一種圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備方法，具體地說是一種專門用于原子層化學氣相沉積技術的圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備方法。
技術背景
[0002]眾所周知，氧化鋁(Al2O3)薄膜具有非常優(yōu)良的物理性能和化學性能，如機械強度和硬度高、熱穩(wěn)定性好、熱導率高、抗輻照損傷能力強、抗堿離子滲透能力強、寬禁帶、在很寬的波長范圍內透明、絕緣性極佳等，在機械、光學及微電子等許多領域有著廣泛的應用前景，在微電子領域，隨著硅基集成電路的集成度不斷提高，作為場效應晶體管柵極材料的二氧化硅材料因在納米尺度下隧穿電流無法忽略，已越來越不適合作為絕緣材料。氧化鋁薄膜作為二氧化硅的替代材料，引起了研宄人員的興趣。原子層化學氣相沉積技術由于具有薄膜生長厚度精確可控、臺階覆蓋性極佳等優(yōu)點，特別適合于超薄薄膜的生長，在微電子領域應用越來越廣。氧化鋁薄膜因其高的光透過性，還可以用于太陽能電池的光采集層。
[0003]氧化鋁超薄薄膜應用于集成電路、傳感器、微機電系統(tǒng)、太陽能電池等場合，都需要將氧化鋁超薄薄膜制作成特定的圖形，而在微電子技術領域，將薄膜材料圖形化，通常采用的技術方案為增法或減法，增法為采用掩模板進行薄膜生長利用掩模板在薄膜生長時即形成特定的圖形，減法為對薄膜進行刻蝕，進一步可分為物理法刻蝕/化學法刻蝕。
[0004]若采用物理法刻蝕，其刻蝕深度往往很難控制，尤其是對于納米級超薄薄膜，過度刻蝕的問題更加嚴重，會損傷薄膜下層的襯底材料，其工藝參數(shù)極難掌控；若采用化學刻蝕，同樣存在上述過度刻蝕的問題，并且，薄膜還同時會因刻蝕劑的采用而被雜質離子所污染；另外，無論是物理法刻蝕還是化學法刻蝕，都需要在刻蝕前預先做好圖形化的耐刻蝕的掩模層，在刻蝕工藝完成后再設法去除這一層，這也使得刻蝕法的工藝十分復雜。
[0005]因此，采用增法進行薄膜的圖形化生長是較好的選擇。
[0006]對于脈沖激光沉積法、化學氣相沉積法、磁控濺射法、真空蒸鍍法等等，常規(guī)的掩模板法可以用來制備圖形化氧化鋁薄膜，已經(jīng)有大量的成熟的運用。然而，當所需要的氧化鋁薄膜厚度減少到幾個納米的量級、且要求精確控制厚度、臺階覆蓋性優(yōu)秀時，前述這些方法變得無能為力，原子層化學氣相沉積超薄氧化鋁薄膜成為最合適的選擇。
[0007]但是，若采用常規(guī)的掩模板機械夾持法和常規(guī)的原子層化學氣相沉積工藝(H2O與TMA交替脈沖)在氧化鋁薄膜沉積時便完成薄膜的圖形化，也存在很大的問題:由于原子層化學氣相沉積超薄氧化鋁薄膜時，掩模板與襯底材料之間總會存在很小的縫隙，作為氧源的去離子水蒸汽極度容易侵入縫隙，即使看似很平整的、與襯底貼合良好的掩模板也根本無法起到阻擋去離子水蒸汽侵入的作用，實際沉積工藝中發(fā)現(xiàn)采用這一方法根本無法完成薄膜的圖形化，所得到的氧化鋁超薄膜與無掩模板時得到的氧化鋁超薄膜幾無差異；此外，常規(guī)的掩模板在放置到襯底上時，與磁控濺射法、脈沖激光沉積法、真空鍍膜法、分子束外延法等薄膜沉積工藝不同，在原子層化學氣相沉積工藝中，由于載氣、前驅體氣體的脈沖性沖擊氣流周期性作用，現(xiàn)有技術的掩模板固定法總會給潔凈的襯底表面造成損傷和污染，也使得圖形的邊緣模糊不清，機械性的夾持也導致在裝載、取樣時會給極薄(幾個納米以下的厚度)的薄膜造成嚴重損傷。
[0008]上述因素使得制備圖形化的氧化鋁納米級厚度的超薄薄膜，始終是一個難以克服的技術難題，在微米級、亞微米級、深亞微米級工藝時代看似簡單的技術問題，在納米級加工時代，變得尤為困難，現(xiàn)有技術無法適應新的工藝。在本發(fā)明之前，尚未有工藝簡單、效率高、免污染、專門用于原子層化學氣相沉積技術的圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備方法，亟需開發(fā)新的圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備技術。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而提供一種專門用于原子層化學氣相沉積技術的圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備方法。
[0010]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案來實現(xiàn):
一種專門用于原子層化學氣相沉積技術的圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備方法，所使用的原料包括:鋁源、惰性氣體、氧源和片狀襯底，所述圖形化的氧化鋁超薄薄膜的制備方法依次包括以下步驟:
(1)襯底準備:將襯底用有機溶劑清洗后，用惰性氣體吹干，所述有機溶劑為無水乙醇或丙酮；
(2)固定樣品:將步驟(I)中得到的潔凈的襯底放置于樣品托盤的淺槽內，在襯底上表面覆蓋上預先準備好的具有所需圖形的金屬掩膜版，然后將環(huán)形永久磁鐵或環(huán)形電磁鐵的置于金屬掩膜版上，環(huán)形永久磁鐵或環(huán)形電磁鐵的圓心與淺槽的中心重合；
(3)進樣:送入原子層化學氣相沉積系統(tǒng)的真空反應腔，抽真空使真空反應腔的真空度達到I?5hpa ；
(4)圖形化的氧化鋁超薄薄膜的原子層化學氣相沉積:氧氣和惰性氣體按照一定體積比混合均勻后，通過臭氧發(fā)生器產生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內通入惰性氣體，使反應腔內及中間空間氣壓分別保持在I?5hpa和6?15hpa ;每個生長循環(huán)由以下四個氣體脈沖組成:
a、三甲基鋁脈沖0.1秒，使用惰性氣體作為載氣輸送到反應腔，載氣流量為100_400sccm ；
b、惰性氣體沖洗腔體2?30秒，流量為100-400sccm；
C、臭氧脈沖3秒，臭氧流量為100-400sccm，使用惰性氣體作為載氣輸送到反應腔，載氣流量為100-400sccm ；
d、惰性氣體沖洗腔體6秒，流量為100-400sccm ；
利用自限制表面吸附效應，制得氧化鋁超薄薄膜；
當采用環(huán)形電磁鐵固定襯底和金屬掩膜板時，電子開關閉合，由主機電源的3V~12V穩(wěn)壓輸出端給環(huán)形電磁鐵供電；
(5)取樣:關閉原子層化學氣相沉積系統(tǒng)，當采用環(huán)形電磁鐵固定襯底和金屬掩膜板時，電子開關斷開，取出圖形化的氧化鋁超薄薄膜樣品。
[0011 ] 所述鋁源為三甲基鋁，所述氧源為氧氣。所述惰性氣體為氮氣或氬氣。惰性氣體及氧氣的純度均不低于99.999%。
[0012]所述片狀襯底為硅片、鎳酸鑭片、氧化銦片、氧化鎂片、金屬片、氮化鎵片、氮化鈦片、氮化鋁片、石英片、藍寶石片其中之一。
[0013]所述的樣品托盤為圓形，托盤的尺寸與反應腔的尺寸相適應，托盤材質為含鐵、鎳或鈷其中一種或多種的軟磁性金屬合金，托盤圓周設有高于托盤平面0.2~lmm的凸緣，該凸緣還設置有兩個對稱分布的缺口，缺口寬度為l~2mm，缺口高度與凸緣高度保持相同，即為0.2~1_，所述缺口的設置，對于薄膜生長的均勻性、可控性、純凈度以及生長速度至關重要；托盤平面內設置有一個或多個深度為0.2~lmm的圓形或方形的淺槽，所述淺槽的設置是為了避免在薄膜生長過程中襯底薄片被氣流所吹走；托盤的圓周邊緣設有兩個通孔，兩個通孔內分別容置有一對正、負電源接線柱，電源接線柱與托盤之間填充有絕緣層，托盤配有環(huán)形永久磁鐵或環(huán)形電磁鐵，環(huán)形電磁鐵與所述正、負電源接線柱之間柔性電連接；環(huán)形永久磁鐵或環(huán)形電磁鐵的內徑大于金屬掩膜板的圖形區(qū)域，環(huán)形永久磁鐵或環(huán)形電磁鐵的外徑與淺槽內徑相適應。
[0014]當反應腔的反應溫度低于100°C時采用環(huán)形永久磁鐵或環(huán)形電磁鐵，當反應腔的反應溫度高于100°c時采用電磁鐵。
[0015]原子層化學氣相沉積系統(tǒng)的用于容置樣品托盤的托架上設有與所述托盤上的一對正、負電源接線柱相匹配的一對彈性金屬片，所述一對彈性金屬片與原子層化學氣相沉積設備的主機電源的3V~12V穩(wěn)壓輸出端之間通過電子開關電連接；
優(yōu)選地，所述原子層化學氣相沉積設備的主機電源的3V~12V穩(wěn)壓輸出端為直流輸出，所述電子開關為功率型MOSFET，且該電子開關由主機的操作系統(tǒng)控制開啟或斷開；或優(yōu)選地，所述原子層化學氣相沉積設備的主機電源的3V~12V穩(wěn)壓輸出端為交流輸出，所述電子開關為晶體閘流管，且該電子開關由主機的操作系統(tǒng)控制開啟或斷開；
在步驟(2)中，將步驟(I)中得到的潔凈的襯底放置于樣品托盤的淺槽內，在襯底上表面覆蓋上預先準備好的具有所需圖形的金屬掩膜版，然后將環(huán)形永久磁鐵或環(huán)形電磁鐵置于金屬掩膜版上，環(huán)形永久