一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途。所述方法采用远程等离子体增强原子层沉积系统，将铝源化学吸附到沉积对象的表面，将氮源与氢气的混合气体形成氮源的等离子体和氢气的等离子体，所述氮源的等离子体与化学吸附在沉积对象表面的铝源进行氮化反应，得到氮化铝薄膜。所述方法中，氢气形成的等离子体有助于破坏铝源的化学键，促进氮化反应，降低沉积温度，实现低温制备氮化铝薄膜，且对沉积对象的损伤较小。此外，所述方法在整个制备过程在强还原性气氛中进行，避免氧对氮化铝薄膜的不利影响。所述氮化铝薄膜均匀、质量高和保形性好，适用于各种衬底及其微纳结构与器件。

Aluminum nitride film and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途
本专利技术涉及氮化铝薄膜制备
，具体涉及一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途。
技术介绍
氮化铝(AlN)由于宽带隙6.2ev、优良热导率(3.3W·K-1·cm-1)、高电阻率(108-1013Ω·cm)、低介电损耗、优良压电性能及热稳定性等在电子学和光电子学领域具有广泛应用前景，包括介电层、钝化层、声表面波器件以及深紫外发光器件等，是极为重要的第三代半导体材料。目前，多采用分子束外延(MBE)、磁控溅射、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)及原子层沉积等方法制备AlN薄膜。应用上述方法制备氮化铝薄膜时往往存在温度高、高能离子轰击导致衬底损伤、以及保形性差等问题，很大程度上制约了AlN薄膜的应用，尤其是对氮化铝薄膜质量要求高的领域。CN109326506A公开一种磁控溅射方法制备AlN薄膜，但衬底温度为650℃。北京大学许福军、沈波等用磁控溅射和MOCVD相结合的方法制备AlN薄膜(CN108269887A)，其中磁控溅射方法生长AlN形核层，衬底温度为300-900℃，之后采用MOCVD方法生长外延层，反应腔温度在1100-1400℃。总之，上述方法均需要衬底在高温下才能制备氮化铝膜，不适于低熔点材料衬底及要求低温器件的情况。此外，在实际应用中AlN薄膜常作为薄膜发光层，衬底为玻璃。这就要求制备薄膜时温度至少要低于玻璃的软化温度(普通玻璃软化温度600℃)。另外，深紫外发光器件通常用于生物医学，如采用生物模板制备发光器件等都要求低温甚至常温下制备。刘建哲、褚君尉等采用下述方法制备PSS基AlN薄膜(CN106086801A)，具体包括：(1)选取一片PSS晶片，并对PSS晶片及Al靶进行预处理；(2)对反应室抽真空处理，并将PSS晶片置于抽真空后的反应室内；(3)对PSS晶片进行低能清洗，去除晶片表面的氧化层；(4)采用电流将PSS晶片加热至一定温度；(5)在真空环境中对PSS晶片进行预溅射；(6)在稳定的气压下溅射镀膜，制备得到PSS基AlN薄膜；(7)关闭设备，取出制备好的PSS基AlN薄膜。所述方法采用溅射镀膜方法在图形化微米结构衬底上制备AlN薄膜，保形性不佳，不适于具有纳米结构的衬底。王文庆利用离子束辅助沉积与磁控溅射相结合也能够制备AlN薄膜(CN106282915B)，所述方法包括以下步骤：(1)衬底预处理；(2)靶材预处理；(3)采用离子束辅助沉积技术，Ar+离子束溅射沉积Al膜，N+离子束轰击Al膜，在衬底上形成AlN缓冲层；(4)N2、Ar以及NH3混合气体下，采用磁控溅射沉积技术，在AlN缓冲层上形成AlN薄膜。该方法在75℃低温下制备了AlN薄膜，离子辅助镀制缓冲层，而磁控溅射分层镀制AlN薄膜，其不足之处是制备过程复杂且需要高能离子(2500V/10mA)轰击，易损伤衬底，不适于易损伤衬底、结构与器件情况。中科院微电子研究所的饶志鹏、万军等利用原子层沉积ALD的方法来制备氮化铝薄膜(CN102296278A)，包括：(1)将经过标准液和氢氟酸处理的硅衬底置于原子层沉积设备的反应腔，处理后的衬底表面有Si-H健；(2)向所述原子层沉积设备里通入含铝物质，所述含铝物质与所述硅衬底发生化学反应，使得所述含铝物质中的铝原子吸附在所述硅衬底上；(3)向所述原子层沉积设备反应腔中通入含氮物质，所述含氮物质和所述硅衬底表面发生卤代反应，所述含氮物质中氮原子与所述硅衬底表面的铝原子形成硅铝健，待反应完全后，所述硅衬底表面形成氮化铝薄膜结构。该专利提供的方法利用ALD设备和常用的前驱体，常温常压下制备出氮化铝薄膜，并且有效降低能耗，提高了氮化铝薄膜的均一性和降低了薄膜的粗糙度。其不足之处在于该方法中铝氮原子在衬底结构的作用下形成立方形的氮化铝薄膜，文中只提到硅衬底，该方法对衬底具有选择性，衬底结构限制了氮化铝薄膜的应用。基于现有技术的研究，如何能够在低温及衬底损伤小的情况下，制备高质量、高保形性的氮化铝薄膜，且适用于各种衬底及其微纳结构与器件，成为目前亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途，所述方法利用远程等离子体增强原子层沉积系统，使得氮化反应的反应物活性增强，促进氮化反应，使得反应更充分，降低薄膜中的杂质，且不会对衬底产生严重的等离子体轰击，损伤衬底，实现低温制备氮化铝薄膜，且不受限于衬底结构和种类。所述方法制备的薄膜光学参数接近材料库报道数据，薄膜均匀致密、保型性好，可应用于各种衬底及其微纳结构与器件。为达此目的，本专利技术提供以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种氮化铝薄膜的制备方法，所述方法采用远程等离子体增强原子层沉积系统，将铝源化学吸附到沉积对象的表面，将氮源与氢气的混合气体形成氮源的等离子体和氢气的等离子体，所述氮源的等离子体与化学吸附在沉积对象表面的铝源进行氮化反应，得到氮化铝薄膜。本专利技术提供的氮化铝薄膜的制备方法，采用远程等离子体增强原子层沉积系统，铝源与沉积对象表面羟基等基团发生化学吸附，氮源与氢气的混合气体产生等离子体，氢气形成的等离子体有助于破坏铝源的化学键，氮源形成的等离子体与化学吸附在沉积对象表面的铝源发生氮化反应，形成氮化铝，其反应示意图如图2所示，以三甲基铝(TMA)为例，在TMA化学吸附完成后，反应腔中充足的氢等离子体破坏TMA中Al-CH3键，促进氮化反应的效率，降低沉积温度。所述制备方法采用的设备有等离子体腔和反应沉积腔，等离子体在等离子体腔产生，氮化反应时将等离子体引入沉积室，因此，不会对衬底产生严重轰击。所述制备方法可在对衬底低损伤的条件下，实现低温制备氮化铝薄膜，且其与沉积对象的结合较好，克服目前常用氮化铝薄膜制备方法由于沉积温度过高以及高能离子对微纳结构损伤严重而导致衬底的选择受限等问题。优选地，所述铝源包括三甲基铝、AlCl3或AlBr3中的任意一种或至少两种的组合，优选为三甲基铝。所述铝源在室温下即可挥发，依靠载气进入反应腔，有利于形成高质量的氮化铝薄膜，AlCl3和AlBr3能够达到与三甲基铝相同的技术效果，但是AlCl3和AlBr3与空气中的水接触放出卤化氢，对环境和人体不友好。优选地，所述沉积对象包括衬底和/或包含所述衬底的器件。优选地，所述衬底包括无结构衬底、具有微纳米结构衬底或具有二维材料衬底中的任意一种或至少两种的组合，优选为硅衬底、玻璃衬底、微纳光栅结构衬底或具有二维材料衬底中的任意一种或至少两种的组合；其中典型但非限制性组合：玻璃衬底和纳米光栅，硅衬底和玻璃衬底。本专利技术中，对所述具有二维材料衬底及器件的具体种类不作限定，可以是碳纳米管，也可以是MoS2，还可以是石墨烯器件，只要是本领域技术人员常用的种类，均适用于本专利技术。优选地，所述器件包含硅衬底、玻璃衬底、微纳光栅结构衬底或具有二维材料衬底中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述混合气体中，所述氮源包括氮气和/或氨气。本专利技术中，对所述氮源和氢气的纯度不作具体的限定，只本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化铝薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法采用远程等离子体增强原子层沉积系统，将铝源化学吸附到沉积对象的表面，将氮源与氢气的混合气体形成氮源的等离子体和氢气的等离子体，所述氮源的等离子体与化学吸附在沉积对象表面的铝源进行氮化反应，得到氮化铝薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法采用远程等离子体增强原子层沉积系统，将铝源化学吸附到沉积对象的表面，将氮源与氢气的混合气体形成氮源的等离子体和氢气的等离子体，所述氮源的等离子体与化学吸附在沉积对象表面的铝源进行氮化反应，得到氮化铝薄膜。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝源包括三甲基铝、AlCl3或AlBr3的任意一种或至少两种的组合，优选为三甲基铝；
优选地，所述沉积对象包括衬底和/或包含所述衬底的器件；
优选地，所述衬底包括无结构衬底、具有微纳米结构衬底或具有二维材料衬底中的任意一种或至少两种的组合，优选为硅衬底、玻璃衬底、微纳光栅结构衬底或具有二维材料衬底中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述器件包含硅衬底、玻璃衬底、微纳光栅结构衬底或具有二维材料衬底中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述混合气体中，所述氮源包括氮气和/或氨气；
优选地，所述混合气体中，所述氮源的纯度包括99.9％以上，优选为99.99％以上；
优选地，所述混合气体中，所述氢气的纯度包括99.9％以上，优选为99.99％以上；
优选地，所述混合气体中，氮源的流量为100-300sccm；
优选地，所述混合气体中，氢气的流量为100-500sccm；
优选地，所述混合气体中，氮源与氢气的流量比为(0.35-0.7):1，优选为(0.4-0.6):1；
优选地，所述氮源的等离子体和氢气的等离子体产生的方式包括电感耦合。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在设定温度和设定压力条件下，铝源通过载气带入到远程电感耦合等离子体增强原子层沉积薄膜沉积系统的反应沉积腔中，铝源与沉积对象的表面进行化学吸附；
(2)向等离子体腔通入氮源与氢气的混合气体，在电感耦合的作用下生成等离子体，将所述等离子体引入反应沉积腔中，所述氮源形成的等离子体与步骤(1)化学吸附在沉积对象表面的铝源进行氮化反应，得到氮化铝薄膜；
优选地，步骤(1)中所述设定温度为250-380℃，优选为280-350℃；
优选地，步骤(1)中所述设定压力为15-30Pa，优选为20-25Pa；
优选地，步骤(1)中所述载气包括氮气和/或惰性气体，所述惰性气体优选为氩气和/或氦气；
优选地，步骤(1)中所述载气的流量为40-100sccm；
优选地，步骤(1)中所述化学吸附的时间为60-100ms；
优选地，步骤(2)中所述氮化反应的时间为8-15s。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(1)之前，将远程电感耦合等离子体增强原子层沉积薄膜沉积系统的反应沉积腔抽真空至真空度小于1Pa，然后使用工艺气体清洗所述反应沉积腔和管路，所述清洗时间持续30min以上，然后设定温度和压力；
优选地，所述工艺气体包括所述载气、氮源与氢气的混合气体。


5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在步骤(1)之后步骤(2)之前进行如下步骤：将未反应的铝源及反应副产物...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫兰琴，褚卫国，徐丽华，赵乐，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11