半导体型β-FeSi_2和β-Fe(C,Si)_2薄膜的离子注入合成及薄膜的微观影响因素

【摘要】： 本文采用MEVVA源(Metal Vapor Vacuum Arc Ion Source)离子注入合成半导体型β-FeSi_2和β-Fe(C，Si)_2薄膜，用常规透射电镜(TEM)、高分辨电镜(HREM)和掠入射X射线衍射(GAXRD)等手段研究了不同制备参数下薄膜的显微结构变化。 研究结果表明：调整注入能量和剂量，可以得到厚度不同的β-FeSi_2表面层和埋入层。制备过程中生成的α、β、γ和CsCl型FeSi_2相的相变顺序为γ-FeSi_2→β-FeSi_2→α-FeSi_2，CsCl-FeSi_2→β-FeSi_2→α-FeSi_2或β-FeSi_2→α-FeSi_2。当注入参数增加到60KV、4×10~(17)ions／cm~2，就会导致非晶的形成，非晶在退火后会晶化为β-FeSi_2相，相变顺序就变为非晶→β-FeSi_2→α-FeSi_2。由于非晶的形成，使得退火后晶粒要经重新形核和长大的过程，所以在同样的退火条件下，与未形成非晶的样品比，硅化物颗粒要小。 随退火温度逐渐升高硅化物颗粒逐渐长大，小的硅化物颗粒逐渐合并，合并后的颗粒有向基体内部生长的趋势，在一定的退火温度硅化物层会收缩断裂为一个个小岛状，使得硅化物／硅界面平整度下降。在形成埋层硅化物的情况下，随退火温度的升高埋层会向样品表面移动，直到将埋入层变为表面层。另外随退火温度变化的还有注入损伤层，随退火温度的升高注入损伤逐渐恢复，损伤层厚度逐渐减小，到850℃的时候硅化物层断裂，损伤层则上升到样品表面。 选择C作为掺杂元素，对注入合成的β-FoSi_2薄膜进行了进一步的研究，得到了β-FeSi_2硅化物层与基体间的界面平直、厚度均一的高质量薄膜。经透射电镜分析可知引入碳离子后硅化物层的微结构向有利于薄膜质量的方向的发展，晶粒得到细化，β-FeSi_2层稳定性提高，因此从微结构角度考虑，引入C离子对于提高β-FeSi_2薄膜的质量是很有益处的。进一步进行光学吸收表征，发现C离子的引入对β-FeSi_2层的E_g~d值没有产生不良影响，所以综合来况C离子的引入有利于得到高质量的β-FeSi_2薄膜。另外我们还讨论了E_g~d值的影响因素，如制备方法、工艺参数、基体取向、掺杂离子种类、掺杂离子数量、退火温度等等，解释了为什么不同文献报道的E_g~d值有所不同。 大连理工大《博士学位论文 利用GAXRD和Ceiref程序对不同制备工艺下的薄膜的晶格常数进行精确 的拟和，可以证实退火确实有利于pI。薄膜的生成，并有利于薄膜质量的 提高。当掺杂的碳离子含量为C／Fe工0．5％时，pF。晶格膨胀，其原因可能在 于原子半径小的碳占据了p＊。单胞的间隙位置，形成间隙型固溶体，使晶 格膨胀；当掺杂的碳离子含量增加到一定的程度时，趋向于形成置换固溶体， 因为碳和硅属同族元素价态相同，所以碳会置换p＊。单胞中的部分硅原子， 由于碳的原子半径小于硅的原子半径，置换后的单胞体积会缩小。 离子注入合成的p干。薄膜中总是存在多种取向关系，而且衍的 （10） 面上有4 个性质相 同的＜011＞方向，p－Fest。的b 轴和c 轴又 几乎相等，这都容易形成孪晶，使得界面情况变得复杂。因此复杂的取向关系 是p干。薄膜质量差的本质原因之一。 为了更深入地了解p干 ／St取向关系，本文利用晶界取向理论对其进行 了计 算，结果表明卜Fest。＊ 最佳取向关系都在（100）p／／（100）s计 N10儿八011＼；附近，但不完全与之相同，x、x、z方向都有小的转角，从理 论上证实了取向关系要通过转角来调整失配。由于退火和掺杂引起的晶格常数 的变化并没有改变最佳取向关系的位置，只是微调了空间转角。另外还计算出 （111）s；与（11）p之间全部有4”一6”的空间角，将这个角投影至【001」p方向或 N刁1入；方向，就可以从理论上解释为什么会在高分辨照片上观察到的近4”的 转角。 我们还了解到两种晶格间不存在完全平行的低指数晶面，当采用最佳取向 外延生长时，无论是选择（111）s；（与（110） 肥配）或（100）s；（与（100）p相匹 配）都很困难，因为＊1）s；与豆0） 和O0O儿 与＊O）间总是有一定的转角， 这就很容易形成界面台阶，恶化界面状况。

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TB43