CN101586227A

CN101586227A - 采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法

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Publication number: CN101586227A
Application number: CNA2009101155367A
Authority: CN
Inventors: 王光绪; 江风益; 熊传兵; 汪延明; 陶喜霞
Original assignee: Lattice Power Jiangxi Corp
Current assignee: Lattice Power Jiangxi Corp
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2009-11-25

Abstract

本发明提供一种采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，涉及一种半导体电子器件的生产方法。该方法采用离子镀技术在生长衬底表面形成更强附着力、更高纯度的氮化铝薄膜层，且制备过程的工艺温度更低，镀膜效率更高。本发明方法包括如下步骤：步骤A：选择具有择优取向的材料作为生长衬底，对生长衬底进行表面化学清洗，然后烘干；步骤B：将烘干后的衬底装入离子镀膜机中，抽真空；步骤C：然后通入氮气以及氩气，设置反应所需的弧电流、外加电压和占空比，使包括含铝靶源在内的反应物在离子镀膜机的反应室内、在一定的气压下进行沉积反应；步骤D：生成氮化铝的反应完成后原位保温或者退火，一段时间后取出。

Description

采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体电子器件的生产方法，特别是涉及一种采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法。

背景技术

氮化铝材料是近年来深受人们重视的宽禁带半导体材料，由于具有高击穿场强、高热导率、高电阻率和高化学和热稳定性等特点，可广泛应用于电子器件和集成电路等领域。

由于氮化铝晶格常数与氮化镓材料相匹配，所以氮化铝材料广泛应用于生长氮化镓材料的缓冲层。众所周之，氮化镓材料已广泛应用在半导体发光器件、半导体激光器以及微波器件等领域。然而氮化镓没有成熟的体材料制备工艺，缺少理想的生长衬底材料，当今都是采用晶格失配较大的蓝宝石材料作为衬底。氮化铝和氮化镓之间具有匹配的晶格常数，氮化铝作为生长氮化镓的衬底，可以生长出高晶体质量的氮化镓薄膜，是一种较理想的氮化镓生长衬底材料。但是，氮化铝同样具有膜材料难制备、缺乏成熟的体材料制备工艺等难点。

当前氮化铝材料的制备方法主要有氢化物气相沉积(HVPE)、激光脉冲沉积(PLD)、磁控溅射等。其中HVPE法制成的是单晶AlN材料，其成本高，且不易控制，获得的材料尺寸小。利用激光脉冲沉积和磁控溅射等方法制备的氮化铝镀层附着力较弱，且纯度不理想，镀膜效率低。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，该方法采用离子镀技术在衬底表面形成更强附着力、更高纯度的氮化铝镀膜层，镀膜效率更高，且不受尺寸限制。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，包括如下步骤：

步骤A：选择具有择优取向的材料作为生长衬底，对生长衬底进行表面化学清洗，然后烘干；

步骤B：将烘干后的衬底装入离子镀膜机中，抽真空；

步骤C：然后通入氮气以及氩气，设置反应所需的弧电流、外加电压和占空比，使包括含铝靶源在内的反应物在离子镀膜机的反应室内、在一定的气压下进行沉积反应；

步骤D：生成氮化铝的反应完成后原位保温或者退火，一段时间后取出。

优选地：在所述步骤B中，包括将烘干后的衬底装入离子镀膜机中进行预热。

优选地：所述择优取向的材料为具有择优取向的蓝宝石衬底或者为具有择优取向的硅衬底。

优选地，所述对生长衬底进行表面化学清洗为：采用酒精或者丙酮去除生长衬底表面的油污，采用稀硫酸去除生长衬底表面的金属阳离子，然后用去离子水冲洗干净。

优选地：所述含铝靶源为高纯铝材、氮化铝晶体或者氮化铝粉末压制的氮化铝块材。

优选地：所述步骤C中，还设置反应所需的电压，电压包括直流偏压或脉冲偏压这两种电压中的至少一种，其中，直流偏压在0V～100V之间，脉冲偏压在0V～500V之间。

优选地：所述步骤B中，真空度在10^-6Pa～10^-3Pa。

优选地：所述步骤B中预热温度80摄氏度～200摄氏度。

优选地：在所述步骤C中，反应室内气压控制在0.1Pa～1.0Pa。

优选地：在所述步骤C中，所述弧电流在40A～90A之间。

优选地：在所述步骤C中，所述占空比为15％～45％。

优选地：在所述步骤D中，温度控制在200摄氏度～1300摄氏度。

本发明的有益效果如下：

本发明使用的离子镀膜技术是一种物理气相沉积(PVD)技术，是在一种低气压放电条件下，在磁场中的等离子气氛中形成电弧，电弧将靶源材料部分电离，形成离子、原子、分子和其它中性粒子团，再经过扩散和电场下的离子轰击作用，沉积在衬底(基体)表面，或者与衬底附近被活化、分解、电离的反应气体作用，在衬底上沉积一层化合物薄膜的技术。离子镀膜具有镀层附着力强，镀层纯度高，镀膜速率快，工艺温度低等优点，而且可以大规模工业化生产，成本较低，是一种便于推广的成膜技术。相比现有技术，本发明具有在生长衬底上更高效地生长氮化铝的特点，且生长衬底上的氮化铝附着力强，不容易脱落，且镀层纯度高，整个制备过程工艺温度也更低，非常适合大规模工业化生产，成本很低，而且镀膜的尺寸不局限小寸尺，可以更大，如6英寸、8英寸，这样可以与硅集成电路相匹配。

说明书附图

图1是氮化铝镀层结构。

图2利用本发明方法得到的一种氮化铝晶体薄膜XRD曲线图。

图3是利用本发明方法得到的另一种氮化铝晶体薄膜XRD曲线图。

图4是利用EDS测试得到的氮化铝薄膜的表面的成分元素百分比表格。

图5是EDS-元素面扫描得到的氮化铝薄膜的表面氮元素成份的分布图。

图6是EDS-元素面扫描得到的氮化铝薄膜的表面铝元素成份的分布图。

具体实施方式

本发明提供了一种成本较低、便于推广的氮化铝材料的制备方法，采用了离子镀膜机，选择铝或者氮化铝块材为靶材，在氮气或者氩气或两者混合气的氛围中，参看图1所示，在具有择优取向的衬底1上沉积一层具有择优取向的氮化铝材料2。本发明可以获得氮化铝粉末、薄膜及可自由支撑的厚膜材料。

本发明的两种方案如下：

第一种方案为：选用纯度大于99.95％的铝材为靶源，反应室中通入纯度高于99.99％的氮气作为反应气体，同时可以通入高纯氩气作为辅助气体。离子镀膜机靶源附近的电弧将部分铝材电离为铝离子、铝原子及其粒子团，氮气在电场及等离子体氛围中活化或电离为氮离子，在衬底附近，铝离子和氮离子结合为氮化铝，沉积在衬底表面，形成一层致密的氮化铝材料。

第二种方案为：选用氮化铝晶体或者氮化铝粉末压制的氮化铝块材为靶源，反应室中通入高纯氩气作为轰击气体，同时可以通入氮气作为辅助气体，靶源在电弧及电场作用下，分解为氮化铝分子、铝离子、氮离子等粒子，氮气作为辅助气体，等离子体氛围中活化电离为氮离子，在衬底附近可以中和靶源电离出的过多的铝离子，同氮化铝分子一同沉积在衬底表面，形成一层致密的氮化铝材料。

具体地说，本发明通过以下步骤实现的：

1、选择具有(0001)面择优取向的蓝宝石衬底或者具有(111)面择优取向的硅衬底，在装入离子镀膜机反应室之前对需要清洗的衬底进行必要的化学清洗。例如，采用酒精或者丙酮去除表面油污，采用稀硫酸去除表面的金属离子等，最后用去离子水冲洗干净后烘干。

2、将衬底装入离子镀膜机反应室中，对反应室进行抽真空，本底真空达到10^-3Pa以上，对反应室进行预加热，温度控制在100摄氏度以下。

3、选择铝或者氮化铝块材为靶源。如果选择铝为靶源，选择纯度大于99.95％的铝为靶源，在反应室中通入氮气或者氩气或者两者的混合气体，在反应室中通入纯度大于99.99％的氮气作为反应气体，同时也可以通入氩气作为辅助气体，调整氮气和氩气的比例(0＜N₂∶Ar≤1)，根据反应室的空间大小调整气体的流量，气压在0.1Pa～1.0Pa之间；如果选择氮化铝块材与靶源，可以利用氮化铝晶体材料，也可以利用氮化铝粉末压制烧结得到的块材，反应室中通入氩气或者通入少量氮气作为辅助气体。

调整气压、弧电流、占空比、外加电压等参数，气压调整在0.1Pa～1.0Pa之间，弧电流在40A～90A之间，占空比为15％～45％之间，外加电压为：直流偏压0V～100V之间，脉冲偏压0V～500V之间；镀膜沉积氮化铝材料。

4、原位保温或者退火，选择真空退火或者保护气体气氛退火，退火或者保温温度范围：200℃-1000℃，完成氮化铝材料的制备工艺。

根据以上方法，并对参数进行适当调整，可以得到不同择优取向，不同沉积速率，不同晶体质量的氮化铝材料，可以得到粉末材料，可以得到与衬底相同择优取向的膜材料，可以得到与衬底材料不同择优取向的膜材料，可以得到具有一定厚度的可自由支撑的无裂纹的厚膜材料。

以具体的实施例为例说明如下：

实施例一：

在蓝宝石(0001)面衬底上生长氮化铝晶体薄膜。采用两个铝靶，通氮气烘烤，烘烤温度在130摄氏度，背底真空抽到10^-3Pa以上，氩气流量为15ml/s，氮气流量155ml/s，生长过程之前关闭烘烤，生长气压为0.95Pa，弧电流60安培，直流偏压在63V～72V之间，关闭脉冲偏压，生长270分钟。得到的氮化铝晶体薄膜XRD(X射线衍射)曲线如图1所示。图1显示AlN(002)是同蓝宝石(001)一致的晶面，在AlN(002)面上可以生长高质量的GaN(0001)晶体材料，AlN(002)的峰的相对强度越高表示该材料择优取向性越好，说明得到的晶体质量越高。

实施例二：

在Si(111)面衬底上生长氮化铝晶体薄膜。其条件同蓝宝石衬底上氮化铝晶体薄膜制备条件相同；得到的薄膜XRD曲线如图2所示。由于生长衬底为硅衬底，图2中，Si(111)的信号峰很强，对AlN(002)造成干扰，但是除去Si(111)的信号峰，可以看出，图2显示AlN(002)是同Si(111)一致的晶面，在AlN(002)面上可以生长高质量的GaN(0001)晶体材料。

实施例三：

在Si(111)面衬底上沉积氮化铝粉末。采用两个铝靶，通氮气烘烤，烘烤温度在130度，背底真空抽到10^-3Pa以上，氩气流量为15ml/s，氮气流量100ml/s，生长过程之前关闭烘烤，生长气压为0.65Pa，弧电流80安培，脉冲偏压在222V，占空比35％，关闭直流，生长190分钟。

实施例四：

在Si(111)面衬底上生长氮化铝厚膜材料，以获得厚膜材料。采用铝靶，通氮气烘烤，烘烤温度在100摄氏度～200摄氏度，背底真空抽到10^-3Pa以上，氩气流量为15ml/s～150ml/s，氮气流量150ml/s左右，生长过程之前关闭烘烤，生长气压为0.5Pa～1Pa，弧电流40A～60A，脉冲偏压在50V～200V，占空比15％～25％，直流偏压70V，生长时间及成膜厚度随靶的数量及弧电流的变化而变化，可根据所需要的厚度而调节不同的工艺参数。

获得厚膜材料的另一种方法是：先在生长衬底上形成择优取向的AlN薄膜，再将AlN粉末压制在薄膜上面即可做成一种AlN厚膜。做成厚膜后再去掉生长衬底，AlN厚膜即成为衬底，然后在择优取向光亮如镜的AlN薄膜的面上生长GaN单晶薄膜。

将得到的AlN膜层表面进行EDS-元素面扫描，得到如图5所示的氮化铝薄膜的表面氮元素成份的分布图和如图6所示的氮化铝薄膜的表面铝元素成份的分布图，图中的“点”代表元素。其中氮元素和铝元素的重量和原子数量比值如图4所示。

Claims

1、一种采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，包括如下步骤：

步骤B：将烘干后的衬底装入离子镀膜机中，抽真空；

2、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：所述步骤B中，包括将烘干后的衬底装入离子镀膜机中进行预热。

3、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：所述择优取向的材料为具有择优取向的蓝宝石衬底或者为具有择优取向的硅衬底。

4、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于，所述对生长衬底进行表面化学清洗为：采用酒精或者丙酮去除生长衬底表面的油污，采用稀硫酸去除生长衬底表面的金属阳离子，然后用去离子水冲洗干净。

5、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：所述含铝靶源为高纯铝材、氮化铝晶体或者氮化铝粉末压制的氮化铝块材。

6、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：所述步骤C中，还设置反应所需的电压，电压包括直流偏压或脉冲偏压这两种电压中的至少一种，其中，直流偏压在0V～100V之间，脉冲偏压在0V～500V之间。

7、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：在所述步骤B中，真空度在10^-6Pa～10^-3Pa。

8、根据权利要求2所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：所述步骤B中的预热温度为80摄氏度～200摄氏度。

9、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：在所述步骤C中，反应室内气压控制在0.1Pa～1.0Pa。

10、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：在所述步骤C中，所述弧电流在40A～90A之间。

11、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：在所述步骤C中，所述占空比为15％～45％。

12、根据权利要求1所述的采用离子镀在生长衬底上制备氮化铝材料的方法，其特征在于：所述步骤D中，温度控制在200摄氏度～1300摄氏度。