專利名稱：一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代材料學(xué)的重要組成部分，對現(xiàn)代文明的發(fā)展起著舉足輕重的作用。鋅的多種二元化合物材料特別是ZnO材料已經(jīng)得到廣泛的研究，P型摻雜的ZnO是制備 ZnO結(jié)型器件的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)SiO基光電器件的關(guān)鍵，對解決新型SiO短波長發(fā)光器件、拓寬 ZnO薄膜應(yīng)用領(lǐng)域等方面具有重要意義。Si3N2被認(rèn)為是制備高質(zhì)量P型摻雜的ZnO材料和發(fā)光二極管的重要潛在材料，具有重大的商業(yè)價值，然而其研究還相對較少。用薄膜作為前驅(qū)體，通過熱氧化薄膜制備P型ZnO薄膜，此方法可以提供足夠的活性N摻雜源，提高N在ZnO中的固溶度。通過對Zn#2薄膜制備方法的研究，發(fā)現(xiàn)Zn#2薄膜十分重要但研究相對較少，對Si3N2薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的研究比較少，甚至關(guān)于Si3N2薄膜自身的禁帶寬度都存在廣泛的爭議。制備方法和生長條件的差異，對其帶隙的影響十分顯著。通過對現(xiàn)有文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，制備Zn3N2薄膜的方法有反應(yīng)射頻磁控濺射Si3N2陶瓷靶在石英襯底制備薄膜，參見山東大學(xué)宗福建等人的“用反應(yīng)射頻磁控濺射陶瓷靶在石英襯底制備Si3N2薄膜的光學(xué)帶隙”，《應(yīng)用表面科學(xué)》252 (2006) 7983-7986 (Fujian Zong, Honglei Ma, Wei Du, et al. Optical band gap of zinc nitride films prepared on quartz substrates from a zinc nitride target by reactive rf magnetron sputtering, Applied Surface Science 252^006)7983-7986)；反應(yīng)射頻磁控溉射金屬 Zn靶在石英襯底制備薄膜，參見蘭州大學(xué)張軍等人的“襯底溫度和氮氣分壓對Si3N2 薄膜的性能影響”，《半導(dǎo)體學(xué)報》沘0007) 1173-1178 (zhang Jun, Xie Erqing，F(xiàn)u Yujun, et al. Influence of substrate temperature and nitrogen gas on zinc nitride thin films prepared by rf reactive sputtering, Chinese Journal of Semiconductors 28(2007)1173-1178)。用反應(yīng)射頻磁控濺射Si3N2陶瓷靶在石英襯底制備Si3N2薄膜，濺射氣體采用 99. 999%的高純N2, N2氣壓強維持在1. 2Pa,濺射功率110W,襯底溫度室溫。多晶Si3N2薄膜呈現(xiàn)(321)和(442)擇優(yōu)取向，屬于間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度2. 12eV。Zn3N2陶瓷靶制備工藝復(fù)雜，靶的成本高，靶材不能回收利用，目前市場上沒有靶材廠家生產(chǎn)和銷售Si3N2陶瓷靶。用反應(yīng)射頻磁控濺射金屬Si靶在石英襯底制備Si3N2薄膜，濺射氣體采用隊-Ar混合氣體，濺射氣體壓強維持在1. 2Pa，濺射功率50W，襯底溫度200°C。多晶薄膜呈現(xiàn) (321)擇優(yōu)取向，屬于直接帶隙半導(dǎo)體，N2分壓50%時樣品的光學(xué)帶隙為1.23eV。金屬Si 靶較陶瓷靶制造方便，但襯底加熱使工藝復(fù)雜，薄膜的光學(xué)帶隙較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)中的不足而提供一種用反應(yīng)射頻磁控濺射金屬ai靶在石英襯底上制備多晶氮化鋅薄膜的方法，該方法成本低廉、靶材制造方便且可回收利用、襯底不需要加熱，所制成的薄膜光學(xué)帶隙大。本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到—種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，其特征是濺射氣體采用Ar氣，反應(yīng)氣體采用NH3 氣，在石英襯底上室溫制備出多晶薄膜，步驟如下(ι)將高純度的金屬ai靶安裝在射頻磁控濺射裝置的濺射室的水冷的陰極靶槽中，將清洗過的石英襯底放入襯底架，把襯底架插入濺射室的襯底轉(zhuǎn)盤中，調(diào)整ai靶與襯底之間的距離為50-80mm;(2)對濺射室進行抽氣，使濺射室的基礎(chǔ)真空小于1.0X10_3Pa，襯底溫度室溫；(3)向濺射室內(nèi)充入濺射氣體Ar和反應(yīng)氣體NH3, Ar氣的流量和NH3氣的流量分別用質(zhì)量流量計獨立控制，NH3氣的流量范圍在l-kCCm，Ar氣的流量范圍在15-19sCCm，Ar 氣和NH3氣的流量總和20sccm ；(4)調(diào)節(jié)控制閥減少抽氣量，使濺射室的Ar-NHjg合氣體的氣體壓強為 0. 5-2. 5Pa，射頻濺射功率30-200W，最后射頻磁控濺射，制得多晶薄膜。上述步驟(1)中金屬Si靶的純度大于99. 99wt. %。上述步驟(1)中金屬S1靶的形狀為圓形，直徑為60mm。上述步驟(3)中濺射氣體Ar氣的純度為99.99%，反應(yīng)氣體NH3氣的純度為 99. 9%。在優(yōu)選工藝條件下，即Si靶與襯底之間的距離為60mm，濺射室的基礎(chǔ)真空 6. OX IO^4Pa,濺射氣體Ar氣的流量16sccm，反應(yīng)氣體NH3氣的流量如ccm，濺射室的Ar-NH3 混合氣體的氣體壓強為l.OPa，射頻濺射功率70W，制得多晶氮化鋅薄膜呈現(xiàn)(321)擇優(yōu)取向，屬于間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度2. 63eV。本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)良效果如下用反應(yīng)射頻磁控濺射Si3N2陶瓷靶在石英襯底制備多晶Si3N2薄膜，Zn3N2陶瓷靶制備工藝復(fù)雜，靶的成本高，靶材不能回收利用，目前市場上沒有靶材廠家生產(chǎn)和銷售Si3N2 陶瓷靶。用反應(yīng)射頻磁控濺射金屬Si靶在石英襯底制備多晶薄膜，襯底加熱使工藝復(fù)雜，薄膜的光學(xué)帶隙較小，僅有1. 23eV。本發(fā)明的方法制備多晶薄膜，該方法成本低廉、靶材制造方便且可回收利用、襯底不需要加熱，所制成的SI3N2薄膜光學(xué)帶隙大。具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細(xì)說明實施例1 (1)將純度99. 99wt. 9 %，直徑60mm的金屬Si靶安裝在射頻磁控濺射裝置的濺射室的水冷的陰極靶槽中，將清洗過的石英襯底放入襯底架，把襯底架插入濺射室的襯底轉(zhuǎn)盤中，調(diào)整Si靶與襯底之間的距離為60mm ；(2)對濺射室進行抽氣，使濺射室的基礎(chǔ)真空為6. OX 10_4Pa，襯底溫度室溫。(3)向濺射室內(nèi)充入純度為99. 99%的濺射氣體Ar和純度為99. 9%的反應(yīng)氣體 NH3, NH3氣的流量4sccm，Ar氣的流量16sccm，Ar氣和NH3氣的流量總和20sccm。(4)調(diào)節(jié)控制閥減少抽氣量，使濺射室的Ar-NH3混合氣體的氣體壓強為1. OPa,射頻濺射功率70W，薄膜厚度400nm。制得多晶氮化鋅薄膜呈現(xiàn)(321)擇優(yōu)取向，屬于間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度2. 63eV。實施例2
濺射用靶與實施例1相同，所不同的是步驟(1)中Si靶與襯底之間的距離為 50mm,步驟⑵中濺射室基礎(chǔ)真空9. OX 10_4Pa，步驟(3)中NH3氣的流量lsccm，Ar氣的流量19sCCm，步驟中濺射室的Ar-NH3混合氣體的氣體壓強為0. 5Pa，射頻濺射功率30W。 薄膜其它制備條件與實施例1相同。制得多晶SiJ2薄膜呈現(xiàn)(321)和(22 擇優(yōu)取向，屬于間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度2. 33eV。實施例3 濺射用靶與實施例1相同，所不同的是步驟(1)中靶與襯底之間的距離為80mm，步驟(3)中NH3氣的流量kccm，Ar氣的流量ISsccm，步驟中濺射室的Ar-NH3混合氣體的氣體爪強為2.5Pa，射頻濺射功率200W。薄膜其它制備條件與實施例1相同。制得多晶 Si諷薄膜呈現(xiàn)(321)和(222)擇優(yōu)取向，屬于間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度2. 38eV。實施例4 濺射用靶與實施例1相同，所不同的是步驟(1)中靶與襯底之間的距離為70mm，步驟(3)中NH3氣的流量3sCCm，Ar氣的流量17sCCm，步驟中濺射室的Ar-NH3混合氣體的氣體壓強為2.0Pa，射頻濺射功率150W。薄膜其它制備條件與實施例1相同。制得多晶 Si諷薄膜呈現(xiàn)(321)和(222)擇優(yōu)取向，屬于間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度2. 58eV。實施例5 濺射用靶與實施例1相同，所不同的是步驟(3)中NH3氣的流量kccm，Ar氣的流量lkccm，步驟中濺射室的Ar-NH3混合氣體的氣體壓強為1. 5Pa，射頻濺射功率50W。 薄膜其它制備條件與實施例1相同。制得多晶Si諷薄膜呈現(xiàn)(321)擇優(yōu)取向，屬于間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度2. 70eV。
權(quán)利要求
1.一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，步驟如下(1)將高純度的金屬ai靶安裝在射頻磁控濺射裝置的濺射室的水冷的陰極靶槽中，將清洗過的石英襯底放入襯底架，把襯底架插入濺射室的襯底轉(zhuǎn)盤中，調(diào)整ai靶與襯底之間的距離為50-80mm ；(2)對濺射室進行抽氣，使濺射室的基礎(chǔ)真空小于1.0X10_3Pa，襯底溫度室溫；(3)向濺射室內(nèi)充入濺射氣體Ar和反應(yīng)氣體NH3,Ar氣的流量和NH3氣的流量分別用質(zhì)量流量計獨立控制，NH3氣的流量范圍在l-kccm，Ar氣的流量范圍在15-19sCCm，Ar氣和NH3氣的流量總和20sccm ；(4)調(diào)節(jié)控制閥減少抽氣量，使濺射室的Ar-NH3混合氣體的氣體壓強為0.5-2. 5Pa,射頻濺射功率30-200W，最后射頻磁控濺射，制得多晶薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(1) 中金屬Si靶的純度大于99. 99wt. %。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(1) 中金屬Si靶的形狀為圓形，直徑為60mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟(3) 中濺射氣體Ar氣的純度為99. 99%，反應(yīng)氣體NH3氣的純度為99.9%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域。用反應(yīng)射頻磁控濺射技術(shù)在石英襯底上室溫制備出具有多晶結(jié)構(gòu)的Zn3N2薄膜，濺射靶為純金屬Zn靶，濺射靶與襯底之間的距離為50-80mm，濺射室的基礎(chǔ)真空小于1.0×10-3Pa，濺射氣體為Ar氣，反應(yīng)氣體為NH3氣。NH3氣的流量范圍在1-5sccm，Ar氣的流量范圍在15-19sccm，Ar氣和NH3氣的流量總和20sccm。濺射室的Ar-NH3混合氣體的壓強為0.5-2.5Pa，射頻濺射功率30-200W，襯底溫度室溫。本發(fā)明的優(yōu)點是成本低廉、靶材制造方便且可回收利用、襯底不需要加熱，所制成的Zn3N2薄膜光學(xué)帶隙大。
文檔編號C23C14/06GK102392215SQ201110369249
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者趙銀女, 閆金良 申請人:魯東大學(xué)