專利名稱：一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，具體地說(shuō)是采用 中頻磁控濺射裝置和陽(yáng)極層離子源結(jié)合用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，屬 于通過(guò)真空濺射或離子注入進(jìn)行鍍覆領(lǐng)域。
技術(shù)背景氮化鎵是第三代半導(dǎo)體，主要用于半導(dǎo)體發(fā)光器件和大功率晶體管，器 件管芯制備的兩個(gè)關(guān)鍵步驟是薄膜的外延生長(zhǎng)和活性層的制備。為了得到低缺陷密度的表面，至少需要預(yù)先生長(zhǎng)4微米左右的氮化鎵薄膜。常規(guī)的制備 方法包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或鹵化物氣相 外延(HVPE)，基礎(chǔ)材料是在800 1100。C高溫條件下在藍(lán)寶石或SiC襯底上 外延生長(zhǎng)而成；光電器件的制備則一般采用MOCVD和MBE。但平板薄膜晶體 管顯示器以及太陽(yáng)電池等器件一般采用玻璃襯底，制作流程需要在較低溫度 下完成，上述三種方法不能適用于這類應(yīng)用領(lǐng)域。因此需要采用磁控濺射等 低溫沉積技術(shù)，在本實(shí)用新型之前，國(guó)內(nèi)在2007年5月16日公開了武漢大 學(xué)"一種用于制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的方法和裝置"專利申請(qǐng)，申請(qǐng) 號(hào)200610125202. 4，該技術(shù)采用磁控濺射技術(shù)制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜， 但磁控濺射有兩個(gè)缺點(diǎn)(1)沉積速率低；(2)附著力弱。因此難以形成較 大厚度的膜層。目前雖有磁控濺射裝置制備氮化鎵，但較少用中頻磁控濺射 裝置，尚無(wú)人采用離子源與中頻磁控濺射相結(jié)合的裝置。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種離子源與中頻磁控濺射相結(jié)合的裝置， 即能在較低溫度下使鍍膜區(qū)的等離子體密度大幅度提高，能快速沉積氮化鎵 同時(shí)增強(qiáng)氮化鎵與基片材料的附著力，用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置。本實(shí)用新型為了達(dá)到上述目的，設(shè)計(jì)了一種用于快速制備氮化鎵薄膜的 裝置，包含有真空室d3)，中頻磁控濺射裝置，其特征在于真空室內(nèi)安裝的中 頻磁控濺射裝置和陽(yáng)極層離子源(8)，設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸(6)、基片架(ll)，兩個(gè)靶池(5)， 基片架可隨旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，基片(W)水平放置在基片架上，在靶池上方且與靶池面平行，基片架上設(shè)有加熱控制系統(tǒng)(1)和負(fù)偏壓(2);靶池接有中頻開關(guān)電源， 靶池內(nèi)有液態(tài)鎵(3)，靶池背面是冷卻室，冷卻室設(shè)有冷卻水進(jìn)口和出口(7); 陽(yáng)極層離子源水平安裝且與磁控濺射靶平行，還配備有可調(diào)電源。本實(shí)用新型所述的真空室(13)，包含有抽真空口(4)、進(jìn)氣管(9)和觀察窗(②，安裝有磁控濺射靶、離子源和旋轉(zhuǎn)基片架。所述的中頻磁控濺射裝置，設(shè)有兩個(gè)靶池(5)和背部冷卻系統(tǒng)，靶池接有中頻開關(guān)電源，靶池內(nèi)有液態(tài)鎵(3)， 由于鎵的熔點(diǎn)只有29攝氏度，因此采用水平背冷卻靶配置，液態(tài)鎵受耙池背 面冷卻而變成固體，冷卻水由進(jìn)口和出口(7)分開進(jìn)出。基片架下裝有基片(IO), 基片架上裝有加熱控制系統(tǒng)(1)和負(fù)偏壓(2)，基片安置在靶池上方且其表面與 靶池面平行。本實(shí)用新型是在中頻磁控濺射的基礎(chǔ)上引入離子源，采用中頻磁控濺射 裝置與陽(yáng)極層離子源相結(jié)合組成的裝置，中頻磁控濺射以氮?dú)寤旌蠚怏w作為 工作氣體，以一對(duì)孿生磁控濺射鎵靶作為原材料，鎵靶受一臺(tái)中頻開關(guān)電源 驅(qū)動(dòng)，使鎵靶產(chǎn)生濺射，基片處于靶位處的等離子體區(qū)，濺射出來(lái)的原子與 氮?dú)夥纸猱a(chǎn)生的氮粒子在基片上反應(yīng)生成氮化鎵薄膜。本實(shí)用新型通過(guò)離子 轟擊基片和沉積材料表面以達(dá)到增強(qiáng)附著力的目的，通過(guò)提高鍍膜區(qū)等離子 體密度，達(dá)到增大沉積速率的目的，最終快速完成氮化鎵薄膜的制備。本實(shí)用新型一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，所述的陽(yáng)極層離子源 安裝有外陰極(82)，內(nèi)陰極(88)和陽(yáng)極(85)，通過(guò)導(dǎo)磁板(81)安裝有陽(yáng)極 調(diào)整螺桿(87)，陽(yáng)極和陽(yáng)極絕緣子(86)安裝在調(diào)整螺桿上，陽(yáng)極位于外極靴 (83)與內(nèi)極靴(84)之間，內(nèi)陰極位于內(nèi)外極靴與導(dǎo)磁板之間，外陰極套在內(nèi) 陰極外。用釤鈷磁鐵作內(nèi)陰極，用磁鋼套環(huán)作外陰極。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 陽(yáng)極層離子源的核心是內(nèi)外陰極磁體構(gòu)成的極間局域強(qiáng)磁場(chǎng)，工作氣體在電 場(chǎng)下產(chǎn)生放電，形成等離子體，其中的電子被強(qiáng)磁場(chǎng)約束在內(nèi)外陰極間的表 面區(qū)域，沿磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，與氣體原子碰撞，從而產(chǎn)生大量的氣體離子。 當(dāng)電子向陽(yáng)極擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)一步與更多原子碰撞，產(chǎn)生更多離子，正離子 受到磁場(chǎng)和基片偏壓加速，進(jìn)入薄膜沉積區(qū)。本實(shí)用新型所述的陽(yáng)極層離子源配備的可調(diào)電源為0—1500V。陽(yáng)極層離 子源工作過(guò)程首先向離子源通入工作氣體氬氣，控制氣體流量，使得離子 源所處氣壓為0. 4—0. 8Pa，工作時(shí)在離子源陽(yáng)極加以0 — 1500V的可調(diào)電壓，陽(yáng)極電流為500-800mA，離子源磁場(chǎng)為300—450高斯。工作原理如圖3所示。 氬氣在電場(chǎng)作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生的電子及碰撞過(guò)程產(chǎn)生的二次電子在運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中受到洛倫茲力作用，被束縛在離子源附近的高密度等離子體區(qū)內(nèi)，在 磁場(chǎng)作用下作螺旋運(yùn)動(dòng)的電子與氬原子發(fā)生碰撞，如圖3中(B)表示的磁感 應(yīng)線，產(chǎn)生大量的氬離子，氬離子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，形成一層極薄的陽(yáng)極 層。由于磁場(chǎng)對(duì)離子是透明的，氬離子受基片電壓作用進(jìn)入薄膜沉積區(qū)，如 圖3中(E)表示基片偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)，提高等離子體密度，飛向基片的離子 對(duì)材料表面產(chǎn)生離子轟擊作用，以保證氮化鎵薄膜有致密的結(jié)構(gòu)。 本實(shí)用新型一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)1、 本實(shí)用新型在中頻磁控濺射技術(shù)的基礎(chǔ)上引入離子源，中頻磁控濺射 裝置與陽(yáng)極層離子源相結(jié)合，使鍍膜區(qū)的等離子體密度大幅度提高，從而提 高氮化鎵的沉積速率，同時(shí)增強(qiáng)氮化鎵與基片材料的附著力。2、 本裝置能在較低溫度下完成氮化鎵薄膜制備，沉積速率高，附著力強(qiáng)， 最適合用于平板薄膜、晶體管顯示器以及太陽(yáng)電池等器件的氮化鎵薄膜制備。 附困說(shuō)明以下用附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明


圖1為本實(shí)用新型一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖 中(l)為加熱控制系統(tǒng)，(2)為負(fù)偏壓，(3)為鎵耙，(4)為抽真空口， (5)為靶池， (6)為基片架的旋轉(zhuǎn)軸，(7)為冷卻水進(jìn)、出口， (8)為陽(yáng)極層離子源，(9)為進(jìn)氣管，加)為基片，ai)為基片架，似為觀察窗，a》為真空室。圖2為本實(shí)用新型所采用的陽(yáng)極層離子源(8)的裝配示意圖。圖中(81)導(dǎo) 磁板、(82)磁鋼套環(huán)作的外陰極、(83)外極靴、(84)內(nèi)極靴、(85)陽(yáng)極、(86) 陽(yáng)極絕緣子、(87)陽(yáng)極調(diào)整蠊桿、(88)釤鈷磁鐵作的內(nèi)陰極。圖3為本實(shí)用新型所采用的陽(yáng)極層離子源工作原理示意圖。圖中獨(dú)為膜 層、(B)表示的磁感應(yīng)線、(E)表示基片偏壓產(chǎn)生的電場(chǎng)。圖4為用本裝置制備的氮化鎵薄膜的X-射線衍射圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:本實(shí)用新型一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，結(jié)構(gòu)如圖l 所示。包含有真空室(13)及真空室內(nèi)安裝的中頻磁控濺射裝置和陽(yáng)極層離子源 (8)，設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸(6)、基片架(1D和兩個(gè)靶池(5);基片架可隨旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，基片OO)水平放置在基片架上，在靶池上方且與靶池面平行，基片架上設(shè)有加熱控制系統(tǒng)(1)和負(fù)偏壓(2);靶池接有中頻開關(guān)電源，耙池內(nèi)有液態(tài)鎵(3)，耙池背 面是冷卻室，冷卻室設(shè)有冷卻水，由進(jìn)口和出口(7)分開進(jìn)出。真空室包含有 抽真空口(4)、進(jìn)氣管(9)和觀察窗肪。陽(yáng)極層離子源(8)在真空室內(nèi)水平安裝且 與磁控濺射耙平行。陽(yáng)極層離子源的結(jié)構(gòu)如圖2，離子源設(shè)有外陰極(82)， 內(nèi)陰極(88)和陽(yáng)極(85)，通過(guò)導(dǎo)磁板(81)安裝有陽(yáng)極調(diào)整螺桿(87)，陽(yáng)極和 陽(yáng)極絕緣子(86)安裝在調(diào)整螺桿上，陽(yáng)極位于外極靴(83)與內(nèi)極靴(84)之間， 內(nèi)陰極位于內(nèi)外極靴與導(dǎo)磁板之間，外陰極套在內(nèi)陰極外。用磁鋼套環(huán)作外 陰極(S2)，用釤鈷磁鐵作內(nèi)陰極(88)。實(shí)施例2:本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下在基片架(ll)上安裝清潔處理的 基片卿，適當(dāng)選擇基片到靶池的距離。當(dāng)真空室(13)的真空度達(dá)到10—4Pa時(shí)，啟動(dòng)加熱控制系統(tǒng)(l)的加熱裝置，除去真空壁、基片上所吸附的氣體分子，真空度達(dá)到5X10—3pa左右時(shí)，從進(jìn)氣管(9)充入離子源和磁控濺射系統(tǒng)的工作 氣體氮?dú)夂蜌鍤?，調(diào)節(jié)進(jìn)氣管的流量，待氣壓穩(wěn)定在0.4—0.8Pa時(shí)，啟動(dòng)陽(yáng) 極層離子源(8),調(diào)節(jié)基片的負(fù)偏壓(2)和溫度，用離子源產(chǎn)生的離子束對(duì)基片 表面進(jìn)行轟擊，清洗表面30分鐘。然后開啟中頻磁控濺射裝置，對(duì)鎵靶進(jìn)行 濺射，在基片上沉積氮化鎵薄膜。調(diào)節(jié)離子源陽(yáng)極電壓，用其產(chǎn)生的氬離子 轟擊薄膜，以增強(qiáng)薄膜附著力。沉積過(guò)程結(jié)束后，通氮?dú)饣蜃匀焕鋮s，待溫 度降至50'C以下，取出樣品。實(shí)施例3:使用本裝置用于快速制備氮化鎵薄膜，以氬、氮混合氣體為 工作物質(zhì)，在氣壓為0.4—0.8Pa，溫度在100—400攝氏度范圍，進(jìn)行了氮 化鎵鍍膜的制備，氮化鎵沉積速率為l一5微米/小時(shí)。圖4是氮化鎵薄膜的 X-射線衍射圖，表明合成的薄膜是六方結(jié)構(gòu)的氮化鎵。本裝置能在較低溫度下完成氮化鎵薄膜制備，沉積速率高，附著力強(qiáng)， 最適合用于平板薄膜、晶體管顯示器以及太陽(yáng)電池等器件的氮化鎵薄膜制備。
權(quán)利要求1、一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，包含有真空室(13)，中頻磁控濺射裝置，其特征在于真空室內(nèi)安裝的中頻磁控濺射裝置和陽(yáng)極層離子源(8)，設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸(6)、基片架(11)，兩個(gè)靶池(5)，基片架可隨旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，基片(10)水平放置在基片架上，在靶池上方且與靶池面平行，基片架上設(shè)有加熱控制系統(tǒng)(1)和負(fù)偏壓(2)；靶池接有中頻開關(guān)電源，靶池內(nèi)有液態(tài)鎵(3)，靶池背面是冷卻室，冷卻室設(shè)有冷卻水進(jìn)口和出口(7)；陽(yáng)極層離子源水平安裝且與磁控濺射靶平行，配備有可調(diào)電源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，其特征 在于陽(yáng)極層離子源安裝有外陰極(82)，內(nèi)陰極(88)和陽(yáng)極(85)，通過(guò)導(dǎo)磁 板(81)安裝有陽(yáng)極調(diào)整螺桿(87)，陽(yáng)極和陽(yáng)極絕緣子(86)安裝在調(diào)整螺桿上， 陽(yáng)極位于外極靴(83)與內(nèi)極靴(84)之間，內(nèi)陰極位于內(nèi)外極靴與導(dǎo)磁板之間， 外陰極套在內(nèi)陰極外。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，其特征 在于陽(yáng)極層離子源(8)安裝在真空室內(nèi)，水平安裝且與磁控濺射靶平行。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，其特征 在于陽(yáng)極層離子源配備的可調(diào)電源的電壓為0 — 1500V。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于快速制備氮化鎵薄膜的裝置，真空室內(nèi)安裝有中頻磁控濺射裝置和陽(yáng)極層離子源，設(shè)有旋轉(zhuǎn)基片架，基片架接有負(fù)偏壓和加熱控制系統(tǒng)。磁控濺射靶池接中頻開關(guān)電源，靶池內(nèi)裝有液態(tài)鎵，受靶池背面水冷卻而變成固體。陽(yáng)極層離子源水平安裝且與磁控濺射靶平行，配備有可調(diào)電源，陽(yáng)極層離子源通過(guò)導(dǎo)磁板安裝有內(nèi)陰極、外陰極、陽(yáng)極、外極靴與內(nèi)極靴。中頻磁控濺射裝置和陽(yáng)極層離子源的結(jié)合，使鍍膜區(qū)的等離子體密度大幅度提高，快速沉積氮化鎵，同時(shí)增強(qiáng)氮化鎵與基片材料的附著力，最終快速完成氮化鎵薄膜制備。本裝置最適合用于需在較低溫度下完成的平板薄膜、晶體管顯示器以及太陽(yáng)電池等器件的氮化鎵薄膜制備。
文檔編號(hào)C01G15/00GK201169619SQ20082006554
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者付德君, 俊 何, 余益飛 申請(qǐng)人:武漢新鉻涂層設(shè)備有限公司