本发明专利技术涉及利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构及制备方法。准备一个非半导体基体，在半导体基体表面沉积一层目标金属薄膜。半导体是Ge或者Si或者Si‑Ge合金。沉积的目标金属可以是纯金属或者合金，至少包含一种下列金属元素：Al、Au、Ni、Cu、Pt、Pd或Bi等。本发明专利技术沉积方式简单，织构变化明显。可以在沉积金属薄膜之前简单地沉积一层半导体层即可明显改变薄膜织构的生长方式，薄膜织构调控成功率高，不需要复杂地调整沉积参数，无需外延生长方法所需的昂贵单晶基体。对于具体方案中的Al沉积薄膜，仅需要在Ge基体上沉积就能使其织构从传统的低能量面(111)变为了特殊的高能量面(110)。
A Method of Controlling the Texture of Metal Films Deposited by Vapor Deposition Using Semiconductor Matrix
The invention relates to a method for controlling the texture of metal film deposited by vapor deposition using a semiconductor matrix and a preparation method thereof. A non-semiconductor substrate is prepared and a target metal film is deposited on the surface of the semiconductor substrate. Semiconductors are Ge or Si or Si Ge alloys. The deposited target metal may be pure metal or alloy, containing at least one of the following metal elements: Al, Au, Ni, Cu, Pt, Pd or Bi. The depositing method of the invention is simple and the texture changes obviously. The growth mode of the film texture can be changed by simply depositing a semiconductor layer before depositing the metal film. The success rate of the film texture regulation is high, and the deposition parameters need not be adjusted complex, and the expensive single crystal matrix needed by the epitaxy growth method is not needed. For Al deposited films in specific schemes, only deposition on Ge substrates can change their texture from traditional low energy surface (111) to special high energy surface (110).
【技术实现步骤摘要】
一种利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构的方法
本专利技术属于金属薄膜材料制备领域，具体涉及一种利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构及制备方法。技术背景气相沉积金属薄膜材料作为现代工业
的重要组成部件，在催化反应、集成电路、信息储存、显示器、传感器等方面有着广泛的应用。用各种原子沉积技术生长的薄膜，一般都是特定织构的多晶体。织构的变化对于金属薄膜的性能的开发至关重要。比如，金属铜薄膜在<111>晶向上的弹性模量是<110>晶向上的2.9倍[Deformationandfracturemechanicsofengineeringmaterials,Wiley,NewYork,1996]；在铜(110)面上其氧化物、硅化物的催化反应速率要明显快于(111)面[ActaMetall.,4(1956)145；J.Appl.Phys.,67(1990)566]；相比于其他晶面，Al(110)面在自组装纳米结构[Phys.Rev.Lett.,91(2003)016102]以及羟基催化反应[Langmuir,10(1994)2629]中有着独特的优势。一般认为薄膜织构的形成与沉积工艺、基体温度、基体偏压、沉积时反应室填充气体比例等因素有关。J.Gao等人[JournalofVacuumScience&TechnologyAVacuumSurfaces&Films,29(2011)051507]在Si(100)，FTO和CdS基体上沉积CdTe薄膜，发现不同基体上沉积的CdTe薄膜织构强弱顺序为Si(100)>;FTO>CdS；D.Roma等人[MaterialsChemistry&Physics,130(2011)147]认为沉积的ZrN薄膜(111)织构强度随着基体温度的升高而降低；V.V.Balashev等人[PhysicsoftheSolidState,57(2015)2532]研究了氧气压强对沉积Fe3O4薄膜的影响，结果表明随着氧气压强的增加，Fe3O4薄膜织构由随机取向变为(311)或者(110)的具体取向；Lee等人[Metallurgical&MaterialsTransactionsA,44(2013)152]研究了退火温度对沉积纳米Cu薄膜的织构影响，发现随着退火温度的升高，薄膜织构从原先的<110>向<112>方向发展。可以看出传统改变沉积参数的方法并不能很好控制薄膜气相沉积时的织构，织构变化不明显或者不稳定，而且就算能够通过改变沉积气流、基体温度等条件来改变生长薄膜的织构，往往这些沉积参数并不能很好的适用于所有气相沉积设备，而且调控织构的方式比较复杂，容易造成资源浪费且成品率低。如果采用外延生长的传统方式改变薄膜生长织构则往往需要单晶基体，单晶制备成本高昂，且工艺复杂。如果采用后续热处理加工的方式来改变沉积薄膜的织构，则具有工序增加，能耗增加等缺点。当半导体与金属接触时，半导体原子在金属/半导体界面有着不寻常的高原子迁移率，本专利技术基于这一现象，提出在气相沉积过程中，利用半导体基体来调控金属薄膜织构的方法，即在金属的沉积过程中活跃的半导体原子能够影响并改变金属薄膜的形核与生长。与传统改变薄膜织构的方式相比，本专利技术可以只对基体进行简单预处理，即通过在基体上预先沉积一层半导体作为基体，继而沉积金属薄膜。本专利技术能够有效改变沉积金属薄膜的织构并且细化纳米晶粒，方法简单有效，具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术利用半导体基体来调控金属薄膜织构，该方法优于传统外延生长(需要高成本的单晶基体)对薄膜的织构调控。基于半导体原子在金属-半导体界面的高迁移率来改变沉积金属薄膜的形核长大过程，这些金属[如Al、Ni、Cu、Pt、Pd、Au、Bi，Metal-InducedCrystallization,PanStanford,NewYork,2015]能够使得半导体原子在其接触界面获得高的原子迁移率。基体可以直接采用半导体基体或者在非半导体基体上采用气相沉积先沉积一层半导体层作为基体，然后在半导体基体表面沉积制备金属薄膜，采用本专利技术方法制备的金属薄膜织构不同于在传统非半导体基体上沉积的金属薄膜织构。不同织构的金属薄膜拥有不同的性能，通过对金属薄膜(Al、Ni、Cu、Pt、Pd、Au、Bi)的织构的调控能够使其拥有更加优异的性能。如对于Al薄膜来说，采用本方法制备的金属Al薄膜呈现高能量面的(110)特殊织构而不是一般fcc金属薄膜制备所呈现的(111)最低能量面织构，Al(110)在纳米结构自组装领域以及羟基化催化反应领域有着优于其他晶面织构的优势[Phys.Rev.Lett.,91(2003)016102；Langmuir,10(1994)2629-2635]。并且该方法制备的金属薄膜晶粒更加细小，强度更高，为先进金属薄膜在微电子器件等方面的应用提供了技术支持。具体技术方案如下：一种利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构，在半导体基体层上沉积一层金属薄膜，包括如下步骤：1).半导体基体的准备准备一个非半导体基体，在其上沉积一层半导体层作为基体或者直接准备一个半导体基体；2).金属薄膜的沉积在半导体基体表面沉积一层目标金属薄膜。所述的半导体可以是Ge或者Si或者Si-Ge合金，表面无氧化或其他一些杂质层。所述的沉积的目标金属可以是纯金属或者合金，至少包含一种下列金属元素：Al、Au、Ni、Cu、Pt、Pd或Bi等。所述沉积的目标金属薄膜织构的择优取向与在非半导体基体上沉积的薄膜织构的择优取向不同。优选沉积的目标金属薄膜晶粒尺寸小于在非半导体基体上沉积的晶粒尺寸。优选沉积方式为气相沉积。具体说明如下：采用气相沉积的方式制备金属薄膜。如图1所示，首先准备一个非半导体基体，对基体进行清洗，然后吹干，在基体上沉积一层半导体层作为基体，或者直接准备一个表面纯净无杂质层的半导体基体；然后在半导体基体表面沉积制备金属薄膜，金属至少包含一种下列金属元素：Al、Ni、Cu、Pt、Pd、Au、Bi。与在非半导体基体上沉积的金属薄膜相比，在半导体基体上沉积的金属薄膜织构发生了明显变化，晶粒尺寸更加细小。本专利技术的优点：1.沉积方式简单，织构变化明显。可以在沉积金属薄膜之前简单地沉积一层半导体层即可明显改变薄膜织构的生长方式，薄膜织构调控成功率高，不需要复杂地调整沉积参数，无需外延生长方法所需的昂贵单晶基体。对于具体方案中的Al沉积薄膜，仅需要在Ge基体上沉积就能使其织构从传统的低能量面(111)变为了特殊的高能量面(110)。2.本方法制备的纳米晶金属薄膜晶粒比普通方式沉积的金属薄膜晶粒更加细小，如图4所示，对于Al薄膜，晶粒大小从常规的142±78nm变为更小的104±35nm。拥有更好的机械性能，为进一步在催化、微电子器件方面的应用提供了技术支持。3.在常温下即可沉积薄膜，实现织构显著变化，如图2、图3所示，对于Al薄膜，由面心立方金属常见的(111)低能织构变为罕见的(110)高能织构，不需要后续退火加热调控织构的步骤，可以减少能源消耗，如对于Al薄膜，热处理必须加热到再结晶温度(350℃)才会发生织构的改变，而本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构，其特征是在半导体基体层上沉积一层金属薄膜。
【技术特征摘要】
1.利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构，其特征是在半导体基体层上沉积一层金属薄膜。2.权利要求1的利用半导体基体来调控气相沉积金属薄膜织构的方法，其特征是包括如下步骤：1).半导体基体的准备准备一个非半导体基体在其上沉积一层半导体层作为基体，或者直接准备一个半导体基体；2).金属薄膜的沉积在半导体基体表面沉积一层目标金属薄膜。3.根据权利要求2所述的方法，其特征是半导体是Ge或者Si或者Si-Ge合金。...
【专利技术属性】
技术研发人员：王祖敏，王璟，刘永长，赵欢欢，刘晨曦，余黎明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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