专利名称：一种制备铝/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及双层复合薄膜的制备方法，尤其涉及制备铝/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的方法。
背景技术：
多晶碳化硅薄膜材料同时具有单晶碳化硅材料的高迁移率及非晶碳化硅材料可大面积、低成本的优点。因此，对于多晶碳化硅薄膜材料的研究越来越引起人们的关注。多晶碳化硅薄膜材料具有高的迁移率，最大可接近单晶碳化硅材料的迁移率，因此在一些半导体器件方面得到广泛的应用。如场效应管的栅极、二极管的发射极、电荷耦合器件的电极等。固相晶化法制备多晶碳化硅具有工艺简单，易操作的优点，但由于退火温度通常在1000℃以上，因此对于基板的选择受到了一定的限制，同时也存在退火时间长的缺点；激光晶化方法的缺点是设备复杂，且成本较高，在商业应用方面受到一定的限制。
近年来，金属诱导非晶半导体晶化的方法越来越受到人们的关注，该方法即通过对制备Al、Au、Ag、Ni、Sb等金属与非晶态半导体的复合薄膜并使其在低温下退火处理，在金属的诱导作用下使非晶态半导体在较低温度下晶化。Nathan和Aheam采用电子束蒸发法在Formvar包裹的钼电镜栅格上制备了a-SiC:H/Al/a-SiC:H三层复合薄膜，并对其进行了热处理，在低于600℃的退火温度下出现Si的不规则碎片形晶相。由于电子束能量高，采用电子束蒸发法沉积的薄膜质量较好，但制备硅碳膜层需选用SiC晶体作为原材料，价格昂贵，且成分不易控制。Bian Bo等人在NaCl基板上沉积了Al/a-SiC:H双层复合薄膜，Al膜是采用真空热蒸发法沉积的，之后在不破坏真空的条件下采用传统的电容耦合等离子体增强化学气相沉积法(CCP-CVD)在Al膜上沉积了一层a-SiC:H膜，在350℃的退火温度下出现Si的结晶及少量晶态SiC相。采用传统的CCP-CVD方法沉积硅碳薄膜，可选用常见的硅烷和甲烷作为气源，但薄膜结构有序性和薄膜质量都有待进一步提高。
如何寻求一种既能降低成本，又能沉积更高质量薄膜的方法呢。由于电感耦合等离子体化学气相沉积法产生的等离子体(ICP)密度高，能量高，具备了对气体源的高解离率以及与一般等离子体化学气相沉积法(CCP-CVD)相比具有较低沉积压力的特点，因此沉积的薄膜质量较好，有序程度较高。利用这种等离子沉积方法制备Al/a-SiC:H双层复合薄膜，在Al诱导下非晶硅碳薄膜析晶性能会有很好的改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单反应室双沉积法沉积制备铝/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的方法。
本发明的制备Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的方法，步骤如下将基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，将Al粉置于钼舟中放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至3×10-2～2×10-3Pa，加热基板，使基板温度为150～300℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至体积浓度为5～20％的SiH4和体积浓度为10～40％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比范围为0～1，二种气源在缓冲室充分混合后以流量15～50sccm引入真空反应室中，在2～10Pa压力，射频功率50W～300W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下于400～600℃温度退火至少10分钟。
本发明中，所说的基板可以选用普通玻片、石英玻璃或Si片。
沉积在基板上的Al膜的厚度由Al粉的量来控制，氢化非晶硅碳合金薄膜的厚度，由生长的时间来决定。
本发明的有益效果在于本发明采用单反应室双沉积法制备Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜，工艺简单，选用硅烷和甲烷作为反应气源，而无需采用昂贵的SiC晶体作为原料，且成分可以通过设定气体比例来控制；选用普通玻片、石英玻璃或Si片作为基板，可满足各种需求；采用射频电感耦合等离子体增强化学气相沉积法制备的氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜结构有序程度较高，薄膜质量较好，在Al的诱导下有利于非晶硅碳薄膜结晶性能提高。
图1是本发明的单反应室双沉积法装置示意图；图2是实施例1的Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的高分辨电镜照片；图3是实施例2的Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜退火后的透射电镜照片、对应的电子衍射图及相应的能谱图；图4是实施例3的Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜退火后的拉曼谱图；图5是实施例5的Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜退火后的XRD图；
图6是实施例6的Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜退火前的电镜照片；图7是实施例7的Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜退火后的电镜照片。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，实施例中所说的浓度均为体积浓度。
本发明方法采用的热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室如图1所示，图中1为反应室，2为蒸发钼舟，3为蒸发电极，4为基板，5为加热装置，6为气源入口，7为射频发生器，8为感应线圈，9为抽气口。
实施例1将玻璃基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，100mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至2×10-2Pa，加热基板，使基板温度为250℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为10％的SiH4和浓度为40％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为0.5，二种气源在缓冲室充分混合后以流量20sccm引入真空反应室中，在2.5Pa压力，射频功率200W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积100分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行退火，退火温度600℃，退火时间2小时。制得的样品的高分辨电镜照片见图2，可以观察到清晰的晶格条纹，表明薄膜中形成了晶相。
实施例2将玻璃基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，200mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至3×10-2Pa，加热基板，使基板温度为150℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为20％的SiH4和浓度为20％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为0.13，二种气源在缓冲室充分混合后以流量40sccm引入真空反应室中，在7Pa压力，射频功率100W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积120分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行退火，退火温度550℃，退火时间0.5小时。该样品的透射电镜照片、对应的电子衍射图及相应的能谱见图3。由电子衍射斑点可知在Al的诱导下薄膜相成晶相。
实施例3将石英基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，50mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至9×10-3Pa，加热基板，使基板温度为200℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为15％的SiH4和浓度为40％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为0.4，二种气源在缓冲室充分混合后以流量25sccm引入真空反应室中，在3Pa压力，射频功率200W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积180分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行退火，退火温度600℃，退火时间6小时。制得的样品的Raman谱图见图4，可以观察到位于521cm-1尖锐的峰，表明薄膜中形成了Si晶相，800～1000cm-1对应于SiC的峰。
实施例4将Si基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，500mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至7×10-3Pa，加热基板，使基板温度为250℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为5％的SiH4和浓度为10％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为0，二种气源在缓冲室充分混合后以流量15sccm引入真空反应室中，在2Pa压力，射频功率50W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积90分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行退火，退火温度400℃，退火时间10分钟。在Al的诱导下薄膜出现晶相。
实施例5将玻璃基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，250mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至5×10-3Pa，加热基板，使基板温度为300℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为10％的SiH4和浓度为10％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为0.5，二种气源在缓冲室充分混合后以流量20sccm引入真空反应室中，在2.5Pa压力，射频功率250W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积100分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行退火，退火温度600℃，退火时间2小时。制得的样品的XRD谱图见图5，可以在28.4°观察到一个尖锐的峰，对应Si(100)晶面，表明薄膜中形成了Si晶相。
实施例6将玻璃基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，100mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至2×10-3Pa，加热基板，使基板温度为250℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为10％的SiH4和浓度为40％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为0.75，二种气源在缓冲室充分混合后以流量35sccm引入真空反应室中，在5Pa压力，射频功率200W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积120分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行退火，退火温度550℃，退火时间5小时。在Al的诱导下薄膜出现晶相。制得的样品退火前的断面扫描电镜照片见图6，可以观察到明显的双层结构。
实施例7将玻璃基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，150mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至6×10-3Pa，加热基板，使基板温度为200℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为5％的SiH4和浓度为30％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为0.55，二种气源在缓冲室充分混合后以流量30sccm引入真空反应室中，在4Pa压力，射频功率250W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积100分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行退火，退火温度600℃，退火时间4小时。在Al的诱导下薄膜出现晶相。制得的样品的断面扫描电镜照片见图7，退火后Al发生扩散，双层结构变得不明显。
实施例8将玻璃基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，400mg的Al粉置于钼舟中夹放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至5×10-3Pa，加热基板，使基板温度为300℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至浓度为10％的SiH4和浓度为10％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比为1，二种气源在缓冲室充分混合后以流量50sccm引入真空反应室中，在10Pa压力，射频功率300W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，沉积60分钟，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下进行热处理，退火温度600℃，退火时间3小时。在Al的诱导下薄膜出现晶相。
权利要求
1.一种制备铝/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的方法，步骤如下将基板清洗后放入热蒸发/电感耦合等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，将Al粉置于钼舟中放在反应室的蒸发电极上，反应室真空度抽至3×10-2～2×10-3Pa，加热基板，使基板温度为150～300℃，先真空热蒸发Al，在基板上沉积一层Al膜，然后以用H2稀释至体积浓度为5～20％的SiH4和体积浓度为10～40％的CH4气体为反应气源，该二种气源分别由流量计控制输入装置的缓冲室，CH4/(CH4+SiH4)摩尔比范围为0～1，二种气源在缓冲室充分混合后以流量15～50sccm引入真空反应室中，在2～10Pa压力，射频功率50W～300W下，产生辉光进行反应，在Al膜上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜，复合薄膜沉积结束后，在N2氛围保护下于400～600℃温度退火至少10分钟。
2.根据权利要求1所述的制备铝/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的方法，其特征在于所说的基板为普通玻片、石英玻璃或Si片。
全文摘要
本发明公开的Al/氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜的制备方法，先采用真空热蒸发法在基板上沉积Al膜，然后在同一反应室中采用电感耦合等离子体增强化学气相沉积法在Al膜上再沉积氢化非晶硅碳合金薄膜。经过热处理，Al膜诱导非晶硅碳合金薄膜晶化。本发明制备方法简单，选用硅烷和甲烷作为反应气源，而无需采用昂贵的SiC晶体作为原料，且成分可以通过设定气体比例来控制；选用普通玻片、石英玻璃或Si片作为基板，可满足各种需求；采用射频电感耦合等离子体增强化学气相沉积法制备的氢化非晶硅碳合金双层复合薄膜结构有序程度较高，薄膜质量较好，在Al的诱导下有利于非晶硅碳薄膜结晶性能提高。
文档编号C23C16/30GK1958842SQ20061015442
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者杜丕一, 张翼英, 翁文剑, 韩高荣, 赵高凌, 汪建勋, 宋晨路, 沈鸽, 徐刚, 张溪文 申请人:浙江大学