[发明专利]一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途。所述方法采用远程等离子体增强原子层沉积系统，将铝源化学吸附到沉积对象的表面，将氮源与氢气的混合气体形成氮源的等离子体和氢气的等离子体，所述氮源的等离子体与化学吸附在沉积对象表面的铝源进行氮化反应，得到氮化铝薄膜。所述方法中，氢气形成的等离子体有助于破坏铝源的化学键，促进氮化反应，降低沉积温度，实现低温制备氮化铝薄膜，且对沉积对象的损伤较小。此外，所述方法在整个制备过程在强还原性气氛中进行，避免氧对氮化铝薄膜的不利影响。所述氮化铝薄膜均匀、质量高和保形性好，适用于各种衬底及其微纳结构与器件。

技术领域

本发明涉及氮化铝薄膜制备技术领域，具体涉及一种氮化铝薄膜及其制备方法和用途。

背景技术

氮化铝(AlN)由于宽带隙6.2ev、优良热导率(3.3W·K^-1·cm^-1)、高电阻率(108-1013Ω·cm)、低介电损耗、优良压电性能及热稳定性等在电子学和光电子学领域具有广泛应用前景，包括介电层、钝化层、声表面波器件以及深紫外发光器件等，是极为重要的第三代半导体材料。目前，多采用分子束外延(MBE)、磁控溅射、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)及原子层沉积等方法制备AlN薄膜。应用上述方法制备氮化铝薄膜时往往存在温度高、高能离子轰击导致衬底损伤、以及保形性差等问题，很大程度上制约了AlN薄膜的应用，尤其是对氮化铝薄膜质量要求高的领域。

CN109326506A公开一种磁控溅射方法制备AlN薄膜，但衬底温度为650℃。北京大学许福军、沈波等用磁控溅射和MOCVD相结合的方法制备AlN薄膜(CN108269887A)，其中磁控溅射方法生长AlN形核层，衬底温度为300-900℃，之后采用MOCVD方法生长外延层，反应腔温度在1100-1400℃。总之，上述方法均需要衬底在高温下才能制备氮化铝膜，不适于低熔点材料衬底及要求低温器件的情况。

此外，在实际应用中AlN薄膜常作为薄膜发光层，衬底为玻璃。这就要求制备薄膜时温度至少要低于玻璃的软化温度(普通玻璃软化温度600℃)。另外，深紫外发光器件通常用于生物医学，如采用生物模板制备发光器件等都要求低温甚至常温下制备。

刘建哲、褚君尉等采用下述方法制备PSS基AlN薄膜(CN106086801A)，具体包括：(1)选取一片PSS晶片，并对PSS晶片及Al靶进行预处理；(2)对反应室抽真空处理，并将PSS晶片置于抽真空后的反应室内；(3)对PSS晶片进行低能清洗，去除晶片表面的氧化层；(4)采用电流将PSS晶片加热至一定温度；(5)在真空环境中对PSS晶片进行预溅射；(6)在稳定的气压下溅射镀膜，制备得到PSS基AlN薄膜；(7)关闭设备，取出制备好的PSS基AlN薄膜。所述方法采用溅射镀膜方法在图形化微米结构衬底上制备AlN薄膜，保形性不佳，不适于具有纳米结构的衬底。

王文庆利用离子束辅助沉积与磁控溅射相结合也能够制备AlN薄膜(CN106282915B)，所述方法包括以下步骤：(1)衬底预处理；(2)靶材预处理；(3)采用离子束辅助沉积技术，Ar⁺离子束溅射沉积Al膜，N⁺离子束轰击Al膜，在衬底上形成AlN缓冲层；(4)N₂、Ar以及NH₃混合气体下，采用磁控溅射沉积技术，在AlN缓冲层上形成AlN薄膜。该方法在75℃低温下制备了AlN薄膜，离子辅助镀制缓冲层，而磁控溅射分层镀制AlN薄膜，其不足之处是制备过程复杂且需要高能离子(2500V/10mA)轰击，易损伤衬底，不适于易损伤衬底、结构与器件情况。