專利名稱：一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多晶氮化鋅薄膜的制備方法，屬于電子材料技術領域。
背景技術：
半導體材料是現(xiàn)代材料學的重要組成部分，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結型器件的基礎，是實現(xiàn)SiO基光電器件的關鍵，對解決新型SiO短波長發(fā)光器件、拓寬 ZnO薄膜應用領域等方面具有重要意義。Si3N2被認為是制備高質(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薄膜的電學和光學性質(zhì)的研究比較少，甚至關于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，參見山東大學宗福建等人的“用反應射頻磁控濺射陶瓷靶在石英襯底制備Si3N2薄膜的光學帶隙”，《應用表面科學》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”，《半導體學報》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，屬于間接帶隙半導體，帶隙寬度2. 12eV。Zn3N2陶瓷靶制備工藝復雜，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，屬于直接帶隙半導體，N2分壓50%時樣品的光學帶隙為1.23eV。金屬Si 靶較陶瓷靶制造方便，但襯底加熱使工藝復雜，薄膜的光學帶隙較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術中的不足而提供一種用反應射頻磁控濺射金屬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，所制成的薄膜光學帶隙大。本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達到—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，濺射室的基礎真空 6. OX IO^4Pa,濺射氣體Ar氣的流量16sccm，反應氣體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，屬于間接帶隙半導體，帶隙寬度2. 63eV。本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術相比優(yōu)良效果如下用反應射頻磁控濺射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，襯底加熱使工藝復雜，薄膜的光學帶隙較小，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，屬于間接帶隙半導體，帶隙寬度2. 70eV。
權利要求
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，屬于電子材料技術領域。用反應射頻磁控濺射技術在石英襯底上室溫制備出具有多晶結構的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，濺射室的基礎真空小于1.0×10-3Pa，濺射氣體為Ar氣，反應氣體為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)先權日2011年11月11日
發(fā)明者趙銀女, 閆金良 申請人:魯東大學