CN101514440A - 一种高电子迁移率氧化铟透明薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高电子迁移率氧化铟透明半导体薄膜的制备方法，采用双室高真空射频磁控溅射法，是以纯度99.99％的高纯氧化铟为靶材，玻璃等为衬底，以纯度99.99％以上的高纯氩气、氧气的一种或二种为溅射气体，在磁控溅射装置中进行溅射生长，得到具有不同电子浓度和高电子迁移率的n－型透明In₂O₃半导体薄膜材料。该方法具有沉积参数简单易控，制备工艺可靠，重复性好，制造成本低的优点。

Description

一种高电子迁移率氧化铟透明薄膜的制备方法

技术领域

本发明是关于高电子迁移率氧化铟(In₂O₃)透明半导体晶体薄膜的制备，具体是通过射频磁控溅射和气体反应相结合的方法来制备电子浓度可控的In₂O₃晶体薄膜，属于半导体材料技术领域。

背景技术

以硅为基础的薄膜晶体管制造已经是非常成熟的工艺，并且广泛用于平板显示器中。然而，这类器件存在一定的限制，诸如光敏性，低迁移率(小于1cm²/V·s)等。于是越来越多的人把注意力集中到氧化合物半导体中，诸如氧化锌，镓、铟氧化物等，即使在室温下生长这些薄膜都有较高的迁移率。较高的沟道迁移率会使得薄膜晶体管获得更快的运行速度，同时，这些透明导电氧化物也可以用于太阳能电池和平板显示器中。

掺杂的氧化铟是一种宽禁带的N型半导体，具有良好的导电率，在可见光区有很高的透明度，透光率超过80％。正是因为这些特性，氧化铟的应用引起了科学工作者的广泛关注。氧化铟的一个重要用途是和氧化锡形成对可见光透明、导电性良好、有低的膜电阻、能强烈反射红外线的铟锡氧化薄膜(ITO膜)。近年来，在平面显示器、太阳能电池、隔热玻璃以及激光Q开关的Pockel盒等方面都需要既透明又导电的玻璃，因而这种ITO膜得到广泛应用。此外氧化铟还有许多用途，如用于薄膜传感器和探测器、电容器中的绝缘层、表面声波装置中的压电介质等等。

由于氧化铟In₂O₃具有非常广泛的应用前景，In₂O₃作为一种直接宽带隙(带隙大小为～3.70eV)的透明半导体材料，广泛应用于光电子和微电子领域，如用作太阳能电池和平板显示材料等，In₂O₃薄膜的另一个重要的应用就是作为研制超灵敏度气体，特别是有毒气体探测器材料。因此开发氧化铟晶体薄膜非常重要的现实意义。现有的制备In₂O₃薄膜技术，包括基于气一液一固的催化反应生长法，管式加热炉热蒸发法，电子束蒸发和直流磁控溅射等制备In₂O₃材料，但现有In₂O₃晶体薄膜工艺存在沉积参数难控、容易形成大量氧缺陷，载流子浓度难于控制，而且均匀性、重复性也差等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种沉积参数容易控制，制备工艺可靠，均匀性、重复性好，制造成本低的生长氧化铟(In₂O₃)半导体薄膜的方法。

本发明利用二室高真空射频磁控溅射方法沉积In₂O₃，高纯的In₂O₃靶材，并通过控制溅射功率、衬底温度和氧分压获得不同厚度、不同电子浓度和高电子迁移率的In₂O₃透明薄膜。

本发明提供氧化铟透明半导体薄膜的制备方法，采用双室高真空射频磁控溅射法，在磁控溅射装置中进行溅射生长，磁控溅射装置的进样室用于基底材料上载和下载，衬底表面的清洁处理，生长室用于溅射沉积薄膜，以纯度99.99％的高纯氧化铟为靶材，玻璃、塑料为衬底，以纯度99.99％以上的高纯氩气、氧气的一种或二种为溅射气体，生长条件为射频功率40～250W，氩气和氧气的分压比10∶0～0∶10sccm，生长气压0.5～3.0Pa，生长温度：300K～500K，生长时间3分钟～3小时，获得的氧化铟透明半导体薄膜厚度范围5nm～1300nm。薄膜的电子浓度在10¹⁶～10¹⁹cm^-3范围内可控。制备步骤如下：

1、先将玻璃衬底表面清洗后放入磁控溅射装置的进样室中，当真空度抽到至少2×10^-3Pa，然后在进样室中对玻璃衬底进行除气，当气压优于5×10^-4Pa，除气后将玻璃衬底传入生长室中。

2、当生长室气压降至5×10^-4Pa以下时，开钢瓶气阀、气路截至阀，调节流量充入氩气和氧气，其中氩气和氧气的分压比，根据所需的载流子浓度进行调节，氩气和氧气的分压比在10∶0～0∶10sccm范围选择。

3、开靶材挡板，打开衬底挡板，调节射频功率、生长气压、生长温度、进行溅射生长，获得氧化铟半导体薄膜。

本发明的最佳生长条件是射频功率100W，生长温度350～400K；氩气流量5～7sccm；生长气压1～2Pa。获得的薄膜的电子迁移率最大。

本发明的优点：

1.可得到不同电学特性的In₂O₃半导体薄膜，生长的In₂O₃薄膜表面平整、晶粒致密、对衬底的附着力强。

2.衬底温度变化窗口大，生长温度可以从25℃～500℃均能实现高质量的In₂O₃薄膜，生长条件简单易控，制备工艺可靠，重复性好，制造成本低；

3.衬底是非晶玻璃等基底，可实现大面积薄膜沉积。

4.In₂O₃薄膜呈现多晶结构，对可见光透明性高，电子迁移率大于10cm²/V·s。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例1玻璃衬底上用纯氩气溅射沉积氧化铟透明半导体薄膜

第一步：玻璃衬底的清洗：

1.将玻璃衬底放入盛有去离子水的烧杯中，用超声波清洗2min，然后用去离子水反复冲洗6遍，重复这个步骤3次

2.加入适量的无水碳酸钠粉末，轻轻摇晃烧杯使其溶解，80℃水浴15min，然后用去离子水反复冲洗12遍

3.中和玻璃衬底上残留的碳酸钠碱性；取另一个干净的烧杯，用去离子水配3～5％体积比的乙酸溶液；将衬底放入乙酸溶液浸泡30s后，立即放回盛有去离子水的烧杯中，然后用去离子水反复冲洗12遍

4.在垂直层流洁净台上，将清洗好的玻璃衬底置于干净的滤纸上，用高纯氮气吹干第二步：氧化铟(In₂O₃)薄膜生长：

1.打开进样室阀门，将清洗好的玻璃衬底放在样品托上，然后放入进样室中。

2.开机械泵，抽真空，打开复合真空计。

3.预热质量流量计，开气体钢瓶气阀、气路截止阀，清洗气体管路5min。然后依次关闭钢瓶气阀、气路截止阀、质量流量计。

4.当气压降至5Pa以下，开分子泵冷却水及分子泵(转速450HZ)。

5.当进样室气压降至1～2×10^-3Pa时，开始对衬底除气。温度设定为300℃，维持30min。然后停止加热，待温度降至150℃以下后，气压优于5×10^-4Pa，将衬底传入生长室，关好衬底挡板，设置衬底温度100℃。

6.开靶材冷却水，预热射频电源(5～10min)、质量流量计(15min)，打开生长室角阀(用来调控生长气压)。

7.当生长室气压降至5×10^-4Pa以下时，开钢瓶气阀、气路截至阀，调节流量充入氩气和氧气，。

8.开靶材挡板，调节射频功率至100W，同时调控反射功率至最小。

9.起辉后，调好各生长参数，调节氩气流量为7sccm，生长气压1.8Pa，预溅射10～15min(目的是为了除去氧化铟靶材表面可能附着的杂质)，待生长参数稳定后，打开衬底挡板(为了使生长均匀，采用电机控制衬底转动)，在室温下开始生长。

10.记下仪表参数，随时观察是否有异常情况发生，并调节射频功率和反射功率。

11根据薄膜厚度要求和沉积速率设定生长薄膜的时间为1个小时，生长完毕，依次关射频电源、转动电机、钢瓶气阀、气路直角截至阀、质量流量计，关靶材挡板。

12.将衬底传回进样室，关闭真空计，停分子泵。

13.待分子泵转速降至100HZ时，依次关闭分子泵电源，机械泵，分子泵冷却水和靶材冷却水。

本实施例所得In₂O₃薄膜样品的厚度是410nm，即沉积速率是6.8nm/min；In₂O₃薄膜材料呈现多晶晶体结构，用范德堡法测出来的体材料电阻率约为1.1Ω·cm，为n-型导电半导体，电子浓度为4.2×10¹⁷cm^-3，霍尔迁移率为13.4cm²/V·s。

实施例2：玻璃衬底上用纯氧气溅射沉积氧化铟透明半导体薄膜

参照实施例1的制备方法和步骤：以玻璃为衬底，生长条件是射频功率120W，设置生长温度500℃；氩气和氧气的分压比0∶10sccm；生长气压3.0Pa，生长时间1小时。所得In₂O₃薄膜样品的厚度是100nm，用范德堡法测出来的体材料电阻率约1.5Ω·cm，薄膜为n-型导电半导体，电子浓度为5.7×10¹⁷cm^-3，霍尔迁移率为7.5cm²/V·s。

实施例3：玻璃衬底上用混合气体(氩气+氧气)溅射沉积氧化铟透明半导体薄膜

参照实施例1的制备方法和步骤：以玻璃为衬底，生长条件是射频功率80W，氩气和氧气的分压比1∶1sccm，生长气压1.5Pa，生长温度：40℃，生长时间1小时，所得In₂O₃薄膜样品的厚度是170nm，用范德堡法测出来的体材料电阻率约2.4×10³Ω·cm，薄膜为n-型导电半导体，电子浓度为2.9×10¹⁵cm^-3，霍尔迁移率为1.9cm²/V·s。

实施例4玻璃衬底上用纯氩气溅射沉积氧化铟透明半导体薄膜，然后在真空中退火处理

参照实施例1的制备方法和步骤：以玻璃为衬底，生长条件是射频功率50W，设置生长温度40℃；氩气和氧气的分压比6∶0sccm；生长气压1.0Pa，生长时间1小时。所得In₂O₃薄膜样品的厚度是200nm，然后将样品在真空中300℃退火1小时，用范德堡法测出来的体材料电阻率约10Ω·cm，薄膜为n-型导电半导体，电子浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，霍尔迁移率为0.6cm²/V·s。

Claims (2)

1、一种高电子迁移率氧化铟透明半导体薄膜的制备方法，采用双室高真空射频磁控溅射法，在磁控溅射装置中进行溅射生长，磁控溅射装置的进样室用于基底材料上载和下载，衬底表面的清洁处理，生长室用于溅射沉积薄膜，其特征是：以纯度99.99％的高纯氧化铟为靶材，玻璃为衬底，以纯度99.99％以上的高纯氩气、氧气的一种或二种混合气体为溅射气体，采用不同的溅射气体成分、不同射频功率、不同衬底温度和不同的沉积时间，结合真空中退火处理，获得性能不同的氧化铟透明半导体薄膜；薄膜的厚度范围5nm～1300nm，薄膜的电子浓度在10¹⁶～10¹⁹cm^-3范围内可控，电子迁移率可大于10cm²/V·s；制备步骤如下：

A、先将衬底表面清洗后放入磁控溅射装置的进样室中，当真空度抽到至少2×10^-3Pa时，在进样室中对衬底进行除气，气压优于5×10^-4Pa除气后，将衬底传入生长室中；

B、当生长室气压降至5×10^-4Pa以下时，开钢瓶气阀、气路截至阀，调节流量充入氩气和氧气，其中氩气和氧气的分压比，根据所需的载流子浓度进行调节；

C、开靶材挡板，打开衬底挡板，调节射频功率、生长气压、生长温度、进行溅射生长，获得氧化铟半导体薄膜。

2、根据权利要求1所述的氧化铟晶体薄膜的制备方法，其特征是生长条件射频功率40～250W，氩气和氧气的分压比10∶0～0∶10sccm，生长气压0.5～3.0Pa，生长温度25℃～500℃，生长时间3分钟～3小时，真空中退火处理能够增大载流子浓度，降低电阻率，采用退火温度为100～450℃。