一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法，该方法根据真空室内多个蒸发源同时蒸发时所形成的蒸气粒子的流场分布状况，将基片置于蒸发源上方，切基片平行于蒸发面。在基片所处的流场横断面上，多元蒸气粒子具有与待制备薄膜相同摩尔组分分布比例的分布带，使基片在所述流场横断面中沿所述蒸气粒子分布带运动，以沉积出具有所需摩尔组分分布比例的薄膜，基片的运动速度与所述分布带中粒子的分布密度相协调，所制备薄膜的面积与所述分布带的宽度相对应。本发明方法充分利用了蒸汽粒子在流场中的分布规律，克服了现有技术依靠经验制备多元薄膜所存在的问题，为多组分薄膜在产业上的推广应用创造了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜制备的技术领域，特别是涉及一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法。

背景技术

在电子工业、信息产业的印刷线路大规模制备和集成电路的微型化方面，薄膜材料独具优势。事实上，现代电子器件都是以薄膜为基础的，集成的电子器件更是如此。这两方面的因素促使薄膜技术飞速发展，现已成为一个国家现代工业水平的重要标志之一。今天，一种新材料的研究和开发，往往起始于这种新材料的薄膜合成与制备，薄膜技术已成为新材料研制不可或缺的重要手段之一。

为了避免空气和浮尘的干扰和污染，先进薄膜制备大都是在真空环境下进行的。物理气相沉积(PVD)是薄膜制备的基本方法之一，其主要步骤包括：在高能束作用下，块体材料表面蒸发或溅射为粒子；蒸气粒子在真空环境下快速膨胀形成非平衡射流，并与基片表面相撞；撞击基片表面的粒子，在适当的条件下沉积、形核、成岛、生长为薄膜。

随着薄膜技术的发展，多组分薄膜日渐显现出其技术性能上的无比优越性，并因技术性能上先进性而具有广阔的应用前景。但是要制备高附加值的大面积的多组分薄膜，对于控制薄膜的厚度和摩尔组分分布是非常困难的，其原因之一在于多源非平衡蒸气射流对基片表面入射蒸气粒子的数密度和法向速度分布的显著影响。例如，在利用物理气相沉积方法制备YBCO薄膜时，Yt、Ba和Cu的蒸发速率均满足1∶2∶3关系，如图1所示。但是从三组元沿基片中心线的摩尔组分比分布图(图2-4)中却发现：基片表面入射蒸气原子的摩尔组分比随蒸发速率的增大完全偏离初始比例。以往，人们制备多组分薄膜通常是凭工作人员的经验来进行，制备过程中需要调整和设定大量的工艺参数，而这种依靠经验和“凑”工艺条件的制备方式缺少理论上的支持，研究人员往往只知其然而不知其所以然，当需要制备不同种类的多组分薄膜时，必须作大量的重复工作，以确定相关的工艺条件，因而限制了多组分高性能薄膜在产业上的推广和应用，因此，如何提出一种可制备出高质量多组分薄膜并能够在产业上广泛应用的方法成为摆在科研人员面前的一个课题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法。

为实现上述目的，本发明一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法，具体为：根据真空室内多个蒸发源同时蒸发时所形成的蒸气粒子的流场分布状况，将基片置于蒸发源上方，基片平行于蒸发面；在基片所处的流场横断面上，多元蒸气粒子具有与待制备薄膜相同摩尔组分分布比例的分布带，使基片在所述流场横断面中沿所述蒸气粒子分布带运动，以沉积出具有所需摩尔组分分布比例的薄膜，基片的运动速度与所述分布带中粒子的分布密度相协调，所制备薄膜的面积与所述分布带的宽度相对应。

进一步，根据所述多元蒸气粒子在所述分布带中的数密度和法向速度，确定所述基片在沿所述分布带运动时的运动轨迹及速度。

真空室中各蒸汽粒子在流场中的分布形态具有一定的规律，本发明所提出的制备多组分薄膜的方法正是利用了这一规律，本发明方法克服了现有技术依靠经验制备多元薄膜所存在的一套制备工艺仅针对一种多组分薄膜、不同的多组分薄膜需重复作大量试验来确定相应的工艺条件、同时无法制备大尺寸多组分薄膜的问题，为多组分薄膜在产业上的推广应用创造了条件。

附图说明

图1为利用现有技术物理气相沉积方法制备YBCO薄膜的蒸发速率表；

图2为图1中的实施例1的三组元沿基片中心线的摩尔组分比分布图；

图3为图1中的实施例2的三组元沿基片中心线的摩尔组分比分布图；

图4为图1中的实施例3的三组元沿基片中心线的摩尔组分比分布图；

图5为采用本发明一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法，在6英寸单晶硅表面沉积YBCO薄膜时，铜蒸气羽流场的数密度分布图；

图6为采用本发明一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法，在6英寸单晶硅表面沉积YBCO薄膜时，铜蒸气羽流场垂直于基片表面的速度分布图；

图7为台阶仪测量出的铜薄膜的沉积厚度分布图；

图8为采用本发明一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法，在6英寸单晶硅表面沉积YBCO薄膜时，钇蒸气羽流场的数密度分布图；

图9为采用本发明一种建立在流场理论基础上的制备多组分薄膜的方法，在6英寸单晶硅表面沉积YBCO薄膜时，钇蒸气羽流场垂直于基片表面的速度分布图；

图10为台阶仪测量出的钇薄膜的沉积厚度分布图；

图11为采用本发明的方法制备的YBCO薄膜的晶相图；

图12为利用本发明的方法沉积于6英寸硅基表面的钛-钇薄膜厚度分布的台阶仪测量数据；

图13为采用本发明方法制备的STO薄膜的照片；

图14为扫描电子显微镜放大40000倍下观察到的钛酸锶薄膜表面形貌；

图15为1MHZ下MOS器件(铝—钛酸锶—硅—铝)C-V曲线图。

具体实施方式

要解决多组分薄膜制备的厚度和摩尔组分分布的均匀性问题，需要解决多源非平衡蒸气射流对基片表面入射蒸气粒子的数密度和法向速度分布的影响。本发明将流场理论引入薄膜的制备中，根据需要生长的多组分薄膜的需要，在真空室内建立相应的多组分粒子流场，测出各种组分的蒸气粒子在流场中的分布规律；然后根据各组分粒子的摩尔比，确定待沉积的基片在流场中的运动轨迹及沉积时间，即可制备出大面积厚度和摩尔组分分布均匀的多组分薄膜。

其中，流场中任意一截面的各组分蒸气粒子的数密度和法向速度，可以利用如质谱能谱仪进行测量，根据各截面测出的数据，即可得到流场中各组分蒸气粒子的分布情况。例如在制备YBCO薄膜时，首先分别测出金属铜、金属钇和金属钡蒸发时，各蒸气粒子在真空室内的数密度和法向速度的分布情况，如图5、6和7所示，为铜蒸气羽流场的数密度分布情况、铜蒸气羽流场垂直于基片表面的速度分布情况以及铜薄膜的沉积厚度分布情况；图8、9和图10为钇蒸气羽流场的数密度分布情况、钇蒸气羽流场垂直于基片表面的速度分布情况以及钇薄膜的沉积厚度分布图。在了解蒸汽粒子在流场中的分布形态，根据待制备的YBCO薄膜中各组分的组分摩尔比，就可以确定基片在流场中与蒸发源蒸发方向垂直的相应的横断面，该横断面上多元蒸气粒子具有与待制备YBCO薄膜相同摩尔组分分布比例的分布带，使基片在所述流场横断面中沿所述蒸气粒子分布带运动，根据分布带面积的大小，选择相应面积的基片，然后采用步进电机和丝杆传动装置，实现基片在流场中该横断面内的二维平面运动，使基片沉积蒸气粒子，从而得到厚度和摩尔组分分布均匀的YBCO薄膜，如图11为采用本发明的方法制备的YBCO薄膜的晶相图。图12为沉积于6英寸硅基表面的钇-钛金属薄膜厚度分布的台阶仪测量数据，从图中可见，大面积金属薄膜的沉积厚度分布均匀，各点厚度相对于平均值的变化范围仅为-2.1％～+2.4％。

采用本方法还能够根据需要，制备出大面积的薄膜。在了解蒸汽粒子在流场中的分布形态后，根据待制备薄膜的面积大小，通过调整蒸发源的蒸发功率可以调整流场中所需蒸气粒子蒸气带的大小，然后根据分布带相应地设定基片的运行轨迹和运行速度，即可制备出所需的大尺寸的多组分薄膜。如图13为采用本方法制备的4英寸钛酸锶STO薄膜的照片。从图14中可以看到，钛酸锶薄膜在扫描电子显微镜放大40000倍下，其表面的致密性，而从图15中的1MHZ下MOS器件(铝—钛酸锶—硅—铝)C-V曲线图中可知，其节电常数高达53。