[发明专利]一种原子层沉积超薄氧化铝薄膜的装置及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用原子层沉积超薄氧化铝薄膜的新方法，尤其是用双频即微波ECR和射频负偏压设备产生等离子体沉积氧化铝薄膜。

背景技术：

三氧化二铝(Al₂O₃)薄膜具有很多优异的物理性能和化学性能，如：较高的介电常数、高热导率、抗辐照损伤能力强、抗碱离子渗透能力强以及在很宽的波长范围内透明。因此，Al₂O₃薄膜被广泛地应用于微电子器件、电致发光器件、光波导器件以及抗腐蚀涂层等众多领域。尤其是在微电子器件中，Al₂O₃薄膜由于具有较大的介电常数、与Si接触有较大的能带偏移等优点，是取代SiO₂作为栅介质的有竞争力的材料之一。另外，Al₂O₃薄膜作为钝化层和防扩散阻挡层的应用也越来越受到重视，有机太阳能电池的封装、食品包装等领域的应用都是利用了Al₂O₃薄膜优良的阻隔性能。

Al₂O₃薄膜有多种制备技术，其性质取决于制备薄膜的过程参数，不同的应用环境对其性能要求不同，所采用的制备工艺与技术也随之不同。Al₂O₃薄膜的制备方法主要有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶法(sol-gel)、原子层沉积(ALD)等。

一、物理气相沉积技术(PVD)。如磁控溅射技术，用这种技术制备Al₂O₃薄膜时一般都是以纯铝为靶材，溅射用的惰性气体通常选择氩气，因为它的溅射率最高。用氩离子轰击铝靶并通入氧气，溅射出的铝离子和电离得到的氧离子沉积到基片上从而得到Al₂O₃薄膜。目前，国际上最广泛使用的是脉冲非平衡磁控溅射方法，这主要是因为传统磁控系统中存在制备大面积、多组分、致密、高质量薄膜的困难问题，而利用非平衡磁控系统就可有效解决此问题；同时利用脉冲离子源克服了磁控溅射工艺中存在的沉积速率低而不利于商业生产的缺陷；此外，利用脉冲离子源可有效地解决制备高绝缘膜如Al₂O₃薄膜时产生放电效应而使薄膜存在缺陷问题。这种方法使得制备高质量的可用于工业生产的薄膜成为可能，因此受到人们重视。

二、化学气相沉积(CVD)。如金属有机源气相沉积(MOCVD)，MOCVD基本原理是采用II、III族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为生长源材料以热分解反应在衬底上进行气相外延生长族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜单层。MOCVD方法制备Al₂O₃薄膜是将铝的金属有机物气化后利用载气通入反应室和氧气发生化学反应，反应的生成物沉积到衬底上从而形成Al₂O₃薄膜。目前用于制备Al₂O₃薄膜的MOCVD方法主要有三种：低压MOCVD、等离子体增强MOCVD和光辅助MOCVD。

MOCVD方法的优点是：可以合成组分按任意比例组成的人工合成材料，沉积速率高，均匀性好，重复性好，沉积温度低，所有工艺参数都可独立控制；缺点是存在原材料的纯度、稳定性及毒性问题。

三、溶胶-凝胶法(sol-gel)。溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法。通过有机醇盐水解法或无机盐水解法制得溶胶液，经过薄膜涂覆工艺在基片上形成凝胶膜，再经过干燥焙烧后得到Al₂O₃薄膜。

溶胶-凝胶法制备薄膜的方法有：浸渍法，旋覆法，喷涂法和简单刷涂法等。溶胶-凝胶法的优点是工艺设备简单，可以大面积在各种不同形状、不同材料的基底上制备薄膜，可有效控制薄膜成分及微观结构。缺点是制备的薄膜与基体结合力差，成本相对较高，制备过程时间较长。