[发明专利]基于氮离子源的离子束反应溅射沉积设备及氮化铝薄膜制备方法

说明书

本发明提供了一种氮离子源的离子束反应溅射沉积设备，以及使用该设备的基于氮离子源的氮化铝薄膜制备方法和氮化铝薄膜。其中设备包括氮离子源、工件台和靶台，所述氮离子源用于通入氮气并生成氮离子束，所述靶台用于固定铝靶材且位于氮离子束的发射方向上，所述工件台用于固定衬底且位于靶台的溅射粒子沉积方向上，所述氮离子束轰击铝靶材产生的溅射粒子沉积在衬底上形成氮化铝薄膜；所述工件台上设置有可开关的挡板，用于在关闭时遮挡衬底以防止溅射粒子沉积。本发明直接以氮气作为工作和反应气体，可以避免使用氩气等惰性气体，降低了工艺成本；并且通过离子束反应溅射技术制出的氮化铝薄膜均匀度好，表面光滑，应力小，光学性质更加重复稳定。

技术领域

本发明涉及离子束技术领域，尤其涉及一种基于氮离子源的离子束反应溅射沉积设备，以及使用该设备的基于氮离子源的氮化铝薄膜制备方法和氮化铝薄膜。

背景技术

薄膜材料可分为：超导薄膜、导电薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、电阻薄膜、光学薄膜、光电薄膜、压电薄膜、热电薄膜、铁电薄膜和磁性薄膜等等，已经成为许多尖端技术和新兴技术的基本材料。氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)等III族元素氮化物薄膜成为了继第一代镉(Ge)、硅(Si)半导体和第二代砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)化合物半导体之后的第三代半导体材料的代表。该氮化物薄膜按用途可分为无定型薄膜、单晶薄膜、无规取向的多晶薄膜和高速择优取向的多晶薄膜。氮化物薄膜具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率、高的抗辐射能力和宽的禁带宽度的特性。并且因为氮化物薄膜具有宽能隙直接能带结构、高效率可见和紫外光发射的特性，是制作蓝绿发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的理想材料，在短波长光发射、光显示器件以及全色光器件方面具有很好的应用前景。尤其是氮化铝具有高热导、高硬度以及良好的介电性质、声学性质和化学稳定性，在短波光发射和光探测、表面声学、压电器件等光电子和微电子器件方面得到广泛应用。

氮化物薄膜按制备技术可分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和其它沉积或外延技术，以及在这三大类技术基础上的改进工艺。以氮化铝薄膜为例，国内相关的技术有：激光束对氮化铝烧结体照射产生等离子体形成氮化铝薄膜；原子层沉积设备(ALD)制备氮化铝薄膜；中频磁控反应溅射制备氮化铝薄膜。然而，这些方案制备的氮化铝薄膜在均一性和粗糙度等综合性能上都有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有方法制备的氮化铝薄膜存在的上述不足，提供一种采用氮离子源作为工作气体和反应气体的离子束反应溅射沉积设备，以及相应的基于氮离子源的氮化铝薄膜制备方法和制得的氮化铝薄膜。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于氮离子源的离子束反应溅射沉积设备，包括氮离子源、工件台和靶台，所述氮离子源用于通入氮气并生成氮离子束，所述靶台用于固定铝靶材且位于所述氮离子束的发射方向上，所述工件台用于固定衬底且位于所述靶台的溅射粒子沉积方向上，所述氮离子束轰击铝靶材产生的溅射粒子沉积在所述衬底上形成氮化铝薄膜；所述工件台上设置有可开关的挡板，用于在关闭时遮挡工件台上衬底以防止溅射粒子沉积。

在根据本发明所述的基于氮离子源的离子束反应溅射沉积设备中，所述氮离子源包括气体电离装置、离子光学系统和中和装置，所述气体电离装置用于通入氮气产生等离子体，所述离子光学系统用于从所述等离子体中抽取离子束并加速，所述中和装置用于向所述离子束发射电子生成中性离子束。

在根据本发明所述的基于氮离子源的离子束反应溅射沉积设备中，所述气体电离装置包括放电室以及内部的主阴极、筒形阳极和电磁线圈；所述放电室设有气孔用于通入氮气；所述主阴极和离子光学系统分别位于所述放电室的轴向两端；所述主阴极用于发射电子；所述筒形阳极中间的区域构成气体放电区；所述电磁线圈位于筒形阳极外侧，用于产生高频电场；所述主阴极在阳极电场的作用下发射电子；进入气体放电区的惰性气体受电子轰击引发放电形成等离子体。

本发明还提供了一种基于氮离子源的氮化铝薄膜制备方法，采用如上所述的基于氮离子源的离子束反应溅射沉积设备，所述方法包括以下步骤：