气体脉冲时序分别通入惰性气体、铋前驱体气体、氧前驱体气 体以及镓前驱体气体； 所述气体脉冲时序由惰性气体脉冲、三（2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酮酸）铋（III)或 其他铋前驱体气体脉冲、氧前驱体气体脉冲以及三甲基镓气体或其他镓前驱体气体脉冲组 成，分别以N、B、0、G来代表惰性气体脉冲、三（2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酮酸）铋（III) 或其他铋前驱体气体脉冲、氧前驱体气体脉冲以及三甲基镓气体或其他镓前驱体气体脉 冲，则所述气体脉冲时序的规律如下： 在任意一个三（2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酮酸）祕（III)气体脉冲或氧前驱体气体 脉冲或三甲基镓气体脉冲的之前或之后，都具有一个惰性气体脉冲；且在满足上述条件的 情况下， 在任意一个三（2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酮酸）铋（III)气体脉冲或三甲基镓气体 脉冲的次邻近处，都还具有一个氧前驱体气体脉冲；且在满足上述条件的情况下， 这些气体脉冲序列由设备控制器控制相应管路中的自动阀的开、关以实现，并由程序 执行特定序列的生长周期循环； 在一个生长周期中，各个气体脉冲的数量为4的倍数且不小于8 ; 各个气体脉冲通过管路依次通入真空反应腔中，托盘和衬底依次暴露在这些气体脉冲 形成的气体氛围中；且， 在一个生长周期中，铋前驱体气体脉冲和镓前驱体气体脉冲的数量之和等于氧前驱体 脉冲的数量，铋前驱体气体脉冲、镓前驱体气体脉冲和氧前驱体气体脉冲的数量之和等于 惰性气体脉冲的数量； F) 当薄膜生长循环次数达到设定的次数时，薄膜厚度达到所需值，得到一定厚度的 816&03薄膜材料，停止通入铋前驱体、镓前驱体、氧前驱体，继续通入惰性气体，停止对真空 腔加热； G) 真空反应腔进行自然冷却； H) 真空腔达到或接近室温时，关闭真空栗进气口阀门； I) 对真空反应腔进行充气使其气压达到一个大气压，真空反应腔内外气压达到平衡状 态； J) 取出已沉积得到扮6&03薄膜材料的衬底，关闭惰性气体管路手动阀K4 ; K) 将步骤J中得到的附着有扮6&03薄膜材料的衬底，放入快速退火炉中，进行快速热 退火处理，自然冷却后取出。2. -种如权利要求1所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法，其特征在于：铋前驱体也可 以采用三苯基铋、三甲基铋、三叔丁醇基铋、三甲代甲硅烷基铋。3. -种如权利要求1所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法，其特征在于：镓前驱体也可 以采用三乙基镓、三叔丁基镓。4. 一种如权利要求1-3任一项所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法，其特征在于：祕前 驱体气体脉冲的数量与镓前驱体气体脉冲的数量按照如下原则进行分配： 在一个生长周期中，衬底上沉积得到的铋、镓的化学计量比接近于1:1，允许有10%以 下的正误差，即铋、镓的化学计量比在1:1~1:1. 1的范围内，过量的铋将在步骤K)中挥发而 基本去除。5. -种如权利要求1所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法，其特征在于：在步骤K)中， 快速热退火的步骤为： (a) 在180-220°C下维持1-10分钟； (b) 在390-400°C下维持1-10分钟； (C)在700°C-750°C下高温退火1-10分钟。6. -种如权利要求1-3任一项所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法，其特征在于： 托盘由电机驱动，带动衬底匀速地转动。7. -种用于实现如权利要求1-4任一项所述的制备BiGaO3薄膜材料的方法的装置，其 特征在于： 装置包括但不限于：铋前驱体源1、铋前驱体管路手动阀K1、铋前驱体管路自动阀AK1、铋前驱体载气管路质量流量控制器MFC1、镓前驱体源2、镓前驱体管路手动阀K2、镓前驱体 管路自动阀AK2、镓前驱体载气管路质量流量控制器MFC2、氧前驱体源3、氧前驱体管路手 动阀K3、氧前驱体管路自动阀AK3、氧前驱体载气管路质量流量控制器MFC3、惰性气体源4、 惰性气体管路手动阀K4、真空反应腔、真空栗、真空栗进气口自动阀门AK4、设备控制器，真 空反应腔中设有电加热器和温度传感器； 铋前驱体源1、镓前驱体源2、氧前驱体源3的容器均设有电加热器和半导体制冷器；由 设备控制器控制铋前驱体源1、镓前驱体源2、氧前驱体源3的容器的电加热器和半导体制 冷器的工作状态，以使铋前驱体源1、镓前驱体源2、氧前驱体源3的温度可以恒定在设定的 温度值； 铋前驱体源1的出口通过气体管路依次连接到铋前驱体管路手动阀K1、铋前驱体管路 自动阀AK1、真空反应腔，镓前驱体源2的出口通过气体管路依次连接到镓前驱体管路手动 阀K2、镓前驱体管路自动阀AK2、真空反应腔，氧前驱体源3的出口通过气体管路依次连接 到氧前驱体管路手动阀K3、氧前驱体管路自动阀AK3、真空反应腔，惰性气体源4的出口通 过气体管路连接到惰性气体管路手动阀K4,再通过分支管路分别连接到铋前驱体载气管路 质量流量控制器MFC1、镓前驱体载气管路质量流量控制器MFC2、氧前驱体载气管路质量流 量控制器MFC3,铋前驱体载气管路质量流量控制器MFC1的出口通过三通连接件连接在铋 前驱体管路自动阀AK1与真空反应腔之间的气体管路上，镓前驱体载气管路质量流量控制 器MFC2的出口通过三通连接件连接在镓前驱体管路自动阀AK2与真空反应腔之间的气体 管路上，氧前驱体载气管路质量流量控制器MFC3的出口通过三通连接件连接在铋前驱体 管路自动阀AK3与真空反应腔之间的气体管路上，真空反应腔的出口通过管路依次连接到 真空栗进气口自动阀门AK4、真空栗的进气口； 铋前驱体源1、铋前驱体管路自动阀AK1、铋前驱体载气管路质量流量控制器MFC1、镓 前驱体源2、镓前驱体管路自动阀AK2、镓前驱体载气管路质量流量控制器MFC2、氧前驱体 源3、氧前驱体管路自动阀AK3、氧前驱体载气管路质量流量控制器MFC3、真空反应腔、真空 栗、真空栗进气口自动阀门AK4、真空反应腔中的电加热器、温度传感器、所述容器的电加热 器和半导体制冷器均通过电缆连接到设备控制器均通过电缆连接到设备控制器，由设备控 制器集中控制各自的工作状态； 温度传感器的采集数据通过电缆传输给设备控制器，以实现温度的PID控制（比例-积 分-微分控制)，可以使真空反应腔的温度迅速、准确地达到设定的温度值； 铋前驱体管路手动阀K1、镓前驱体管路手动阀K2、氧前驱体管路手动阀K3、惰性气体 管路手动阀K4均由操作人员手动打开，不受控制器所控制； 分别以N、B、0、G来代表惰性气体脉冲、三（2, 2, 6, 6-四甲基-3, 5-庚二酮酸）铋（III) 或其他铋前驱体气体脉冲、氧前驱体气体脉冲以及三甲基镓气体或其他镓前驱体气体脉 冲，则： 脉冲N由如下动作实现： 由设备控制器控制使铋前驱体管路自动阀AK1、镓前驱体管路自动阀AK2、氧前驱体 管路自动阀AK3均处于关闭状态，由设备控制器控制铋前驱体载气管路质量流量控制器 MFC1、镓前驱体载气管路质量流量控制器MFC2、氧前驱体载气管路质量流量控制器MFC3， 使得各气体管路中惰性气体按照步骤D)中的设定值通入真空反应腔； 脉冲B由如下动作实现： 由设备控制器控制使铋前驱体管路自动阀AK1处于打开状态，镓前驱体管路自动阀AK2、氧前驱体管路自动阀AK3均处于关闭状态，由设备控制器控制铋前驱体载气管路质量 流量控制器MFC1、镓前驱体载气管路质量流量控制器MFC2、氧前驱体载气管路质量流量控 制器MFC3,使得各气体管路中气体按照步骤D)中的设定值通入真空反应腔； 脉冲0由如下动作实现： 由设备控制器控制使氧前驱体管路自动阀AK3处于打开状态，铋前驱体管路自动阀AK1、镓前驱体管路自动阀AK2均处于关闭状态，由设备控制器控制铋前驱体载气管路质量 流量控制器MFC1、镓前驱体载气管路质量流量控制器MFC2、氧前驱体载气管路质量流量控 制器MFC3,使得各气体管路中气体按照步骤D)中的设定值通入真空反应腔； 脉冲G由如下动作实现： 由设备控制器控制使镓前驱体管路自动阀AK2处于打开状态，铋前驱体管路自动阀AK1、氧前驱体管路自动阀AK3均处于关闭状态，由设备控制器控制铋前驱体载气管路质量 流量控制器MFC1、镓前驱体载气管路质量流量控制器MFC2、氧前驱体载气管路质量流量控 制器MFC3,使得各气体管路中气体按照步骤D)中的设定值通入真空反应腔。8.-种如权利要求7所述的制备BiGaO3薄膜材料的装置，其特征在于： 设备控制器可以是定制的专用电路，可以是由PLC(可编程逻辑控制器）构成，可以由FPGA(现场可编程门阵列）构成，也可以由CPLD(复杂可编程逻辑器件）构成，还可以是单 片机构成，或是PC机构成。9. 一种如权利要求7或8所述的制备BiGaO3薄膜材料的装置，其特征在于： 连接到真空反应腔的所有气体管路均包覆有加热带，由设备控制器集中供电对管路进 行加热。
【专利摘要】前驱体时间分隔式制备镓酸铋薄膜的方法。一种前驱体时间分隔式的自限制性表面吸附反应制备BiGaO3薄膜材料的方法，BiGaO3薄膜材料生长在衬底材料上，BiGaO3薄膜材料的空间群为Pcca，晶格常数为a=5.626？，b=5.081？，c=10.339？，BiGaO3薄膜材料在所选择的衬底上生长得到的择优取向为（112），采用前驱体时间分隔式的自限制性表面吸附反应得到，所述表面吸附反应特指朗缪尔吸附机制的不可逆的化学吸附反应。通过采用本发明的制备BiGaO3薄膜材料的方法，可以实现BiGaO3薄膜生长厚度的精确可控，且BiGaO3薄膜表面平整度大大优于现有技术。
【IPC分类】C30B25/16, C30B29/22, C23C16/52, C23C16/40
【公开号】CN105386006
【申请号】CN201510766400
【发明人】尹海宏, 王志亮, 宋长青, 张金中, 史敏
【申请人】南通大学, 史敏
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月11日