一种常温下制备化合物薄膜的方法技术

本发明专利技术是一种在常温条件下合成制备化合物薄膜材料的方法。现有技术尚无把电子回旋共振微波放电技术和脉冲激光沉积技术结合起来制备薄膜材料的方法。本项发明专利技术的方法是：在电子回旋共振条件下对特定的工作气体进行微波放电产生微波等离子体，在微波等离子体环境中用脉冲激光烧蚀相应的源材料靶引发激光等离子体，微波等离子体中的活性成分和激光烧蚀产生的气相靶物质发生反应，低能等离子体束流对衬底和膜层的轰击进一步引发和增强表面反应，促进成核和膜层形成。本发明专利技术可以同时解决常温条件下化合物的形成和膜层生长这两个问题，适用范围广，特别适合于常温条件下化合物薄膜的合成制备。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种常温合成制备化合物薄膜的新方法，该方法结合了电子回旋共振微波放电和脉冲激光沉积两种技术，两者特点的综合和电子回旋共振等离子体的辅助有效地降低了化合物形成和膜层生长对温度的要求，同时解决了常温条件下的化合物形成和膜层生长这两个问题，特别适合于化合物薄膜的常温合成制备。目前，常用的薄膜气相制备技术，包括蒸发沉积、溅射沉积、分子束外延以及各种化学气相沉积等技术，通常要求较高的沉积温度(600℃甚至更高)，即使是近年发展起来的脉冲激光沉积技术，也往往需要对衬底加热以满足膜层生长、制备高质量薄膜的要求。长时间的高温可能引起衬底或预埋层热损伤，导致所制备的器件性能降低甚至失效。解决这一问题目前常用的方法是由上述这些基本的沉积技术所衍生的离子镀，即在薄膜沉积的同时用载能离子束轰击衬底和膜层，以降低膜层生长所需的温度，但是技术难，成本高，效果不显著。此外，化合物薄膜的制备还要求在可以控制的具有化学活性的环境中进行。通常要借助一定手段，如气体放电，以提供合适的化学活性的环境以满足化合物形成的需要，但是目前尚无该类方法的报导。本专利技术把脉冲激光沉积(pulsed laser deposition，PLD)和电子回旋共振(electron cyclotronresonance，ECR)微波放电两种技术以一定的形式结合起来。本专利技术的技术是1)在ECR条件下对特定的工作气体进行微波放电产生高密度、高电离度、高化学活性的ECR微波放电等离子体(简称ECR等离子体)；2)在ECR等离子体环境中，用脉冲激光烧蚀相应的源材料靶引发由烧蚀产生的靶物质(简称烧蚀产物)形成的激光等离子体；3)在这两种等离子体的交迭区，ECR等离子体中的活性成分和被激光烧蚀出来的靶物质发生气相反应；4)在成膜过程中，衬底和膜层处于低能等离子体束流的轰击下，这种轰击进一步引发和增强表面反应，促进成核和膜层生长。本专利技术方法的具体制备步骤是将衬底抛光清洗后固定在与靶面平行的样品架上，将薄膜制备室和微波放电腔抽至真空，然后向放电腔内充入工作气体，稳定磁场后向放电腔输入微波，引发ECR微波等离子体，微波等离子体进入与放电腔相通的薄膜制备室，最后向薄膜制备室引入与制备室内靶面成45°的激光，该激光器置于薄膜制备室之外，激光束通过制备室窗口引入。本专利技术方法的具体制备条件是制备薄膜的衬底与制备室内靶面相距3-6cm，薄膜制备室和微波放电腔真空达10-6～10-4Pa，工作气体气压是9×10-3～1×10-1Pa，放电腔的微波功率是300-1000W，激光频率一般是1-50Hz，宽度在ns量级，激光能量密度1-8J/cm2。脉冲激光沉积在薄膜制备方面已有成功应用，几乎任何种类的固态和液态材料都可以作为源材料，也可能形成常规条件下难以形成的物相。ECR微波放电是目前最有效的气体放电技术之一，它可以产生高密度、高电离度、高化学活性的等离子体，为化学反应提供高度化学活性的气相环境；ECR微波放电产生的低能等离子体束流还可以对材料表面产生直接的作用。上述专利技术的制备方法可用如下装置实现整套装置由微波部份、微波放电装置、配气系统(5)、材料处理室(6)和真空机组(7)组成，另配一台激光器(9)和若干光学元件(10)，如附图说明图1所示。微波装置中的微波源产生的微波通过连接其后的微波传输耦合装置提供给放电装置。其中ECR微波放电腔(简称放电腔)是产生ECR等离子体的场所，它上端与配气系统连接，腔外绕有电磁线圈；放电腔与材料处理室直接连接，材料处理室是对材料进行多种加工处理的场所，它不仅直接与放电腔连通，并带有八个相同的法兰接口(8)(图1中只画出其中一个用作光学窗口的法兰，在图2中八个法兰均按实际部位画出)，分别用作光学窗口或安装样品架(12)和源材料靶(13)；真空机组与处理室连接，但置于处理室的外部。激光器放置在处理室外部，输出的激光束(18)通过光学元件后可以根据需要从不同的光学窗口以不同方向引入材料处理室；样品架安装在一个法兰接口上，用于放置衬底(11)，并可以在处理室外通过磁传动机构调整处理室内样品架的位置和方位；源材料靶安装在另一个法兰接口上，可以由处理室外的电机通过磁传动机构控制其转动，不需要时可以拆卸；为了便于调整用于材料处理的等离子体束流的能量，还可以在衬底上加一定的偏置电压(14)。由真空机组对放电腔和材料处理室抽真空，通过配气系统向放电腔充入一定种类、一定气压的工作气体；通电电磁线圈提供满足ECR工作状态所需的恒定磁场；由微波源通过微波传输耦合系统向放电腔输入微波功率，在ECR状态下对工作气体进行微波放电从而在放电腔内产生ECR等离子体。本专利技术制备时，可以在制备室内待制备的衬底材料上连接偏置电压，由于ECR微波放电产生的低能等离子体束流可以对材料表面产生直接作用，而等离子体束流的能量可以通过加在材料上的偏置电压调整。偏置电压可在0～-500V范围内调整。本专利技术的激光器可用脉冲激光器，制膜十分适用，如NaYAG激光器、准分子激光器等。波长由所用激光器决定。应用本专利技术的方法合成制备化合物薄膜，原材料可以是单质材料，例如制备Si3N4薄膜用的原材料是硅和氮气，制备SiO2薄膜原材料是硅和氧气，制备CN薄膜用的原材料是石墨和氮气，等等。也可以是化合物，如制备BCN薄膜用的原材料是B4C、制GaN时用原材料是GaAS。在这一方法的成膜过程中，化合物的形成和膜层的生长是同时完成的，是化合物薄膜的一步法合成制备方法，不需要中间步骤。ECR微波放电和脉冲激光沉积两种技术特点的综合和低能等离子体束流的辅助轰击大大降低了化合物形成和膜层生长对温度的要求，使得化合物薄膜的常温制备得以实现。本专利技术把脉冲激光沉积和ECR微波放电两种技术有机地结合起来，综合了两者的特点。机理探讨和具体实例证实这一方法具有以下主要特点1)脉冲激光沉积包含强烈的非平衡过程，因此可以突破平衡热力学的某些限制，几乎任何种类的固态和液态材料都可以被激光所烧蚀，因而靶材料的选择不受限制，也可以形成通常条件下难以形成的物相，包括亚稳相；2)化合物的合成通常受限于活性成分的提供，对气体进行ECR微波放电可以引发ECR微波等离子体，提供大量化学活性高的气相成分，它们易于与激光烧蚀产物反应；3)烧蚀产物具有较高的内能和动能，它们以超声速输运至衬底后仍具有较大的表面迁移率，可以在较低温度下成核；4)低能等离子体束流对衬底和膜层的轰击有利于化合物的形成和膜物质的凝聚成核，促进膜层的生长。上述特点使得ECR-PLD方法特别适合于常温条件下化合物薄膜的合成制备。图2是本专利技术的实施例的装置示意图。上述图中，1是微波源，2是微波传输耦合系统，3是ECR微波放电腔，4是电磁线圈及配套的线圈电源，5是配气系统，6是材料处理室，7是真空机组，8是材料处理室上的法兰接口，9是激光器，10光学元件，11是衬底，12是样品架，13是源材料靶，14是偏置电压，15是ECR等离子体，16是由激光烧蚀产物形成的激光等离子体，17是激光束。材料处理室带有八个相同的法兰接口分别用作光学窗口或用来安装样品架和源材料靶，图1中只画出其中一个用作光学窗口的法兰，图2中八个法兰均按实际部位画出。实施例一.氮化硅(Si3N4)薄膜的制备以本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种常温下制备化合物薄膜的方法，其特征是将电子回旋共振微波放电技术和脉冲激光沉积技术结合，在薄膜制备室内引入微波等离子体，在此等离子体环境中用脉冲激光烧蚀相应的源材料靶引发激光等离子体，两者作用后在衬底形成化合物薄膜；具体步骤是：将衬底 清洗后固定于与靶面平行的样品架上，将薄膜制备室和微波放电腔抽至真空，通过配气系统向电子回旋共振微波放电腔充入工作气体，稳定磁场后向放电腔输入微波，引发电子回旋共振微波等离子体，微波等离子体进入制备室，最后向薄膜制备室引入与靶面成４５°的激光；具体条件是：沉积薄膜的衬底与靶面相距３－６ｃｍ，薄膜制备室和微波放电腔真空是１０↑［－６］～１０↑［－４］Ｐａ，工作气体气压９×１０↑［－３］～１×１０↑［－１］Ｐａ，放电腔的微波功率是３００－１０００Ｗ，激光能量密度１－８Ｊ／ｃｍ↑ ［２］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴嘉达，李富铭，凌浩，孙剑，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]