專利名稱：利用可協(xié)變襯底制備生長氧化鋅薄膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指一種利用具有超薄頂部硅單晶層的大尺寸SOI可協(xié)變襯底制備生長氧化鋅薄膜材料的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)是制備室溫工作的短波長光電器件及自旋電子器件的優(yōu)選材料，此外，ZnO來源豐富，原材料價(jià)格低廉，制備方法又相對(duì)比較簡單，具有非常好商用價(jià)值。盡管ZnO在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究與應(yīng)用開發(fā)近年來受到國內(nèi)外的空前重視，可是一些關(guān)鍵的基礎(chǔ)問題仍沒有得到根本解決，比如高質(zhì)量ZnO薄膜的單晶外延生長問題和P型摻雜問題。而就ZnO薄膜的單晶外延問題而言，除了受到材料制備手段的功能局限，無合適的襯底也是主要的障礙。
采用同質(zhì)外延是獲得高質(zhì)量ZnO薄膜的最佳選擇，雖然大尺寸ZnO體單晶不象GaN體單晶那樣難于獲得，可是價(jià)格非常昂貴，直接影響到商業(yè)應(yīng)用，因此，ZnO薄膜的制備研究目前仍主要采用異質(zhì)襯底為主。其中，硅(Si)是ZnO異質(zhì)外延生長最常用的大尺寸廉價(jià)襯底之一。但由于Si與ZnO間存在大的晶格失配，所制備得到的薄膜膜層內(nèi)往往積聚較大的應(yīng)力，結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌都也一直難以獲得更大程度的提高，這極大限制和影響了Si基ZnO薄膜材料的研究與應(yīng)用。解決Si上制備生長ZnO的大失配外延問題比較常用的方法是采用緩沖層技術(shù)，可是效果并不理想。可協(xié)變(柔性)襯底能夠協(xié)調(diào)失配應(yīng)變，并減少乃至消除膜層內(nèi)積聚的應(yīng)力，從而獲得高質(zhì)量的外延層。這類襯底制備技術(shù)已經(jīng)在解決一些典型的大失配外延問題中發(fā)揮重要作用。比如，利用微電子器件工藝中比較成熟的SOI(Silicon-on-Insulation在絕緣體上生長薄單晶硅膜)技術(shù)制備得到具有頂部超薄Si單晶層/中間厚絕緣SiO2層/底部Si(100)單晶襯底的三層結(jié)構(gòu)的大尺寸Si基可協(xié)變襯底，最大可達(dá)12英寸，可以協(xié)調(diào)或部分協(xié)調(diào)Si襯底上制備生長的GaN、GaAs、GeSi及SiC等外延層的失配應(yīng)變，既降低了膜層內(nèi)積聚的殘余應(yīng)力，還提高了薄膜的生長質(zhì)量。這是因?yàn)镾OI材料的頂部超薄硅單晶層具有常規(guī)可協(xié)變(柔性)層的兩個(gè)基本特征(1)頂部超薄硅單晶層通過中間的厚非晶或多晶絕緣SiO2埋層實(shí)現(xiàn)與起支撐作用的Si(100)襯底之間的解耦合。因?yàn)樵谏L或退火溫度下非晶或多晶的SiO2中間埋層的黏度較低，外延層就能通過Si/SiO2界面的塑性形變來松弛失配應(yīng)變，從而起到協(xié)調(diào)失配應(yīng)變的作用；(2)頂部超薄硅單晶層比較薄，只有幾十納米，且表面也比較光滑平整。
ZnO是近年來發(fā)展起來的新型寬帶隙氧化物化合物半導(dǎo)體材料，因無合適襯底至今還難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的異質(zhì)外延生長。利用發(fā)展比較成熟的大尺寸Si基SOI可協(xié)變襯底進(jìn)行ZnO薄膜生長研究，既能夠?qū)崿F(xiàn)ZnO材料在Si襯底上的大面積生長，還可克服SOI襯底在制備非氧化物化合物半導(dǎo)體材料帶來的氧化物污染問題。目前這方面研究工作國內(nèi)外仍還沒有，對(duì)于SOI襯底是否能夠協(xié)調(diào)其上所制備生長的ZnO薄膜材料的失配應(yīng)變，并降低乃至消除外延層中的殘余應(yīng)力和獲得高質(zhì)量的外延生長也都還不清楚。目前用于ZnO薄膜生長的工藝手段也比較多，比如分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)、脈沖激光沉積(PLD)及磁控濺射方法等，其中，磁控濺射方法所需要的設(shè)備和原材料成本低廉，制備生長工藝也相對(duì)比較簡單且可實(shí)現(xiàn)大尺寸生長，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。所以，如能利用磁控濺射方法實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)越光、電性能的ZnO材料與成熟的硅基微電子器件SOI工藝完美結(jié)合，將為研制開發(fā)新型Si基ZnO光、電器件奠定良好的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制備氧化鋅薄膜材料的方法，特別是指一種利用具有頂部超薄硅單晶層的大尺寸SOI可協(xié)變襯底，采用磁控濺射設(shè)備制備生長氧化鋅薄膜材料的方法。
目的在于1.探索適合氧化鋅薄膜材料制備生長的新型異質(zhì)襯底材料，實(shí)現(xiàn)其在硅襯底上的高質(zhì)量生長2.發(fā)展降低磁控濺射設(shè)備制備生長的氧化鋅薄膜材料的膜層內(nèi)積聚的殘余應(yīng)力和提高薄膜生長質(zhì)量的新制備方法；3.實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)越光電性能的氧化鋅材料與成熟的Si基微電子器件工藝完美結(jié)合，為研制開發(fā)新型的光電子器件奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種制備氧化鋅薄膜材料的方法，利用具有超薄頂部硅單晶層的大尺寸SOI可協(xié)變襯底，采用磁控濺射設(shè)備制備生長氧化鋅薄膜。通過生長前SOI可協(xié)變襯底與濺射靶的預(yù)處理，生長時(shí)濺射功率、工作氣體與反應(yīng)氣體配比、工作氣壓及生長溫度的調(diào)控，以及生長后的退火處理，實(shí)現(xiàn)氧化鋅薄膜材料在硅襯底上的高度C軸擇優(yōu)取向生長，并且膜層內(nèi)殘余應(yīng)力減小，結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌得到改善。進(jìn)而使得具有優(yōu)越光、電性能的氧化鋅薄膜材料與成熟的硅基微電子器件SOI工藝完美結(jié)合，為研制開發(fā)新型光、電功能器件奠定基礎(chǔ)。
所述的利用SOI可協(xié)變襯底，采用磁控濺射設(shè)備制備氧化鋅薄膜材料的方法，其中，包括如下步驟步驟1選用頂部具有超薄硅單晶層的SOI材料作為硅基可協(xié)變襯底；
步驟2將濺射靶材裝入磁控濺射設(shè)備主生長室；步驟3進(jìn)行濺射靶材的表面預(yù)濺射處理；步驟4將清洗過的SOI可協(xié)變襯底裝入磁控濺射設(shè)備的主生長室；步驟5進(jìn)行SOI可協(xié)變襯底的加熱烘烤除氣處理；步驟6氧化鋅薄膜材料的磁控濺射方法制備生長；步驟7氧化鋅薄膜材料的原位退火處理；步驟8將降到室溫的氧化鋅樣品取出。
所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其中步驟1中所述的SOI材料是采用高能氧離子注入方法制備的頂部具有10~50nm厚超薄Si單晶層、中間具有200~600nm厚氧化硅絕緣層和底部具有(100)取向硅單晶襯底的三層結(jié)構(gòu)大尺寸SOI材料。
所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其中步驟3中的濺射靶材是純度大于99.99％的金屬鋅和氧化鋅材料。
所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其中的金屬鋅靶材是采用直流反應(yīng)濺射方法進(jìn)行氧化鋅薄膜材料制備。
所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其中的氧化鋅靶材是采用交流射頻濺射方法進(jìn)行氧化鋅薄膜材料制備。
所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其中，金屬鋅靶與襯底間的距離為5-7cm，直流電源的反應(yīng)濺射功率為40-60W，工作氣體氬氣與反應(yīng)氣體氧氣的流量配比為1∶4-1∶3，總工作氣壓為0.5-1.0Pa，襯底溫度為350-550℃，預(yù)生長和生長時(shí)間分別為1-3和180-210分鐘，并在700-750℃下原位退火20-30分鐘。
所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其中，氧化鋅靶與襯底的距離為6-8cm，交流射頻電源的濺射功率為80-100W，工作氣體氬氣與輔助反應(yīng)氣體氧氣的流量配比為4∶1-9∶1，總工作氣壓為0.5-1.0Pa，襯底溫度為450-650℃，預(yù)生長和生長時(shí)間分別為1-3和180-210分鐘，并在700-750℃下原位退火20-30分鐘。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的有益效果相比普通硅(Si)襯底，SOI(Si/SiO2/Si)可協(xié)變襯底能夠協(xié)調(diào)氧化鋅(ZnO)薄膜材料的失配應(yīng)變，膜層內(nèi)殘余應(yīng)力減小，而且外延層的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌改善；相比無支撐襯底、直接或扭曲鍵合襯底、硼硅玻璃或氧化物鍵合襯底及氫致解偶合襯底等通過鍵合技術(shù)或高能離子注入與減薄技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)可協(xié)變層與支撐襯底之間弱鍵合或解偶合的可協(xié)變襯底，SOI襯底的制備技術(shù)相對(duì)比較成熟，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大失配的ZnO材料的大尺寸優(yōu)質(zhì)生長；相比分子束外(MBE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)及脈沖激光沉積(PLD)等方法，磁控濺射方法所需要的原材料和設(shè)備成本低廉，制備工藝也相對(duì)比較簡單，便于實(shí)現(xiàn)和推廣；利用SOI可協(xié)變襯底制備生長ZnO薄膜，能實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)越光電性能的寬帶隙氧化鋅半導(dǎo)體材料與成熟的Si基微電子器件工藝完美結(jié)合，為研制開發(fā)新型的光電子器件奠定基礎(chǔ)。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1、采用高能氧離子注入(SIMOX)方法制備得到的SOI襯底的盧瑟福背散射(RBS)測試結(jié)果a實(shí)驗(yàn)曲線；b利用Simnra(Version4.0)程序模擬計(jì)算得到的曲線。模擬計(jì)算得到的曲線b與實(shí)驗(yàn)曲線a吻合得非常很好，模擬計(jì)算得到的頂部薄Si膜厚約為30nm，起解偶合作用的氧化硅層厚約502nm，Si∶O＝1∶2；圖2、普通Si(111)襯底a、Si(100)襯底b及SOI可協(xié)變襯底c上，采用相同的直流反應(yīng)濺射工藝制備得到的ZnO薄膜樣品的原子力表面形貌測試分析(AFM)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
圖3、普通Si(111)襯底a、Si(100)襯底b及SOI可協(xié)變襯底c上，采用相同的直流反應(yīng)濺射工藝制備得到的ZnO薄膜樣品的X射線衍射測試分析(XRD)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖4、普通Si(111)襯底a、Si(100)襯底b及SOI可協(xié)變襯底c上，采用相同的交流射頻磁控濺射工藝制備得到的ZnO薄膜樣品的原子力表面形貌測試分析(AFM)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖5、普通Si(111)襯底a、Si(100)襯底b及SOI可協(xié)變襯底c上，采用相同的交流射頻磁控濺射工藝制備得到的ZnO薄膜樣品的X射線衍射測試分析(XRD)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
SOI可協(xié)變襯底的主要技術(shù)參數(shù)參見表1，其上采用具有三個(gè)濺射靶的磁控濺射設(shè)備制備生長氧化鋅薄膜材料的實(shí)驗(yàn)參數(shù)參見表2，具體制備生長步驟如下步驟1選用頂部具有10-50nm厚超薄硅單晶層、中間具有200-600nm厚氧化硅絕緣層和底部具有(100)取向的硅單晶襯底的三層結(jié)構(gòu)大尺寸SOI材料作為制備生長氧化鋅薄膜材料的硅基可協(xié)變襯底。其中SOI材料是采用高能氧離子注入(SIMOX)方法制備的。
步驟2選用純度不小于99.99％的金屬鋅或氧化鋅靶材作為磁控濺射設(shè)備的濺射靶靶材，將其裝入磁控濺射設(shè)備的主生長室后抽主生長室真空。
步驟3磁控濺射設(shè)備主生長室真空度達(dá)到小于1×10-5Pa后，進(jìn)行金屬鋅或氧化鋅靶材表面的預(yù)濺射處理。其中金屬鋅靶材的表面預(yù)濺射按如下過程進(jìn)行(1)打開金屬鋅靶的擋板；(2)部分關(guān)閉主生長室與真空泵間的閘板閥；(3)向主生長室內(nèi)通工作氣體氬氣，通過氣體流量計(jì)先控制生長室的工作氣壓為1-1.5Pa；(4)開啟金屬鋅靶的直流工作電源，緩慢增加濺射功率到40-60W，待主生長室內(nèi)金屬鋅靶起輝后，減少工作氣體氬氣的進(jìn)氣量，維持工作氣壓在0.5-1.0Pa，預(yù)濺射60-90分鐘；(5)關(guān)閉金屬鋅靶直流工作電源、氬氣，擋上金屬鋅靶檔板，完全打開主生長室與真空泵間閘板閥，抽主生長室的真空。
而氧化鋅靶材的表面預(yù)濺射按如下過程(1)打開氧化鋅靶的擋板；
(2)部分關(guān)閉主生長室與真空泵間的閘板閥；(3)向主生長室內(nèi)通工作氣體氬氣，通過氣體流量計(jì)先控制生長室的工作氣壓為1-1.5Pa；(4)開啟氧化鋅靶的交流射頻工作電源，緩慢增加濺射功率到80-120W，待主生長室內(nèi)氧化鋅靶起輝后，減少工作氣體氬氣的進(jìn)氣量，維持工作氣壓在0.5-1.0Pa，預(yù)濺射30-60分鐘；(5)關(guān)閉氧化鋅靶交流射頻工作電源、氬氣，擋上氧化鋅靶檔板，完全打開主生長室與真空泵間閘板閥，抽主生長室的真空。
步驟4將清洗并用氮?dú)獯蹈傻腟OI可協(xié)變襯底裝入磁控濺射設(shè)備的主生長室。其中SOI可協(xié)變襯底的清洗按如下過程進(jìn)行(1)用去離子水反復(fù)沖洗；(2)用無水乙醇超聲清洗10-20分鐘；(3)用丙酮超聲清洗10-20分鐘；(4)用四氯化碳超聲清洗10-20分鐘；(5)用丙酮超聲清洗10-20分鐘；(6)用無水乙醇超聲清洗10-20分鐘；(7)用去離子水反復(fù)沖洗干凈；
(8)裝入磁控濺射設(shè)備的預(yù)真空室前，再用濃度1-10％的稀氫氟酸溶液漂洗5-10秒。
步驟5主生長室的真空度達(dá)到1-5×10-5Pa后，進(jìn)行SOI可協(xié)變襯底的加熱烘烤除氣處理。其中，先將襯底溫度升到200-300℃，烘烤10-20分鐘；主生長室的真空度再次達(dá)到1-5×10-5Pa后，將襯底溫度升到650-750℃，烘烤20-30分鐘；主生長室的真空度又一次達(dá)到1-5×10-5Pa后，將襯底溫度降到生長所需要的初始溫度，并用襯底擋板將襯底遮擋住。
步驟6氧化鋅薄膜材料的磁控濺射方法制備生長。其中采用直流反應(yīng)濺射方法制備生長，按如下過程進(jìn)行(1)調(diào)整金屬鋅靶與襯底間的距離為5-7cm，打開該靶上的擋板；(2)部分關(guān)閉主生長室與真空泵間的閘板閥；(3)先向主生長室內(nèi)通工作氣體氬氣，通過氣體流量計(jì)控制生長室的工作氣壓為1-1.5Pa；(4)開啟金屬鋅靶的直流工作電源，緩慢增加濺射功率到40-60W，待主生長室內(nèi)的金屬鋅靶起輝后，適當(dāng)減少工作氣體氬氣的進(jìn)氣量，維持工作氣壓在0.5-1.0Pa；(5)開啟襯底轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，設(shè)定8-10轉(zhuǎn)/分鐘，并打開襯底擋板；
(6)在SOI可協(xié)變襯底上先濺射預(yù)生長一層鋅，襯底溫度為300-400℃，生長1-3分鐘后關(guān)上襯底擋板；(7)適當(dāng)減少工作氣體氬氣的進(jìn)氣量，并向主生長室內(nèi)通反應(yīng)氣體氧氣，通過氣體流量計(jì)控制氬氣與氧氣的流量比為1∶4-1∶3，總工作氣壓為0.5-1.0Pa；(8)打開襯底擋板，采用直流反應(yīng)濺射方法在預(yù)生長有超薄鋅層的SOI可協(xié)變襯底上生長氧化鋅薄膜，生長溫度為350-550℃，生長時(shí)間根據(jù)需要確定；(9)關(guān)閉金屬鋅靶的直流工作電源，停止氧化鋅薄膜材料的制備生長，并擋上金屬鋅靶的檔板；(10)停止襯底轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉工作氣體氬氣和反應(yīng)氣體氧氣，并完全打開主生長室與真空泵間的閘板閥，抽主生長室的真空。
采用交流射頻磁控濺射方法制備生長，按如下過程進(jìn)行(1)調(diào)整氧化鋅靶與襯底間的距離為6-8cm，打開該靶上的擋板；(2)部分關(guān)閉主生長室與真空泵間的閘板閥；(3)先向主生長室內(nèi)通工作氣體氬氣，通過氣體流量計(jì)控制生長室的工作氣壓為1-1.5Pa；(4)開啟氧化鋅靶的交流射頻工作電源，緩慢增加濺射功率到80-100W，待主生長室內(nèi)的氧化鋅靶起輝后，適當(dāng)減少工作氣體氬氣的進(jìn)氣量，維持工作氣壓在0.5-1.0Pa；(5)開啟襯底轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，設(shè)定8-10轉(zhuǎn)/分鐘，并打開襯底擋板；(6)在SOI可協(xié)變襯底上先濺射預(yù)生長一層氧化鋅，襯底溫度為450-650℃，生長1-3分鐘后關(guān)上襯底擋板；(7)適當(dāng)減少工作氣體氬氣的進(jìn)氣量，并向主生長室內(nèi)通輔助的反應(yīng)氣體氧氣，通過氣體流量計(jì)控制氬氣與氧氣的流量比為5∶1-9∶1，總工作氣壓為0.5-1.0Pa；(8)打開襯底擋板，采用交流射頻濺射方法在預(yù)生長有超薄氧化鋅層的SOI可協(xié)變襯底上生長氧化鋅薄膜，生長時(shí)間根據(jù)需要確定；(9)關(guān)閉氧化鋅靶的交流射頻工作電源，停止氧化鋅薄膜材料的制備生長，并擋上氧化鋅靶的檔板；(10)停止襯底轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉工作氣體氬氣和輔助的反應(yīng)氣體氧氣，并完全打開主生長室與真空泵間的閘板閥，抽主生長室的真空。
步驟7氧化鋅薄膜材料的原位退火處理。其中，退火溫度為700-750℃，時(shí)間20-30分鐘；步驟8將降到室溫的氧化鋅樣品取出，完成氧化鋅薄膜材料的制備。
表1SOI可協(xié)變襯底的技術(shù)參數(shù)

表2利用磁控濺射設(shè)備在SOI可協(xié)變襯底上制備生長氧化鋅外延層材料的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)



實(shí)現(xiàn)發(fā)明的最好方式1.實(shí)現(xiàn)發(fā)明的主要設(shè)備磁控濺射設(shè)備、真空設(shè)備(機(jī)械真空泵、渦輪分子泵等)、半導(dǎo)體襯底材料的清洗設(shè)備等；2.根據(jù)生長設(shè)備的功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)本發(fā)明實(shí)施的技術(shù)路線。
實(shí)施例1在普通Si(111)襯底、Si(100)襯底及SOI可協(xié)變襯底上采用相同的直流反應(yīng)濺射工藝進(jìn)行氧化鋅薄膜材料的制備生長研究。其中，所選用的SOI可協(xié)變襯底的頂部超薄硅單晶層厚為30nm，中間厚二氧化硅絕緣層厚為500nm，該襯底的盧瑟福背散射測試結(jié)果參見圖l。金屬鋅靶與襯底間的距離設(shè)定為5.5cm，直流電源工作的濺射功率控制在45W左右，工作氣體氬氣與反應(yīng)氣體氧氣的流量配比控制在l∶4左右，總工作氣壓約為1.0Pa，襯底加熱溫度為350℃。先在襯底上預(yù)生長1分鐘金屬鋅以防止襯底表面被后通入的反應(yīng)氣體氧氣氧化，然后通反應(yīng)氣體氧氣進(jìn)行反應(yīng)濺射生長氧化鋅210分鐘。停止生長后在750℃的高溫下原位退火30分鐘，待降到室溫取出樣品進(jìn)行測試分析。對(duì)所制備的氧化鋅薄膜樣品進(jìn)行了原子力表面形貌(AFM)和X射線衍射(XRD)測試分析，測試結(jié)果參見圖2、圖3。
由圖2的原子力表面形貌(AFM)測試分析結(jié)果給出的a、b、c三個(gè)ZnO薄膜樣品在1×1μm尺度內(nèi)的二維表面粗糙度(RMS)分別為4.0nm、2.9nm、1.9nm。表明SOI襯底上的ZnO薄膜樣品表面更加光滑平整。兩個(gè)普通Si襯底上的ZnO薄膜樣品表面形貌相對(duì)比較差的可能原因之一是膜層內(nèi)積聚較大的內(nèi)應(yīng)力。
由圖3的X射線衍射(XRD)測試結(jié)果可以看出，相比普通Si(11)襯底上的ZnO樣品a和普通Si(100)襯底上的ZnO樣品b，SOI襯底上的ZnO樣品c的X射線衍射(XRD)測試結(jié)果的ZnO(002)衍射峰的2θ角度最小(34.18°)，而半高寬(FWHM)值也最小(0.303°)，計(jì)算得到的ZnO(002)面面間距d值卻最大(2.6211)，給出其ZnO(002)衍射峰的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬(FWHM)的值為4.824°。而兩種普通Si襯底上的氧化鋅薄膜樣品a、b的ZnO(002)衍射峰的2θ角分別為34.24°、34.22°，半高寬(FWHM)分別為0.376°、0.368°，ZnO(002)面面間距d值分別為2.6167、2.6207，并且都不能給出比較小的ZnO(002)衍射峰的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬(FWHM)。進(jìn)一步證明了SOI襯底上的ZnO薄膜樣品膜層內(nèi)殘余張應(yīng)力減小，而結(jié)晶質(zhì)量提高。
上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明SOI可協(xié)變襯底具有比較好的失配應(yīng)變協(xié)調(diào)作用，其上采用直流濺射方法制備生長的氧化鋅薄膜樣品的殘余張應(yīng)力減小，而結(jié)晶質(zhì)量提高，表面形貌也得到更好改善。
實(shí)施例2在普通Si(111)襯底、Si(100)襯底及SOI可協(xié)變襯底上采用相同的交流射頻反應(yīng)濺射工藝進(jìn)行氧化鋅薄膜材料的制備生長研究。其中，所選用的SOI可協(xié)變襯底的頂部超薄硅單晶層厚為30nm，中間厚二氧化硅絕緣層厚為500nm，該襯底的盧瑟福背散射測試結(jié)果參見圖1。氧化鋅靶與襯底間的距離設(shè)定為7.5cm，交流射頻電源工作的濺射功率控制在80W左右，工作氣體氬氣與輔助反應(yīng)氣體氧氣的流量配比控制在9∶1左右，總工作氣壓約為0.5Pa，襯底加熱溫度為500℃。先在襯底上預(yù)生長2分鐘氧化鋅，以防止襯底表面被后通入的輔助反應(yīng)氣體氧氣氧化，然后通輔助反應(yīng)氣體氧氣繼續(xù)濺射生長氧化鋅180分鐘。停止生長后在750℃的高溫下原位退火30分鐘，待降到室溫取出樣品進(jìn)行測試分析。對(duì)所制備的氧化鋅薄膜樣品進(jìn)行了原子力表面形貌(AFM)和X射線衍射(XRD)測試分析，測試結(jié)果參見圖4、5。
由圖4的原子力表面形貌(AFM)測試分析結(jié)果給出a、b、c三個(gè)ZnO薄膜樣品在1×1μm尺度內(nèi)的二維表面粗糙度(RMS)分別為9.1nm、8.8nm、7.0nm。說明SOI襯底上的ZnO薄膜樣品具有更好的光滑平整表面。而普通Si襯底上的兩個(gè)ZnO薄膜樣品a、b的表面形貌相對(duì)比較差的可能原因之一是膜層內(nèi)積聚較大的內(nèi)應(yīng)力。
由圖5的X射線衍射(XRD)測試結(jié)果可以看出，相比普通Si(111)襯底上的ZnO樣品a和普通Si(100)襯底上的ZnO樣品b，SOI襯底上的ZnO樣品c的X射線衍射(XRD)測試結(jié)果的ZnO(002)衍射峰的2θ角度最小(34.444°)，而半高寬(FWHM)值也最小(0.3342°)，計(jì)算得到的ZnO(002)面面間距d值卻最大(2.60168)，給出其ZnO(002)衍射峰的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬(FWHM)的值為3.366°。而兩種普通Si襯底上的氧化鋅薄膜樣品的ZnO(002)衍射峰的2θ角分別為34.420°、34.459°，半高寬(FWHM)分別為0.3844°、0.3509°，ZnO(002)面面間距d值分別為2.60320、2.60963。a樣品沒有實(shí)現(xiàn)單一擇優(yōu)取向生長，所以不能給出ZnO(002)衍射峰的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬(FWHM)，b樣品雖然實(shí)現(xiàn)了單一擇優(yōu)取向生長，可是給出的ZnO(002)衍射峰的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬(FWHM)比較大，為4.209°。這些結(jié)果進(jìn)一步表明了SOI襯底上的ZnO薄膜樣品膜層內(nèi)殘余張應(yīng)力減小，而結(jié)晶質(zhì)量提高。
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明SOI可協(xié)變襯底具有比較好的失配應(yīng)變協(xié)調(diào)作用，采用交流射頻濺射方法制備生長的氧化鋅薄膜樣品的殘余張應(yīng)力減小，而結(jié)晶質(zhì)量提高，表面形貌也得到更好改善。
權(quán)利要求
1.一種制備氧化鋅薄膜材料的方法，特別是指一種利用SOI可協(xié)變襯底，采用磁控濺射設(shè)備制備生長氧化鋅薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選用頂部具有超薄硅單晶層的SOI材料作為硅基可協(xié)變襯底；步驟2將濺射靶材裝入磁控濺射設(shè)備主生長室；步驟3進(jìn)行濺射靶材的表面預(yù)濺射處理；步驟4將清洗過的SOI可協(xié)變襯底裝入磁控濺射設(shè)備的主生長室；步驟5進(jìn)行SOI可協(xié)變襯底的加熱烘烤除氣處理；步驟6氧化鋅薄膜材料的磁控濺射方法制備生長；步驟7氧化鋅薄膜材料的原位退火處理；步驟8將降到室溫的氧化鋅樣品取出，完成氧化鋅薄膜材料的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其特征在于其中步驟1中所述的SOI材料是采用高能氧離子注入方法制備的頂部具有10-50nm厚超薄Si單晶層、中間具有200-600nm厚氧化硅絕緣層和底部具有(100)取向硅單晶襯底的三層結(jié)構(gòu)大尺寸SOI材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其特征在于其中步驟3中的濺射靶材是純度大于99.99％的金屬鋅和氧化鋅材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其特征在于，其中的金屬鋅靶材是采用直流反應(yīng)濺射方法進(jìn)行氧化鋅薄膜材料制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其特征在于，其中的氧化鋅靶材是采用交流射頻濺射方法進(jìn)行氧化鋅薄膜材料制備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其特征在于，其中，金屬鋅靶與襯底間的距離為5-7cm，直流電源的反應(yīng)濺射功率為40-60W，工作氣體氬氣與反應(yīng)氣體氧氣的流量配比為1∶4-1∶3，總工作氣壓為0.5-1.0Pa，襯底溫度為350-550℃，預(yù)生長和生長時(shí)間分別為1-3和180-210分鐘，并在700-750℃下原位退火20-30分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、3、5所述的制備氧化鋅薄膜材料方法，其特征在于，其中，氧化鋅靶與襯底的距離為6-8cm，交流射頻電源的濺射功率為80-100W，工作氣體氬氣與輔助反應(yīng)氣體氧氣的流量配比為4∶1-9∶1，總工作氣壓為0.5-1.0Pa，襯底溫度為450-650℃，預(yù)生長和生長時(shí)間分別為1-3和180-210分鐘，并在700-750℃下原位退火20-30分鐘。
全文摘要
一種制備氧化鋅薄膜材料的方法，特別是指一種利用SOI可協(xié)變襯底，采用磁控濺射設(shè)備制備生長氧化鋅薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1選用頂部具有超薄硅單晶層的SOI材料作為硅基可協(xié)變襯底；步驟2將濺射靶材裝入磁控濺射設(shè)備主生長室；步驟3進(jìn)行濺射靶材的表面預(yù)濺射處理；步驟4將清洗過的SOI可協(xié)變襯底裝入磁控濺射設(shè)備的主生長室；步驟5進(jìn)行SOI可協(xié)變襯底的加熱烘烤除氣處理；步驟6氧化鋅薄膜材料的磁控濺射方法制備生長；步驟7氧化鋅薄膜材料的原位退火處理；步驟8將降到室溫的氧化鋅樣品取出，完成氧化鋅薄膜材料的制備。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101017776SQ20061000307
公開日2007年8月15日 申請日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月8日
發(fā)明者楊少延, 陳涌海, 李成明, 范海波, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所