制备高厚度均匀性纳米/亚微米SiO2薄膜的方法

摘要

一种制备高厚度均匀性纳米/亚微米SiO2薄膜的方法，包括以下步骤：基底前处理；抽真空和升温；根据薄膜厚度的不同，重复多个循环过程进行沉积，每一循环过程由一次进行的四个步骤组成，循环过程数目根据所制备薄膜的厚度不同确定；后处理：沉积过程结束后，自动关闭程序，保持真空状态，在真空腔内冷却到室温。本发明的优点是：采用原子层沉积的方法，采用特定的Si源和臭氧反应的方法，逐层制备SiO2，对于厚度的控制非常精准，反应重复性好，反应温度低，实现了在6英寸Si片上从1nm～1000nm范围内多个厚度量值上厚度均匀性优于1%，满足表面分析设备用标准物质的需求。耗能成本降低，可以小规模生产。

说明书

技术领域

本发明是一种采用原子层沉积方法，选取特定Si源，在大尺寸Si片上制备特定纳米级厚度的SiO2层的工艺方法。属于计量技术领域，特别涉及到标准物质样品制备方法领域。

背景技术

现有制备SiO2薄膜的技术多采用热氧化的方法，采用Si片进行温度控制，热氧化形成均匀性良好的氧化层。另外，还有磁控溅射、离子束溅射和化学气相沉积等制备方法。

现有技术中，采用热氧化方法制备的SiO2薄膜的均匀性较好，多用于几十纳米以上的制备，在几十纳米以下，厚度不易控制，厚度均匀性较差，无法满足纳米级厚度标准物质的要求。热氧化法反应温度高达1000摄氏度，且对基底的限制只能是单晶基底，大大限制了SiO2 在半导体器件中的应用。

而化学气相沉积法，主要受气流的控制，均匀性和重复性不易控制；磁控溅射和离子束溅射方法对溅射电源和靶材的要求较高，且容易出现薄膜烧蚀的情况，膜厚均匀性较差。

发明内容

本发明为了解决传统SiO2氧化层反应温度高、厚度均匀性差、超薄薄膜厚度较难控制等问题，是提供一种纳米/亚微米SiO2薄膜的方法。

本发明的技术方案是：一种制备高厚度均匀性纳米/亚微米SiO2薄膜的方法，包括以下基本步骤：

(1) 基底前处理：采用新鲜异丙醇溶液将Si片浸泡24小时，取出，用新鲜异丙醇溶液进行淋洗，采用惰性气体高纯氮气吹干后，迅速放入原子层沉积系统基底架上。

(2) 抽真空和升温：将基底架送入沉积室中，真空抽到0mbar，温度升到设定值后恒温一段时间；升起基底架，并通入恒定流量的高纯氮气。

（3）沉积：根据薄膜厚度的不同，重复多个循环过程进行沉积，每一循环过程由依次进行的四个步骤组成，一个循环过程结束后即进行下一循环过程，循环过程数目根据所制备薄膜的厚度确定。

(4) 后处理：沉积过程结束后，保持真空状态(氮气关闭或保留均可)，在沉积室内冷却到室温后取出成品。

所述的步骤（3）中，每一循环过程中的四个步骤分别为：通入Si源、一次氮气吹扫、通入臭氧和二次氮气吹扫。四个步骤的时间范围分别为：通入Si源的时间为50～250ms；一次氮气吹扫时间为200～450ms；通入臭氧的时间为50～200ms；二次氮气吹扫的时间为200～450ms；在该通入臭氧的步骤中所使用的臭氧发生器功率为30～100W。

所述的步骤（2）中，高纯氮气的流量设置范围为200～800 sccm；沉积室内的恒温温度选择范围为250～350℃。

所述的Si源包括DIPAS (CAS 908831_34_5)或三(二甲胺基)硅烷，Si源源瓶常温放置。

本发明的优点是：采用原子层沉积的方法，采用特定的Si源和臭氧反应的方法，逐层制备SiO2，对于厚度的控制非常精准，反应重复性好，反应温度低，实现了在6英寸Si片上从1nm～1000nm范围内多个厚度量值上厚度均匀性优于1%，，满足表面分析设备用标准物质的需求。耗能成本降低，可以小规模生产。

具体实施方式

下面结合两个具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1：

沉积设计厚度为10nm的SiO2薄膜，包括以下步骤：

 (1) 基底前处理：采用新鲜异丙醇溶液将6英寸Si片浸泡24小时，取出，用新鲜异丙醇溶液进行淋洗，迅速采用惰性气体高纯氮气吹干，迅速放入原子层沉积室内的基底架上。

(2) 抽真空和升温：将基底架送入沉积室中，设置程序，真空抽到0mbar，温度升到325℃，恒温0.5-1.5个小时至温度稳定。升起基底架，并通入高恒定流量的纯氮气，氮气的流量为200-300 sccm。

（3）沉积：选用DIPAS (CAS 908831_34_5) 作为Si源，Si源源瓶常温放置，源瓶的出口与沉积设备的对应接口连接，控制源瓶的针阀开到1/12圈（针阀的开度根据实验确定）。采用105次循环，每次循环依次进行的步骤为：通入Si源 50ms；氮气吹扫250ms（即关闭Si源，只剩氮气）；通入臭氧100ms；氮气吹扫400ms（即关闭臭氧，只剩氮气）。臭氧发生器功率 100W，通入臭氧前开启臭氧发生器，稳定30s，使臭氧发生器压力稳定，再将臭氧通入沉积室。

 (4) 后处理：沉积过程结束后，程序自动关机，在真空状态冷却到室温。

实施例2：

沉积设计厚度为120nm的SiO2薄膜，包括以下步骤：

 (1) 基底前处理：采用新鲜异丙醇溶液将6英寸Si片浸泡24小时，取出，用新鲜异丙醇溶液进行淋洗，迅速采用惰性气体高纯氮气吹干，迅速放入原子层沉积室内的基底架上。

(2) 抽真空和升温：将基底架送入沉积室中，设置程序，真空抽到0mbar，温度升到325℃，保持温度1个小时至温度恒定。升起基底架，并通入高纯氮气，流量 为500-700 sccm。

（3）沉积：选用DIPAS (CAS 908831_34_5) 作为Si源，Si源源瓶常温放置，控制源瓶的针阀开到1/12圈。沉积采用1233个循环，每次循环依次进行的步骤为：通入Si源时间 250ms；氮气吹扫时间 250ms；臭氧通入时间 100ms；氮气吹扫时间400ms。臭氧发生器功率 100W，开机后稳定30s再通入。

 (4) 后处理：沉积过程结束后，自动关闭程序，在真空状态冷却到室温。

本发明中，Si源的流量是由沉积时间、Si源源瓶阀门的开度以及沉积室内的负压所决定的，在沉积时间和沉积室内的负压已确定时，可以根据需要沉积的薄膜厚度，只需要通过常规实验确定Si源源瓶阀门的开度即可。