專利名稱：一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化鈦制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦(TiO2)薄膜早在上世紀(jì)早期就被用作顏料和遮光劑。1972年，F(xiàn)ujishima等在發(fā)現(xiàn)TiO2具有光催化作用之后，各國(guó)科學(xué)家紛紛開始研究其性能，并把他們應(yīng)用于殺癌細(xì)胞，以及廚房、浴室的除味。其原理為TiO2的禁帶寬度為3.2eV,當(dāng)用等于或小于387.5nm的光照射時(shí)，能實(shí)現(xiàn)電子空穴對(duì)的分離，在電子和空穴到達(dá)離子表面后，能加速反應(yīng)的進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)催化作用。TiO2因其穩(wěn)定性好、成本低和對(duì)人體無(wú)害等性質(zhì)使得它在光催化劑方面的發(fā)展比Sn02、W03、Z n03等物質(zhì)更好。摻雜后的TiO2的光激發(fā)源從紫外波段擴(kuò)展到了可見光波段。在所有進(jìn)行摻雜的材料中，氮的摻雜效果最好，它能使電離后的正負(fù)離子均能實(shí)現(xiàn)催化，優(yōu)于硫、氟、碳等非金屬離子的效果。目前已有的摻氮的方式是通過(guò)氨氣提供氮源，通過(guò)三種源的交替進(jìn)入實(shí)現(xiàn)氮的摻入，摻雜后氮的含量約在I %左右，摻氮效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，使用該方法可以實(shí)現(xiàn)氮元素的高摻雜而且方法簡(jiǎn)單，摻雜后的薄膜結(jié)構(gòu)完整，氮含量提升，性能顯著增加。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，包括如下步驟:步驟(I)，將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；步驟(2)，以氮?dú)鉃檩d氣向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含鈦源氣體，所述含鈦源氣體中的鈦原子吸附在所述硅襯底上；步驟(3)，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入氮?dú)?，同時(shí)進(jìn)行等離子體放電，所述氮?dú)怆婋x后部分氮原子與部分所述鈦原子形成共價(jià)鍵；步驟(4)，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含氧源，未與所述氮原子反應(yīng)的鈦原子與所述含氧源中的氧原子形成鈦氧鍵；步驟(5)，重復(fù)步驟(2)、(3)、(4)即可逐層生長(zhǎng)含氮原子的二氧化鈦薄膜。上述方案中，所述步驟(I)之前還包括:所述硅襯底的表面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理，在所述娃襯底的表面形成娃氫鍵。上述方案中，所述步驟(2)中的含鈦源氣體為四氯化鈦。上述方案中，所述步驟⑵中氮?dú)獾牧髁繛镮sccm-lOOOsccm，進(jìn)氣時(shí)間為
0.1s-1 S，反應(yīng)時(shí)間為ls-lOs，清洗時(shí)間為5s-60s，基盤溫度為100°C _500°C。上述方案中，所述步驟(2)中氮?dú)獾牧髁繛?5sCCm，進(jìn)氣時(shí)間為ls，反應(yīng)時(shí)間為5s，清洗時(shí)間為20s，基盤溫度為300°C。
上述方案中，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛閘sccm-20sccm,等離子體放電功率為1W-100W，放電時(shí)間為ls-10s。上述方案中，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛?5SCCm，等離子體放電功率為40W，放電時(shí)間為2s。上述方案中，所述步驟⑷中的含氧源為水。與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下:本發(fā)明利用ALD設(shè)備對(duì)二氧化鈦薄膜進(jìn)行氮摻雜，該方法簡(jiǎn)單易行，利用原子層沉積單層循環(huán)生長(zhǎng)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的在整個(gè)結(jié)構(gòu)中摻氮，且摻雜后氮元素含量高。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中硅襯底表面經(jīng)過(guò)處理的形成S1-H鍵的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中向原子層沉積反應(yīng)腔通入四氯化鈦的示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中四氯化鈦和硅襯底表面發(fā)生反應(yīng)，鈦原子吸附在硅襯底表面的不意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中氮?dú)怆婋x后的氮原子部分沉積與娃襯底表面的鈦原子形成共價(jià)鍵的示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中向原子層沉積反應(yīng)腔通入水,娃襯底里表面未與氮原子反應(yīng)的鈦原子與氧原子形成鈦-氧鍵的示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例中Iv反應(yīng)周期結(jié)束后的不意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明實(shí)施例提供一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，具體包括如下步驟:
步驟101，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理硅襯底表面，在硅襯底表面形成硅氫鍵，如圖1所示，其中，標(biāo)準(zhǔn)液是指:I號(hào)液，濃硫酸:雙氧水=4: I ;2號(hào)液，氨水:純凈水:雙氧水=I: 5: I ；3號(hào)液，鹽酸:雙氧水:純凈水=1:1:6 ;將進(jìn)行氫化處理后的硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；步驟102，開啟原子層沉積設(shè)備，調(diào)整工作參數(shù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需工作環(huán)境；以氮?dú)鉃檩d氣，向原子層沉積反應(yīng)腔中通入四氯化鈦飽和氣體，如圖2所示；四氯化鈦氣體和硅襯底表面發(fā)生反應(yīng)，四氯化鈦中的鈦原子吸附在硅襯底上，反應(yīng)式為:S1-H+T1-Cl — S1-Ti+HCl ，形成硅鈦鍵，如圖3所示；其中氮?dú)獾牧髁繛镮sccm-lOOOsccm,優(yōu)選地為15sccm,進(jìn)氣時(shí)間為0.ls_ls,優(yōu)選地為ls，反應(yīng)時(shí)間為ls-lOs，優(yōu)選地為5s，清洗時(shí)間為5s-60s，優(yōu)選地為20s，基盤溫度為IOO0C _500°C，優(yōu)選地為 300°C ；步驟103，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入氮?dú)?，并進(jìn)行等離子放電；電離產(chǎn)生的部分氮原子與硅襯底表面鈦原子發(fā)生反應(yīng)，形成共價(jià)鍵，反應(yīng)式為:T1-Cl+-N — T1-N-Cl，如圖4所示；其中氮?dú)獾牧髁繛閘-20sccm，優(yōu)選地為15sccm ;等離子體放電功率為1W-100W，優(yōu)選地為40W，時(shí)間為ls-lOs，優(yōu)選地為2s ；
步驟104，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入水，未與氮原子發(fā)生反應(yīng)的鈦原子與水中的氧原子形成鈦-氧鍵，反應(yīng)式為:T1-Cl+H20 — T1-OH+HCl丨，如圖5所示；步驟105，步驟102至步驟104這一反應(yīng)周期結(jié)束后，如圖6所示，硅襯底表面全為氫原子，此時(shí)重復(fù)步驟102至步驟104，可以逐層生長(zhǎng)含氮原子的二氧化鈦薄膜；氮原子沉積在每一層中的不同位置，數(shù)量少于氧的含量。本發(fā)明通過(guò)ALD逐層循環(huán)的生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)二氧化鈦薄膜，在此期間通過(guò)載氣氮?dú)獾碾婋x來(lái)提供氮源，氮原子和襯底元素在相互作用下形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而在二氧化鈦薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中逐漸插入氮原子，形成所需要的氮摻雜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)氮元素的高摻雜而且方法簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)入第三種前驅(qū)體源，摻雜后的薄膜結(jié)構(gòu)完整，氮含量提升，性能顯著增加。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟(I)，將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中； 步驟(2)，以氮?dú)鉃檩d氣向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含鈦源氣體，所述含鈦源氣體中的鈦原子吸附在所述硅襯底上； 步驟(3)，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入氮?dú)?，同時(shí)進(jìn)行等離子體放電，所述氮?dú)怆婋x后部分氮原子與部分所述鈦原子形成共價(jià)鍵； 步驟(4)，向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含氧源，未與所述氮原子反應(yīng)的鈦原子與所述含氧源中的氧原子形成鈦氧鍵； 步驟(5)，重復(fù)步驟(2)、(3)、(4)即可逐層生長(zhǎng)含氮原子的二氧化鈦薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)之前還包括:所述硅襯底的表面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理，在所述硅襯底的表面形成硅氫鍵。
3.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的含鈦源氣體為四氯化鈦。
4.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中氮?dú)獾牧髁繛镮sccm-lOOOsccm，進(jìn)氣時(shí)間為0.ls_ls，反應(yīng)時(shí)間為ls_10s，清洗時(shí)間為5s-60s，基盤溫度為 100°C -500°C。
5.如權(quán)利要求4所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中氮?dú)獾牧髁繛?5SCCm，進(jìn)氣時(shí)間為ls，反應(yīng)時(shí)間為5s，清洗時(shí)間為20s，基盤溫度為300°C。
6.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛閘sccm-20sccm，等離子體放電功率為1W-100W，放電時(shí)間為ls_10s。
7.如權(quán)利要求6所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中氮?dú)獾牧髁繛?5sCCm，等離子體放電功率為40W，放電時(shí)間為2s。
8.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中的含氧源為水。
全文摘要
本發(fā)明涉及二氧化鈦制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法。所述制備方法，包括如下步驟將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；以氮?dú)鉃檩d氣向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含鈦源氣體，含鈦源氣體中的鈦原子吸附在硅襯底上；向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入氮?dú)猓瑫r(shí)進(jìn)行等離子體放電，氮?dú)怆婋x后部分氮原子與部分鈦原子形成共價(jià)鍵；向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入含氧源，未與氮原子反應(yīng)的鈦原子與含氧源中的氧原子形成鈦氧鍵；重復(fù)上述步驟即可逐層生長(zhǎng)含氮原子的二氧化鈦薄膜。本發(fā)明利用ALD設(shè)備對(duì)二氧化鈦薄膜進(jìn)行氮摻雜，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的在整個(gè)結(jié)構(gòu)中摻氮，且摻雜后氮元素含量高，性能顯著增加。
文檔編號(hào)C23C16/40GK103205730SQ20121000771
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者夏洋, 饒志鵬, 萬(wàn)軍, 李超波, 陳波, 劉鍵, 江瑩冰, 石莎莉, 李勇滔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所