一种通过热处理调控大斜切角氮化铝薄膜缺陷的制备方法

本发明涉及一种制备氮化铝的制备方法，特别涉及一种通过热处理调控大斜切角氮化铝薄膜缺陷的制备方法。

背景技术：

iii族氮化物及其合金具有带隙大、击穿电场高、导热系数大等优点，是制备发光器件的理想材料。其中，具有代表性的algan三元合金能够根据发光波长和功率的不同，应用于传感检测、消毒灭菌、防伪、医药生物化学、通讯等领域，成为了近年来的研究热点。

由于晶片尺寸和生产成本的限制，大多数aln和algan薄膜都是在相对便宜和容易获得的蓝宝石衬底上外延生长的。但是，aln、algan薄膜和蓝宝石衬底之间的晶格失配和热失配会导致制备的薄膜中存在较多的位错，从而影响器件的发光效率。

algan材料基本上是在aln薄膜上制备的，所以高质量的aln材料是制备高质量algan材料的关键。然而，al-n键的键能很高，这导致n原子对al原子具有强烈的束缚，使al原子的表面迁移率较低，很难获得高质量的aln薄膜。此外，衬底的斜切方向和斜切角往往会影响薄膜质量从而影响后续器件的制作。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：制备的氮化铝薄膜中存在较大的位错密度，难获得高质量的氮化铝薄膜。解决以上问题及缺陷的难度为：现阶段降低薄膜中位错密度的技术操作复杂、成本高不利于商业化。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明将磁控溅射与高温退火技术相结合，在具有不同斜切方向和斜切角度的蓝宝石衬底上沉积氮化铝薄膜，并通过高温退火技术进一步调控薄膜质量。在改善质量的同时，可以获得外延薄膜最佳的蓝宝石衬底取向。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种通过热处理调控大斜切角氮化铝薄膜的缺陷制备方法，包括如下操作步骤：

(1)对在样品台上放置有蓝宝石衬底的溅射腔室抽真空；

(2)通入气体，排除管道内残余气体，调节气体流量，升温加热衬底，调整腔室压强，打开靶材挡板，设置溅射功率；打开样品挡板，在蓝宝石衬底上溅射沉积氮化铝薄膜，保持参数不变直至溅射过程结束，取出制备的氮化铝薄膜；

(3)将步骤(2)中蓝宝石衬底上沉积所得氮化铝薄膜，以氮化铝薄膜的生长面贴合氮化铝薄膜的生长面方式放置在退火炉中(即以面对面贴合方式)，通入保护气，进行恒温退火，面对面装置避免了薄膜在退火过程中发生分解；

(4)冷却至室温之后取出，即得退火后的氮化铝薄膜。

进一步，步骤(1)中所述的蓝宝石衬底为具有大斜切角的两英寸蓝宝石衬底，斜切方向为c面偏a面，斜切角度为4度。

进一步，步骤(1)中所述抽真空为抽至压强降到3×10^-4pa。

进一步，步骤(2)中所述要在溅射过程中，保持衬底温度为650℃，保持腔室压力为0.2pa，射频功率为700w。

进一步，步骤(3)中所述的保护气为氮气，压强为150托；

进一步的，步骤(3)中所述的恒温退火温度为1400-1650℃，保温时间为30min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明制备方法能够获得改善外延膜质量最佳的衬底类型，为薄膜外延生长提供指导意义；本发明具有成本低、操作简单等优点，可以广泛推广使用。

附图说明

图1是各实施例步骤(2)所得氮化铝薄膜的(0002)面摇摆曲线半高宽和退火温度的图像。

图2是各实施例步骤(2)所得氮化铝薄膜的(10-12)面摇摆曲线半高宽和退火温度的图像。

图3是实施例1步骤(2)、步骤(4)所得氮化铝薄膜退火前后(0002)面摇摆曲线图像；其中，w/o曲线为退火前的，即步骤(2)所得氮化铝薄膜。

图4是实施例1步骤(2)、步骤(4)所得氮化铝薄膜的退火前后(10-12)面摇摆曲线图像；其中，w/o曲线为退火前的，即步骤(2)所得氮化铝薄膜。

图5是各实施例步骤(2)中制备得到的氮化铝薄膜，以及各实施例在退火温度为1650℃下步骤(4)中得到的经过热处理的氮化铝薄膜的拉曼测试图像。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。实施例中采用的原料、试剂若无特殊说明，皆为市售所得。实施例中所用的原料c面偏a面4°(c-a4°)、c面(正c向0°)、c面偏a面6°(c-a6°)、c面偏m面4°(c-m4°)、c面偏m面6°(c-m6°)的两英寸蓝宝石衬底皆为市售所得。

在c面(正c向0°)的两英寸蓝宝石衬底上沉积氮化铝薄膜：

(1)将已清洗的c面(正c向0°)两英寸蓝宝石衬底放置于溅射腔室的样品台上，对腔室抽真空直至压强降到3×10^-4pa；

(2)通入氮气和氩气混合气体(氮气/氩气体积比为4)，排除管道内残余气体，调节气体流量，升温加热衬底，蓝宝石衬底加热至650℃，调整腔室压强为0.2pa，打开靶材挡板，设置溅射功率为700w；打开样品挡板，在蓝宝石衬底上溅射沉积氮化铝薄膜，保持参数不变直至溅射过程结束，即得c面(正c向0°)衬底上沉积的氮化铝薄膜，备用。

实施例1

一种通过热处理调控大斜切角氮化铝薄膜的缺陷制备方法，操作步骤如下：

(1)将已清洗的c面偏a面4°(c-a4°)两英寸蓝宝石衬底放置于溅射腔室的样品台上，对腔室抽真空直至压强降到3×10^-4pa；

(2)通入氮气和氩气混合气体(氮气/氩气体积比为4)，排除管道内残余气体，调节气体流量，升温加热衬底，蓝宝石衬底加热至650℃，调整腔室压强为0.2pa，打开靶材挡板，设置溅射功率为700w；打开样品挡板，在蓝宝石衬底上溅射沉积氮化铝薄膜，保持参数不变直至溅射过程结束，取出制得的氮化铝薄膜，薄膜厚度为300nm，用xrd对所得氮化铝薄膜的(0002)、(10-12)晶面进行测试，对测试所得到的(0002)、(10-12)晶面半高宽数值进行作图分析，结果如图1、图2所示；

(3)分别取4个步骤(2)中蓝宝石衬底上沉积所得厚度为300nm氮化铝薄膜，再取4个上述备用的c面(正c向0°)衬底上沉积的氮化铝薄膜，将1个步骤(2)中蓝宝石衬底上沉积所得厚度为300nm氮化铝薄膜和1个c面(正c向0°)衬底上沉积的氮化铝薄膜面对面贴合的方式放置在退火炉中(即以氮化铝薄膜生长面对氮化铝薄膜生长面的贴合方式)，此为一组，其余以同样的方式设置，共得4组(a组、b组、c组、d组)，面对面放置的方式避免了薄膜在退火过程中发生分解，通入氮气，在氮气气氛下分别在1400℃、1500℃、1600℃、1650℃温度下进行恒温退火(即a组在1400℃温度下进行恒温退火，b组在1500℃温度下进行恒温退火，c组在1600℃温度下进行恒温退火，d组在1650℃温度下进行恒温退火)，各自保温30min后开始降温；

(4)待退火炉冷却至室温之后取出，分别得到不同的退火后的氮化铝薄膜，用xrd对所得氮化铝薄膜的(0002)、(10-12)晶面进行测试，对测试所得到的(0002)、(10-12)晶面半高宽数值进行作图分析，结果如图3所示。

对比实施例1

步骤(1)中蓝宝石衬底选择c面(正c向0°)，其余操作与实施例1相同；

步骤(2)所得氮化铝薄膜检测分析结果如1、图2；步骤(4)所得氮化铝薄膜图3所示。

对比实施例2

步骤(1)中蓝宝石衬底选择c面偏a面6°(c-a6°)，其余操作与实施例1相同；

步骤(2)所得氮化铝薄膜检测分析结果如1、图2；步骤(4)所得氮化铝薄膜图3所示。

对比实施例3

步骤(1)中蓝宝石衬底选择c面偏m面4°(c-m4°)，其余操作与实施例1相同；

步骤(2)所得氮化铝薄膜检测分析结果如1、图2；步骤(4)所得氮化铝薄膜图3所示。

对比实施例4

步骤(1)中蓝宝石衬底选择c面偏m面6°(c-m6°)，其余操作与实施例1相同；

步骤(2)所得氮化铝薄膜检测分析结果如1、图2；步骤(4)所得氮化铝薄膜图3所示。

(0002)晶面半高宽一般反映薄膜的螺位错密度，(10-12)晶面半高宽反映薄膜的刃位错密度，采用高分辨x射线衍射仪(hrxrd)对氮化铝(aln)薄膜(0002)、(10-12)晶面进行测试，获得表征质量的摇摆曲线半高宽数值，评估薄膜质量。

用xrd分别对各实施例步骤(2)中制备得到的氮化铝薄膜，以及实施例1步骤(4)中得到的氮化铝薄膜进行(0002)、(10-12)晶面进行测试，对测试所得到的(0002)、(10-12)晶面半高宽数值进行作图分析。

图1-图5，为方便区分，在图像中以衬底类型来标记氮化铝薄膜，图像中的0°，c-a4°、c-m4°、c-a6°、c-m6°指的是相应的蓝宝石衬底上溅射的氮化铝薄膜。

参见图1和图2，随着退火温度的升高，薄膜的半高宽数值整体逐渐减小，薄膜质量逐渐提高。在1400℃-1600℃的高温退火下，各氮化铝薄膜的半高宽显著降低，位错减少，薄膜质量均得到改善。当退火温度高于1600℃时，其他薄膜的半高宽基本保持不变或上升，而c-a4°蓝宝石衬底上溅射的薄膜的半高宽仍呈下降趋势，并且在1650℃温度下具有最小的(0002)、(10-12)晶面半高宽。说明经过1400℃-1650℃的高温退火处理后，c-a4°蓝宝石衬底上溅射的薄膜质量优于其他薄膜，结晶度最高，说明晶体质量的提高与衬底的斜切角和取向有关。

参见图3和图4，退火前，c-a4°蓝宝石衬底上溅射的薄膜(10-12)晶面摇摆曲线表现为一个宽峰，这是因为溅射所得的薄膜中存在大量的扭曲成分。经过1650℃退火后，(0002)和(10-12)平面均表现为狭窄而尖锐的峰，表明高温退火有效地降低了薄膜中的倾斜和扭曲成分。

应力对半导体材料制造以及器件制备是极其重要的，可以通过薄膜e2(high)峰位置变化，反应薄膜中的应力信息。采用拉曼光谱对步骤(2)中制备得到的氮化铝薄膜以及步骤(4)中得到的经过热处理的氮化铝薄膜进行表征，提供薄膜的应力信息。

参见图5，退火前，各薄膜的e2(high)声子峰位均小于无应力时的657.4(cm^-1)，表现为张应力。经过高温退火后，拉曼光谱发生蓝移，张应力转化为压应力。缺陷和杂质对e2(high)声子峰的半高宽有影响，所以半高宽的变化能够反映晶体质量。经过1650℃退火后，c-a4°蓝宝石衬底上溅射的薄膜e2(high)声子峰的半高宽最小，薄膜的结晶度最高。

综上所述，高温退火能够有效调控大斜切角氮化铝薄膜中的缺陷，提高薄膜质量，c-a4°蓝宝石衬底上溅射的薄膜质量改善效果最好。

本发明实施例所提供的通过热处理调控大斜切角氮化铝薄膜缺陷的制备方法，所需成本较低、易操作，能够获得改善外延膜质量最佳的衬底类型，为薄膜外延生长提供指导意义。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。