[发明专利]一种MgZnO薄膜的制备设备系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电材料技术领域，涉及一种MgZnO合金薄膜的制备设备系统和方法。

背景技术

目前紫外探测器广泛应用于火焰探测，导弹预警，太空通讯，紫外线检测等领域。宽禁带半导体的制备的探测器具有结构简单，重量轻，响应快，符合国防和太空技术的发展的需求，受到越来越多的关注。目前制备紫外探测器，主要使用AlGaN三元合金材料和MgZnO三元合金材料。

MgZnO三元合金材料，由于其具有较高的激子复合能，制备的紫外探测器具有更高的响应度受到越来越多的重视。MgZnO三元合金薄膜可以通过MgO和ZnO的混合陶瓷靶制备，然而该方法制备的MgZnO薄膜的各元素组分由陶瓷靶的元素组分所决定，无法调节MgZnO薄膜中的各元素组分。所以更多的是采用另一种方法制备MgZnO薄膜，即通过MgO陶瓷靶和ZnO陶瓷靶共溅的方法，或Mg金属靶和Zn金属靶在O₂气氛中共溅的方法制备MgZnO薄膜。

传统具有多个溅射电极的磁控溅射设备，设计的初衷是基于多层膜的生长，即一个溅射电极负责生长一层膜，所以基片架到各个溅射电极的距离并不相等，如中国专利(公开号：CN 101720493 A)。用这样的设备生长MgZnO三元合金薄膜，容易导致MgZnO薄膜中的各组分在衬底平面上不均匀，表现为同一MgZnO外延膜上某一区域的Mg组分高于预期值，而另一区域的Mg组分却低于预期值。

此外，传统的真空镀膜设备，包括磁控溅射设备，基片架上设计成放置多个衬底，基片架在转动过程中，衬底绕着腔体的中轴线旋转，如中国专利(专利号：ZL 97111504.4)。因此衬底并不处于中轴线上，无法保证生长过程中衬底到两个溅射电极的距离始终相等，所以也无法保证MgZnO三元合金薄膜中各组分的均匀性。已有文献报道的磁控溅射生长MgZnO薄膜，Mg的组分高于40％的会出现相结构分离，因此制备的紫外探测器响应度都很小，器件整体较低。特别是Mg组分高于50％的MgZnO薄膜相结构分离更明显，所制备的日盲型探测器，响应度只能达到10mA/W左右，这样的器件无法在军事上应用。

综上所述，传统的磁控溅射设备不是针对三元合金薄膜设计，所以无法生长出组分均匀的MgZnO三元合金薄膜，进而会影响制备的紫外探测器的性能。

发明内容

鉴于传统磁控溅射设备无法生长组分均匀的MgZnO三元合金薄膜，造成MgZnO薄膜质量较差、均匀性低，制备的日盲型紫外探测器响应度低的缺陷。本发明的目的在于提供一种用于制备高均匀性的MgZnO三元合金薄膜的磁控溅射系统及其使用方法，以获得组分均匀，具有单一六方相的高质量MgZnO三元合金薄膜。

本发明在传统的MgZnO薄膜的生长模式上做了很大改进，其要点是：

在设备上对传统的磁控溅射设备做了改进：

a.基片架上处于腔体中轴线上，只有一个衬底托，衬底托位于基片架中心。

b.两个溅射电极对称分布在腔体中轴线的两侧，且方向正对着基片架中心。

c.设备配有电子枪，用于生长薄膜前对衬底进行活化。

d.设备配有混气室，用以保证溅射气体Ar和反应气体O₂均匀混合。

在生长方法上优化：

a.通过控制溅射电极的功率，控制生长速度。

b.通过控制两个溅射电极的功率，控制MgZnO薄膜中Mg和Zn组分的比例。

本发明和传统的MgZnO合金薄膜生长设备和方法相比，可以有效提高MgZnO合金薄膜的均匀性，提高成膜质量，进而提高由此制备的紫外探测器的性能。发明的详细说明叙述如下：

参见附图1，生长腔(1)为不锈钢材料制成的圆柱形腔体，真空系统(2)用于生长前抽空生长腔(1)内气体，并用于保持工作压力。基片架(3)位于生长腔(1)顶部，并处于中轴线上。两个溅射电极(4)、(5)分别装有Mg金属靶和Zn金属靶，用于提供MgZnO合金薄膜的Mg源和Zn源。溅射电极(4)、(5)位于生长腔(1)底部，对称地分布在腔体中轴线两侧，方向正对着基片架中心，溅射电极(4)和(5)到基片架(3)之间的距离相等，即两个溅射电极(4)、(5)和基片架(3)构成一个等腰三角形。生长时，基片架(3)上仅放置一个衬底，且该衬底位于基片架的正中心，由此衬底在旋转过程中不会偏离中轴线位置，可以保证生长MgZnO薄膜中各组分均匀，不会发生偏差。