CN114059022B - 一种设置空心阴极等离子体的pld系统及薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种设置空心阴极等离子体的PLD系统及薄膜的制备方法，该系统在现有的脉冲激光沉积系统(PLD)的真空腔体中设置等离子体放电系统，只需将现有的PLD系统中的气路不锈钢管中间部分更换为氧化铝绝缘陶瓷管，一端连接电源，另一端连接气路，即形成放电装置。该装置可以使氧等离子体负辉区重叠，电子与气体原子的碰撞次数增加，电离效果显著提高，有效提高脉冲激光沉积腔体中氧等离子体的浓度，降低ITO薄膜中氧空位的含量，改善非晶ITO薄膜晶体管阈值电压偏负的问题，一定程度上优化了器件的亚阈值摆幅和迁移率，有利于改善薄膜晶体管的性能。

Description

一种设置空心阴极等离子体的PLD系统及薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于薄膜晶体管技术领域，具体涉一种设置空心阴极等离子体的PLD系统及薄膜的制备方法。
背景技术
薄膜晶体管是显示技术领域的核心器件之一，金属氧化物半导体材料在下一代薄膜晶体管应用领域具有极大的应用潜力。ITO是其代表之一。非晶ITO薄膜通常存在较多的氧缺陷而表现良好的导电性，但导电性好会使得非晶ITO薄膜作为薄膜晶体管中的沟道层导致器件开启电压低且开关比不佳。因此减少氧缺陷含量是改善非晶ITO薄膜晶体管性能的重要途径。在脉冲激光沉积过程中，向腔体通入氧气可一定程度上降低氧缺陷浓度，但随着氧分压的升高，薄膜质量会下降。在磁控溅射中将氧气与氩气混合通入腔体内，利用辉光放电形成的氧等离子体可以保证薄膜质量的同时减少氧缺陷。然而，PLD中少有装置辉光放电系统，仅通过氧气气压的大小来调节薄膜中的氧缺陷，所制备ITO薄膜晶体管性能调控有限。因此，如何将氧等离子体引入PLD系统制备性能优异的ITO薄膜晶体管是该技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种设置空心阴极等离子体的PLD系统及薄膜的制备方法。以解决现有的PLD制备出的ITO薄膜性能难以满足要求的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种设置空心阴极等离子体的PLD系统，包括PLD腔体(160)，所述PLD腔体(160)中设置有相对的靶材(120)和沉积衬底(110)；
所述靶材(120)和沉积衬底(110)的下方设置有氧化铝陶瓷绝缘管(140)，所述氧化铝陶瓷绝缘管(140)的一端连接有第一不锈钢管(130)，另一端连接有第二不锈钢管(150)；所述第一不锈钢管(130)连接有电源，第二不锈管(150)连接有气路，所述气路连接有氧气。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述电源为直流电离电源。
优选的，所述直流电离电源的电压范围为0-3kV，电流范围为0-200mA。
优选的，所述氧化铝陶瓷绝缘管(140)的长度为20cm，直径为2m。
一种基于上述述的设置空心阴极等离子体的PLD系统的薄膜沉积方法，包括以下步骤：
步骤1，安装沉积衬底(110)；
步骤2，开启脉冲激光，在沉积衬底(110)上制备非晶ITO薄膜，沉积过程中，第一不锈钢管(130)和电源连接作为阳极，第二不锈钢管(150)和氧气连接连通，第二不锈钢管(150)接地作为阴极；氧气依次通过第二不锈钢管(150)、氧化铝陶瓷绝缘管(140)和第一不锈钢管(130)进入PLD腔体(160)中，氧气在氧化铝陶瓷绝缘管(140)中被电离为氧等离子体。
优选的，步骤2中，沉积过程中，脉冲激光功率为400mJ，激光频率为1Hz。
优选的，步骤2中，所述ITO薄膜的生长速率为0.8-1nm/pulse。
优选的，步骤2中，通入的氧气气压为3.5-4Pa，背底气压小于5×10-5Pa，
优选的，步骤2中，所述电源为直流电离电源，电源的电离电压小于1.2kV，电流小于50mA，电离功率小于60W。
优选的，步骤1中，所述衬底为Si衬底或SiO2衬底。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种设置空心阴极等离子体的PLD系统，该系统在现有的脉冲激光沉积系统(PLD)的真空腔体中设置等离子体放电系统，只需将现有的PLD系统中的气路不锈钢管中间部分更换为氧化铝绝缘陶瓷管，一端连接电源，另一端连接气路，即形成放电装置。该装置可以使氧等离子体负辉区重叠，电子与气体原子的碰撞次数增加，电离效果显著提高，有效提高脉冲激光沉积腔体中氧等离子体的浓度，降低ITO薄膜中氧空位的含量，改善非晶ITO薄膜晶体管阈值电压偏负的问题，一定程度上优化了器件的亚阈值摆幅和迁移率，有利于改善薄膜晶体管的性能。
本发明还公开了一种基于设置空心阴极等离子体的PLD系统的薄膜制备方法，该制备方法通过放电装置引入氧气，在PLD腔体中形成氧等离子体浓度较高的沉积环境，在Si/SiO2衬底上通过脉冲激光沉积制备ITO薄膜。通过空心阴极放电法可以使氧等离子体负辉区重叠，电子与气体原子的碰撞次数增加，电离效果显著提高，有效提高脉冲激光沉积腔体中氧等离子体的浓度，通过增加沉积环境中的氧等离子体浓度优化了ITO薄膜的氧空位浓度并提高晶体管性能，降低ITO薄膜中氧空位的含量，改善非晶ITO薄膜晶体管阈值电压偏负的问题，一定程度上优化了器件的亚阈值摆幅和迁移率，有利于改善薄膜晶体管的性能。该方法采用空心阴极等离子体放电方法，实现了高浓度氧等离子体沉积环境，且方法简单易行。
附图说明
图1为本发明实施例空心阴极等离子体放电装置在脉冲激光沉积腔体中的安装示意图。其中，110为沉积衬底，120为靶材，130为第一不锈钢管，140为氧化铝陶瓷绝缘管，150为第二不锈钢管；160为PLD腔体。
图2为本发明实施例在氧分压为3.5Pa时，采用不同功率的空心阴极等离子体放电环境制备的ITO薄膜晶体管的转移特性曲线。
图3为本发明实施例在氧分压为3.7Pa时，采用不同功率的空心阴极等离子体放电环境制备的ITO薄膜晶体管的转移特性曲线。
图4为本发明实施例在氧分压为4.0Pa时，采用不同功率的空心阴极等离子体放电环境制备的ITO薄膜晶体管的转移特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种设置空心阴极等离子体的PLD系统，参见图1，该系统在PLD腔体160内加入空心阴极等离子体放电装置，具体的，PLD腔体160内部设置有相对的靶材120和沉积衬底110，靶材120和沉积衬底110的下方设置有放电装置。
放电装置包括氧化铝陶瓷绝缘管140，氧化铝陶瓷绝缘管140的两端分别通过卡套连接有第一不锈钢管130和第二不锈钢管150，第一不锈钢管130为靠近PLD腔体160内部的不锈钢管，第一不锈钢管130的外端和电源连接，内端和氧化铝陶瓷绝缘管140连接；第二不锈钢管150的内端和氧化铝陶瓷绝缘管140连接，外端和气路连接；氧化铝陶瓷绝缘管140、第一不锈钢管130和第二不锈钢管140共同组成空心阴极等离子体放电装置。上述电源为直流电源，电压范围为0-3kV，电流范围为0-200mA。
更为具体的，第二不锈钢管150和不锈钢氧气气路连接并接地，作为阴极；第一不锈钢管130和直流电离电源连接作为阳极。氧气通过该放电装置带有一部分氧等离子体进入脉冲激光沉积腔体106中。
本发明还公开了一种设置空心阴极等离子体的PLD系统的非晶ITO薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤1，提供并安装沉积衬底110；
步骤2，开启脉冲激光沉积制备非晶ITO薄膜，沉积过程中，脉冲激光功率为400mJ，激光频率为1Hz，靶材和基体之间的距离为70mm。所述ITO薄膜厚度为20nm左右，所述ITO薄膜的生长速率为0.8-1nm/pulse，以单点方式沉积非晶ITO薄膜。
沉积过程中，开启空心阴极等离子体放电装置，背底气压小于5×10-5Pa，通入氧气为工作气体，气体压强为3.5-4Pa，电离电压且电流小于50mA，电离功率低于60W。
下面结合具体的实施例进行说明。
实施例1
本实施例提供了一种利用空心阴极放电等离子体辅助PLD制备ITO薄膜的方法，其包括以下步骤：
(1)提供沉积衬底(包括但不限于Si/SiO2)；
(2)在所述衬底上利用空心阴极放电等离子体辅助PLD制备ITO薄膜；
在步骤(2)中，所述ITO薄膜通过脉冲激光沉积制备，所述ITO薄膜厚度为20nm左右，所述ITO薄膜的生长速率为0.8-1nm/pulse。
在步骤(2)中，在所述衬底上利用空心阴极放电等离子体辅助PLD制备ITO薄膜，电离电压为1.5kV，电离电流为20mA，真空度低于"5×"〖"10"〗^"-5"Pa，通入O2为工作气体，气体压强为3.5Pa，激光功率为400mJ，衬底温度为室温。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于所述空心阴极放电等离子体的电离电压为2.0kV，电离电流为30mA。其他操作步骤和参数均与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于所述通入气体气压为3.7Pa。其他操作步骤和参数均与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于所述通入气体气压为3.7Pa。其他操作步骤和参数均与实施例2相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于所述通入气体气压为4.0Pa。其他操作步骤和参数均与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例2的区别在于所述通入气体气压为4.0Pa。其他操作步骤和参数均与实施例2相同。
对比例1
本对比例1与实施例1的区别仅在于未开启空心阴极等离子体放电，其他步骤和参数与实施例1均相同。
对比例2
本对比例2与实施例3的区别仅在于未开启空心阴极等离子体放电，其他步骤和参数与实施例3均相同。
对比例3
本对比例3与实施例5的区别仅在于未开启空心阴极等离子体放电，其他步骤和参数与实施例5均相同。
实施例1、实施例2和对比例1制备的ITO氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线如图2所示，实施例3、实施例4和对比例2制备的ITO氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线如图3所示，实施例5、实施例6和对比例3制备的ITO氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线如图4所示；将实施例1-6、对比例1-3制备的薄膜晶体管的电学性能参数测试结果在表1中列出。
表1
Figure BDA0003345966770000071
Figure BDA0003345966770000081
综上可知，利用PLD在相同氧气分压下制备非晶ITO薄膜时，加入空心阴极等离子体放电装置可以使器件的阈值电压向正方向移动，改善薄膜晶体管的迁移率和亚阈值摆幅，但电离功率过高不利于ITO薄膜的制备。综合上述数据分析，当氧气分压为3.7Pa，空心阴极等离子体放电功率为30W，在不出现阈值电压为负的情况下制备出迁移率较高、亚阈值摆幅较好的薄膜晶体管器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种设置空心阴极等离子体的PLD系统，其特征在于，包括PLD腔体（160），所述PLD腔体（160）中设置有相对的靶材（120）和沉积衬底（110）；
所述靶材（120）和沉积衬底（110）的下方设置有氧化铝陶瓷绝缘管（140），所述氧化铝陶瓷绝缘管（140）的一端连接有第一不锈钢管（130），另一端连接有第二不锈钢管（150）；所述第一不锈钢管（130）连接有电源，第二不锈管（150）连接有气路，所述气路连接有氧气；
第一不锈钢管（130）和电源连接作为阳极，第二不锈钢管（150）和氧气连接连通，第二不锈钢管（150）接地作为阴极。
2.根据权利要求1所述的一种设置空心阴极等离子体的PLD系统，其特征在于，所述电源为直流电离电源。
3.根据权利要求2所述的一种设置空心阴极等离子体的PLD系统，其特征在于，所述直流电离电源的电压范围为0-3kV，电流范围为0-200mA。
4.根据权利要求1所述的一种设置空心阴极等离子体的PLD系统，其特征在于，所述氧化铝陶瓷绝缘管（140）的长度为20 cm。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的设置空心阴极等离子体的PLD系统的薄膜沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，安装沉积衬底（110）；
步骤2，开启脉冲激光，在沉积衬底（110）上制备非晶ITO薄膜，沉积过程中，第一不锈钢管（130）和电源连接作为阳极，第二不锈钢管（150）和氧气连接连通，第二不锈钢管（150）接地作为阴极；氧气依次通过第二不锈钢管（150）、氧化铝陶瓷绝缘管（140）和第一不锈钢管（130）进入PLD腔体（160）中，氧气在氧化铝陶瓷绝缘管（140）中被电离为氧等离子体。
6.根据权利要求5所述的薄膜沉积方法，其特征在于，步骤2中，沉积过程中，脉冲激光功率为400 mJ，激光频率为1 Hz。
7.根据权利要求5所述的薄膜沉积方法，其特征在于，步骤2中，所述ITO薄膜的生长速率为0.8-1 nm/pulse。
8.根据权利要求5所述的薄膜沉积方法，其特征在于，步骤2中，通入的氧气气压为3.5-4 Pa，背底气压小于5×10-5Pa。
9.根据权利要求5所述的薄膜沉积方法，其特征在于，步骤2中，所述电源为直流电离电源，电源的电离电压小于1.2 kV，电流小于50mA，电离功率小于60W。
10.根据权利要求5-9任意一项所述的薄膜沉积方法，其特征在于，步骤1中，所述衬底为Si衬底或SiO2衬底。
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