅化铁FeSi2合金为靶材,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20~50mm,基片加热到20℃~700℃,然后保温,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:在采用激光照射时,旋转靶材和实时监测等离子体焰,相应调整靶材的位置。
3.根据权利要求1或2所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述基片为硅、石英、玻璃或金属材料。
4.根据权利要求3所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述金属材料为镀铂的硅晶片、铁、铁合金、铝、铝合金、黄铜。
5.根据权利要求1或2所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述基片加热到300℃~700℃。
6.根据权利要求1或2所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:在形成薄膜后,在300℃~700℃,原位热处理基片0.5h~20h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。
7.根据权利要求6所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述原位热处理基片0.5h~2h。
CNB2005100182212A 2005-01-28 2005-01-28 飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法 Expired - Fee Related CN1312734C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2005100182212A CN1312734C (zh) 2005-01-28 2005-01-28 飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2005100182212A CN1312734C (zh) 2005-01-28 2005-01-28 飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1664989A CN1664989A (zh) 2005-09-07
CN1312734C true CN1312734C (zh) 2007-04-25

Family

ID=35035982

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005100182212A Expired - Fee Related CN1312734C (zh) 2005-01-28 2005-01-28 飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1312734C (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI20060177L (fi) * 2006-02-23 2007-08-24 Picodeon Ltd Oy Menetelmä tuottaa hyvälaatuisia pintoja ja hyvälaatuisen pinnan omaava tuote
US7608308B2 (en) 2006-04-17 2009-10-27 Imra America, Inc. P-type semiconductor zinc oxide films process for preparation thereof, and pulsed laser deposition method using transparent substrates
CN101388423B (zh) * 2008-10-22 2010-06-02 南京航空航天大学 半导体相二硅化铁(β-FeSi2)薄膜材料的制备方法
CN102332488A (zh) * 2011-05-25 2012-01-25 湖南红太阳光电科技有限公司 一种用于晶体硅太阳能电池激光边缘隔离的方法和装置
CN102515088A (zh) * 2011-12-09 2012-06-27 东南大学 一种制备硅-硅化铁复合纳米线的方法
CN107587114B (zh) * 2017-08-11 2019-12-13 兰州空间技术物理研究所 一种无熔滴微带天线用ybco超导膜的制备方法
CN110556280B (zh) * 2018-06-01 2022-08-16 北京北方华创微电子装备有限公司 等离子体产生装置和离子注入设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04210463A (ja) * 1990-11-27 1992-07-31 Mitsubishi Materials Corp FeSi↓2薄膜の形成方法
JP2000178713A (ja) * 1998-12-09 2000-06-27 Japan Science & Technology Corp β−FeSi2薄膜の形成方法
JP2001127338A (ja) * 1999-10-29 2001-05-11 Matsushita Electronics Industry Corp 半導体装置及びその製造方法
WO2004021458A1 (ja) * 2002-08-30 2004-03-11 Hamamatsu Photonics K.K. 発光素子およびその製造方法
JP2004083343A (ja) * 2002-08-27 2004-03-18 Hamamatsu Photonics Kk β−FeSi2膜の製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04210463A (ja) * 1990-11-27 1992-07-31 Mitsubishi Materials Corp FeSi↓2薄膜の形成方法
JP2000178713A (ja) * 1998-12-09 2000-06-27 Japan Science & Technology Corp β−FeSi2薄膜の形成方法
JP2001127338A (ja) * 1999-10-29 2001-05-11 Matsushita Electronics Industry Corp 半導体装置及びその製造方法
JP2004083343A (ja) * 2002-08-27 2004-03-18 Hamamatsu Photonics Kk β−FeSi2膜の製造方法
WO2004021458A1 (ja) * 2002-08-30 2004-03-11 Hamamatsu Photonics K.K. 発光素子およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN1664989A (zh) 2005-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pawar et al. Effect of laser incident energy on the structural, morphological and optical properties of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films
CN1312734C (zh) 飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法
TW201125022A (en) Crystallization processing for semiconductor applications
CN101665905B (zh) 铝诱导低温制备大晶粒多晶硅薄膜的方法
CN101325156B (zh) 一种制备多晶硅薄膜太阳电池的方法和装置
KR20100105606A (ko) 에피택셜하게 텍스쳐화된 후막의 제조를 위한 시스템 및 방법
CN102243991B (zh) 用锡诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法
JP2012199571A (ja) 多結晶型太陽電池パネルおよびその製造方法
CN103474511B (zh) 铜铟镓硒光吸收层的制备方法及铜铟镓硒薄膜太阳能电池
Luo et al. Preparation of CuInSe2 thin films by pulsed laser deposition the Cu–In alloy precursor and vacuum selenization
CN101866839B (zh) 一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法
Ohdaira et al. High-quality polycrystalline silicon films with minority carrier lifetimes over 5 µs formed by flash lamp annealing of precursor amorphous silicon films prepared by catalytic chemical vapor deposition
JP2000178713A (ja) β−FeSi2薄膜の形成方法
CN108330536B (zh) PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法
Van Gestel et al. Thin-film polycrystalline silicon solar cells with low intragrain defect density made via laser crystallization and epitaxial growth
CN102477583A (zh) 一种对晶硅薄膜掺杂制备超浅结的方法
Victor et al. Pulsed excimer laser ablated copper indium diselenide thin films
CN101798674A (zh) 电子束蒸发法制备环境友好半导体材料Mg2Si薄膜工艺
Dermenji et al. Effects of annealing on elemental composition and quality of CZTSSe thin films obtained by spray pyrolysis
KR101388458B1 (ko) 급속 열처리 공정을 사용한 cigs 박막의 제조방법
KR101410073B1 (ko) Cigs 박막태양전지의 제조 방법
Harrison et al. The effects of pressure on the fabrication of CdS/CdTe thin film solar cells made via pulsed laser deposition
Budini et al. Polycrystalline Silicon for Thin Film Solar Cells
CN1304646C (zh) 脉冲激光法制备β-FeSi2单晶的方法
CN113675299A (zh) 含锡的多元化合物光吸收层以及光电器件的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee