一种图形化的氧化铝超薄薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种图形化的氧化铝超薄薄膜的制备方法，具体地说是一种专门用于原子层化学气相沉积技术的图形化的氧化铝超薄薄膜的制备方法。
技术背景
[0002]众所周知，氧化铝(Al2O3)薄膜具有非常优良的物理性能和化学性能，如机械强度和硬度高、热稳定性好、热导率高、抗辐照损伤能力强、抗碱离子渗透能力强、宽禁带、在很宽的波长范围内透明、绝缘性极佳等，在机械、光学及微电子等许多领域有着广泛的应用前景，在微电子领域，随着硅基集成电路的集成度不断提高，作为场效应晶体管栅极材料的二氧化硅材料因在纳米尺度下隧穿电流无法忽略，已越来越不适合作为绝缘材料。氧化铝薄膜作为二氧化硅的替代材料，引起了研宄人员的兴趣。原子层化学气相沉积技术由于具有薄膜生长厚度精确可控、台阶覆盖性极佳等优点，特别适合于超薄薄膜的生长，在微电子领域应用越来越广。氧化铝薄膜因其高的光透过性，还可以用于太阳能电池的光采集层。
[0003]氧化铝超薄薄膜应用于集成电路、传感器、微机电系统、太阳能电池等场合，都需要将氧化铝超薄薄膜制作成特定的图形，而在微电子技术领域，将薄膜材料图形化，通常采用的技术方案为增法或减法，增法为采用掩模板进行薄膜生长利用掩模板在薄膜生长时即形成特定的图形，减法为对薄膜进行刻蚀，进一步可分为物理法刻蚀/化学法刻蚀。
[0004]若采用物理法刻蚀，其刻蚀深度往往很难控制，尤其是对于纳米级超薄薄膜，过度刻蚀的问题更加严重，会损伤薄膜下层的衬底材料，其工艺参数极难掌控；若采用化学刻蚀，同样存在上述过度刻蚀的问题，并且，薄膜还同时会因刻蚀剂的采用而被杂质离子所污染；另外，无论是物理法刻蚀还是化学法刻蚀，都需要在刻蚀前预先做好图形化的耐刻蚀的掩模层，在刻蚀工艺完成后再设法去除这一层，这也使得刻蚀法的工艺十分复杂。
[0005]因此，采用增法进行薄膜的图形化生长是较好的选择。
[0006]对于脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、磁控溅射法、真空蒸镀法等等，常规的掩模板法可以用来制备图形化氧化铝薄膜，已经有大量的成熟的运用。然而，当所需要的氧化铝薄膜厚度减少到几个纳米的量级、且要求精确控制厚度、台阶覆盖性优秀时，前述这些方法变得无能为力，原子层化学气相沉积超薄氧化铝薄膜成为最合适的选择。
[0007]但是，若采用常规的掩模板机械夹持法和常规的原子层化学气相沉积工艺(H2O与TMA交替脉冲)在氧化铝薄膜沉积时便完成薄膜的图形化，也存在很大的问题:由于原子层化学气相沉积超薄氧化铝薄膜时，掩模板与衬底材料之间总会存在很小的缝隙，作为氧源的去离子水蒸汽极度容易侵入缝隙，即使看似很平整的、与衬底贴合良好的掩模板也根本无法起到阻挡去离子水蒸汽侵入的作用，实际沉积工艺中发现采用这一方法根本无法完成薄膜的图形化，所得到的氧化铝超薄膜与无掩模板时得到的氧化铝超薄膜几无差异；此外，常规的掩模板在放置到衬底上时，与磁控溅射法、脉冲激光沉积法、真空镀膜法、分子束外延法等薄膜沉积工艺不同，在原子层化学气相沉积工艺中，由于载气、前驱体气体的脉冲性冲击气流周期性作用，现有技术的掩模板固定法总会给洁净的衬底表面造成损伤和污染，也使得图形的边缘模糊不清，机械性的夹持也导致在装载、取样时会给极薄(几个纳米以下的厚度)的薄膜造成严重损伤。
[0008]上述因素使得制备图形化的氧化铝纳米级厚度的超薄薄膜，始终是一个难以克服的技术难题，在微米级、亚微米级、深亚微米级工艺时代看似简单的技术问题，在纳米级加工时代，变得尤为困难，现有技术无法适应新的工艺。在本发明之前，尚未有工艺简单、效率高、免污染、专门用于原子层化学气相沉积技术的图形化的氧化铝超薄薄膜的制备方法，亟需开发新的图形化的氧化铝超薄薄膜的制备技术。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种专门用于原子层化学气相沉积技术的图形化的氧化铝超薄薄膜的制备方法。
[0010]为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案来实现:
一种专门用于原子层化学气相沉积技术的图形化的氧化铝超薄薄膜的制备方法，所使用的原料包括:铝源、惰性气体、氧源和片状衬底，所述图形化的氧化铝超薄薄膜的制备方法依次包括以下步骤:
(1)衬底准备:将衬底用有机溶剂清洗后，用惰性气体吹干，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮；
(2)固定样品:将步骤(I)中得到的洁净的衬底放置于样品托盘的浅槽内，在衬底上表面覆盖上预先准备好的具有所需图形的金属掩膜版，然后将环形永久磁铁或环形电磁铁的置于金属掩膜版上，环形永久磁铁或环形电磁铁的圆心与浅槽的中心重合；
(3)进样:送入原子层化学气相沉积系统的真空反应腔，抽真空使真空反应腔的真空度达到I?5hpa ；
(4)图形化的氧化铝超薄薄膜的原子层化学气相沉积:氧气和惰性气体按照一定体积比混合均匀后，通过臭氧发生器产生臭氧气体；沉积系统内通入惰性气体，使反应腔内及中间空间气压分别保持在I?5hpa和6?15hpa ;每个生长循环由以下四个气体脉冲组成:
a、三甲基铝脉冲0.1秒，使用惰性气体作为载气输送到反应腔，载气流量为100_400sccm ；
b、惰性气体冲洗腔体2?30秒，流量为100-400sccm；
C、臭氧脉冲3秒，臭氧流量为100-400sccm，使用惰性气体作为载气输送到反应腔，载气流量为100-400sccm ；
d、惰性气体冲洗腔体6秒，流量为100-400sccm ；
利用自限制表面吸附效应，制得氧化铝超薄薄膜；
当采用环形电磁铁固定衬底和金属掩膜板时，电子开关闭合，由主机电源的3V~12V稳压输出端给环形电磁铁供电；
(5)取样:关闭原子层化学气相沉积系统，当采用环形电磁铁固定衬底和金属掩膜板时，电子开关断开，取出图形化的氧化铝超薄薄膜样品。
[0011 ] 所述铝源为三甲基铝，所述氧源为氧气。所述惰性气体为氮气或氩气。惰性气体及氧气的纯度均不低于99.999%。
[0012]所述片状衬底为硅片、镍酸镧片、氧化铟片、氧化镁片、金属片、氮化镓片、氮化钛片、氮化铝片、石英片、蓝宝石片其中之一。
[0013]所述的样品托盘为圆形，托盘的尺寸与反应腔的尺寸相适应，托盘材质为含铁、镍或钴其中一种或多种的软磁性金属合金，托盘圆周设有高于托盘平面0.2~lmm的凸缘，该凸缘还设置有两个对称分布的缺口，缺口宽度为l~2mm，缺口高度与凸缘高度保持相同，即为0.2~1_，所述缺口的设置，对于薄膜生长的均匀性、可控性、纯净度以及生长速度至关重要；托盘平面内设置有一个或多个深度为0.2~lmm的圆形或方形的浅槽，所述浅槽的设置是为了避免在薄膜生长过程中衬底薄片被气流所吹走；托盘的圆周边缘设有两个通孔，两个通孔内分别容置有一对正、负电源接线柱，电源接线柱与托盘之间填充有绝缘层，托盘配有环形永久磁铁或环形电磁铁，环形电磁铁与所述正、负电源接线柱之间柔性电连接；环形永久磁铁或环形电磁铁的内径大于金属掩膜板的图形区域，环形永久磁铁或环形电磁铁的外径与浅槽内径相适应。
[0014]当反应腔的反应温度低于100°C时采用环形永久磁铁或环形电磁铁，当反应腔的反应温度高于100°c时采用电磁铁。
[0015]原子层化学气相沉积系统的用于容置样品托盘的托架上设有与所述托盘上的一对正、负电源接线柱相匹配的一对弹性金属片，所述一对弹性金属片与原子层化学气相沉积设备的主机电源的3V~12V稳压输出端之间通过电子开关电连接；
优选地，所述原子层化学气相沉积设备的主机电源的3V~12V稳压输出端为直流输出，所述电子开关为功率型MOSFET，且该电子开关由主机的操作系统控制开启或断开；或优选地，所述原子层化学气相沉积设备的主机电源的3V~12V稳压输出端为交流输出，所述电子开关为晶体闸流管，且该电子开关由主机的操作系统控制开启或断开；
在步骤(2)中，将步骤(I)中得到的洁净的衬底放置于样品托盘的浅槽内，在衬底上表面覆盖上预先准备好的具有所需图形的金属掩膜版，然后将环形永久磁铁或环形电磁铁置于金属掩膜版上，环形永久