[发明专利]梯度自掺杂纯相多元金属氧化物薄膜的磁控溅射制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度自掺杂纯相多元金属氧化物薄膜的磁控溅射制备方法，采用磁控共溅射法，靶A和靶B分别采用独立的直流溅射电源，并利用溅射功率渐变控制器控制共溅射过程中靶A和靶B的起始溅射功率和功率渐变速率，调控薄膜中金属离子的比例；通过在共溅射过程中控制靶A和靶B溅射组分的溅射功率，从薄膜底部至薄膜顶部形成金属离子A/B比例的梯度变化，在多元金属氧化缺陷容忍度范围内实现金属A/B比例的可控调节，在抑制杂相析出的前提下，制备梯度自掺杂纯相多元金属氧化物。

技术领域：

本发明涉及梯度自掺杂纯相多元金属氧化物薄膜的磁控溅射制备方法。

背景技术：

梯度自掺杂是2017年由wang et al在国际上首次提出的新型半导体改性技术，被证实能有效提高半导体薄膜的光电特性目前仅有的梯度自掺杂技术是通过热扩散辅助喷雾热解法实现，该制备方法存在以下缺陷：(1)通过热扩散辅助形成A/B浓度梯度，然而受制于A和B的热扩散系数，仅能制备厚度＜550nm的薄膜，很难实现A/B浓度梯度的调控，薄膜底部和顶部容易出现相分离；(2)热扩散辅助不可避免的需要在高温下反应；(3)喷雾热解法使用有机溶剂，不可避免的会在A_xB_yO_z半导体薄膜残留碳杂质，容易形成缺陷能级，极大的降低薄膜的光电特性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种梯度自掺杂纯相多元金属氧化物A_xB_yO_z薄膜的磁控溅射制备方法，采用磁控共溅射法，靶A和靶B分别采用独立的直流溅射电源，并利用溅射功率渐变控制器控制共溅射过程中靶A和靶B的起始溅射功率和功率渐变速率，调控薄膜中金属离子的比例；通过在共溅射过程中控制靶A和靶B溅射组分的溅射功率，从薄膜底部至薄膜顶部形成金属离子A/B比例的梯度变化，在多元金属氧化缺陷容忍度范围内实现金属A/B比例的可控调节，在抑制相分离的前提下，制备梯度自掺杂纯相多元金属氧化物，该技术不需要热扩散辅助形成浓度梯度，因此共溅射反应可在室温下进行。此外，该技术为物理沉积，可以有效避免现有喷雾热解法引入碳杂质的缺陷，获得适合于基础研究的梯度自掺杂纯相A_xB_yO_z半导体薄膜，解决了现有技术热扩散辅助喷雾热解法存在的问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

梯度自掺杂纯相多元金属氧化物薄膜的磁控溅射制备方法，以金属A作为靶A，以金属B作为靶B，以氩气和氧气作为共溅射气体，采用溅射功率渐变控制器控制共溅射过程中靶A和靶B的起始溅射功率和功率渐变速率，在渐变溅射条件下进行反应溅射，在基片表面沉积梯度自掺杂纯相多元金属氧化物(A_xB_yO_z，金属A，金属B，氧原子O以化学剂量比为x：y：z组成的氧化物)薄膜，从薄膜底部至薄膜顶部形成金属离子A/B比例的梯度变化。

其中，靶A和靶B起始溅射功率为20～500W，预溅射时间为1～30min；靶A以起始溅射功率为基准，溅射功率以1～30W/min的渐变速率逐渐递减(递增)，靶B以起始溅射功率为基准，溅射功率以1～30W/min的渐变速率逐渐递增(递减)，共溅射时间为1～60min。

特别地，基片经清洗后固定在溅射室内可旋转加热的样品台上，靶A和靶B两靶材轴心均与样品台垂直中轴线成20～60°角，靶A中心与样品台中心距离为5～20cm，靶B中心与样品台中心距离为5～20cm；本底真空度上限为10^-2Pa，共溅射反应压强为0.1～1.5Pa，Ar和O₂的体积比为1:4～1:1，流量范围为1～100sccm；样品台旋转速率为5～30转/分钟。

具体包括以下步骤：