微波氢等离子体制备金属硅化物薄膜的方法 【技术领域】
本发明涉及一种制备金属硅化物薄膜的方法，具体是一种微波氢等离子体制备金属硅化物薄膜的方法。用于薄膜制备领域。
背景技术
微波是一种高频电磁波，其频率范围为0.3～300GHz。微波加热是利用电介质在高频电场中的介质损耗，将微波能转化为热能。微波等离子加热则是利用稀薄气体在高频电磁场中电离产生等离子体辉光放电，将微波能转变成热能。置于微波等离子体中的固态介质，不仅受到高强微波电场作用下的等离子体对介质表面的轰击，使之迅速升温，还不可避免地受微波电磁场的直接照射，而可能影响到其理化性质。
经对现有技术文献的检索发现，发明专利96115436.5，可以降低烧结温度，缩短烧结时间，改善陶瓷性能等。但是传统上的概念金属是反射微波的，而不是如陶瓷那样能直接吸收微波将电磁能转化为热能。因此很少有将微波用于金属的热处理，也没有见到将微波用于制备金属硅化物薄膜的报道。但是，当金属薄膜的厚度进入到纳米尺度时，金属薄膜对微波的反射并不是很严重，部分或大部分微波可以透过金属薄膜传播，直接抵达金属薄膜与衬底的界面处。另一方面，微波场可以在稀薄气体中激发等离子体，使浸没在其中的金属膜和衬底迅速升温。这两者都将促进金属膜和衬底之间的固相反应。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种微波氢等离子体制备金属硅化物薄膜的方法。使其可以快速地、大面积地制备纳米级厚度的金属硅化物薄膜，和半导体微电子工艺相兼容，并且可以有效地防止金属薄膜的氧化。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明用微波氢等离子体热处理使纳米级厚度地金属薄膜与硅衬底实现固相反应制备金属硅化物薄膜，首先将纳米金属级厚度的金属薄膜预沉积于硅衬底上，并置于微波加热装置中的反应室中，反应室抽真空后充入氢气，用于产生加热等离子体和还原性保护氛围，然后微波由反应室的顶部馈入并产生氢等离子体，硅衬底温度通过调节微波功率控制，并由外部红外测温仪透过位于反应室上侧部的石英窗口测量，当温度达到设定值后，调节微波功率，使温度达到稳定，金属薄膜与硅衬底在等离子体高温和微波的双重作用下进行固相反应，形成金属硅化物薄膜。
本发明适用于铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)高熔点金属硅化物薄膜制备，其金属膜的厚度小于100纳米。
本发明在反应室中馈入的微波是2.45GHz的微波。其作用在于：①2.45GHz的微波很容易在给定的氢气氛中形成低温氢等离子体。②2.45GHz的微波在小于100纳米厚度的金属薄膜中具有较高的透过率，微波可透过金属薄膜直接作用在金属和硅衬底的界面。
本发明在装置中的反应室抽真空后，充入一定量的氢气。其作用在于：①产生氢等离子体，以加热硅衬底。②在反应室内形成还原性保护气氛，以防止金属氧化。③氢气的高导热率利于硅衬底快速均匀地加热和快速冷却。反应室本底真空度高于1×10-3Pa，充入氢气的压强为0.5~5kPa。
沉积在硅衬底上的金属薄膜在热处理之前必须得到很好的保护，防止活泼金属被氧化或污染。硅需置于石英支架上，使试样沉积有金属一面正对测温窗口，以实现红外测温。使用的石英支架结构和位置应尽量避免影响到等离子场的均匀性。红外测温仪事前按照薄膜种类及表面粗糙状态调整好表面发射率参数。
升温速率和恒温温度都可由微波功率调节，不同的微波功率对应不同的升温速率。在恒温阶段，微波功率也应保持可调节状态以保证温度的稳定。
关闭微波源可实现迅速降温，另外还可加大通入氢气量或其他的辅助手段来提高降温速度。
在本发明中，样品浸没在微波氢等离子体中，在氢等离子体热场和微波电磁场的双重作用下，金属薄膜与硅衬底之间进行固相反应的化学推动力较单纯加热的方法大大地增强。有利于提高反应速度、降低反应温度。并且有利于金属硅化物的稳态相的生成。
【具体实施方式】
结合本发明方法的内容提供以下实施例：
实施例1微波氢等离子体热处理制备Ti-Si化合物在硅衬底上溅射100nm厚的金属钛(Ti)膜，微波反应室抽真空至1×10-3Pa，充入3kPa压力的氢气。从反应室顶部馈入2.45GHz的微波，氢等离子体起辉后，在10秒内温度升到800℃，恒温3分钟。关闭微波源，升高氢气压力至25kPa，硅衬底迅速冷却至室温。反应后薄膜的方块电阻从反应前的70Ω/□下降到8.5Ω/□，X光衍射分析表明，微波氢等离子体热处理后生成了C54相的TiSi2化合物。
实施例2微波氢等离子体热处理制备Co-Si化合物
在硅衬底上溅射80nm厚的金属钴(Co)膜，微波反应室抽真空至1×10-3Pa，充入5kPa压力的氢气。从反应室顶部馈入2.45GHz的微波，氢等离子体起辉后，在600℃恒温3分钟。关闭微波源，升高氢气压力至25kPa，硅衬底迅速冷却至室温。反应后薄膜的方块电阻从反应前的10Ω/□下降到2.6Ω/□，X光衍射分析表明，微波氢等离子体热处理后生成了CoSi2多硅化合物。 这比在单纯的热处理条件下，多硅化合物CoSi2的形成温度低50-100℃。并且没有过渡形态Co2Si及CoSi的首先形成。微波氢等离子体热处理促进了多硅稳定相CoSi2的形成。
实施例3微波氢等离子体热处理制备Ni-Si化合物
在硅衬底上溅射100nm厚的金属镍(Ni)膜，微波反应室抽真空至1×10-3Pa，充入0.5kPa压力的氢气。从反应室顶部馈入2.45GHz的微波，氢等离子体起辉后，在500℃恒温3分钟。关闭微波源，升高氢气压力至25kPa，硅衬底迅速冷却至室温。X光衍射分析表明，微波氢等离子体热处理后生成了NiSi2多硅化合物。在常规的热处理中，NiSi2在700℃以上的高温才出现，微波退火热处理使NiSi2在500℃便直接形成了，并且没有过渡形态Ni2Si及NiSi的首先形成。微波氢等离子体热处理促进了多硅稳定相NiSi2的形成。