[发明专利]利用离子束外延生长设备制备氮化铪薄膜材料的方法

摘要

本发明提供一种利用离子束外延(IBE)生长设备制备氮化铪(HfN)薄膜材料的方法。在具有质量分离功能与荷能离子沉积特点的双离子束外延生长设备上，选用纯度要求不高的氯化铪(HfCl₄)固体粉末和氮气(N₂)分别作为产生同位素纯低能金属铪离子(Hf⁺)束和氮离子(N⁺)束的原材料，通过准确控制参与生长的两种同位素纯低能离子的交替沉积束流剂量与配比、离子能量、离子束斑形状及生长温度，在超高真空生长室内，实现了氮化铪(HfN)薄膜的低成本高纯、正化学配比的优质生长与低温外延。本发明的生长工艺便于调控和优化，可制备得到具有原子尺度光滑平整的高结晶质量氮化铪(HfN)薄膜，是一种经济实用的制备应用于半导体技术领域氮化铪(HfN)薄膜材料的方法。

主权项

1.一种利用离子束外延生长设备制备氮化铪薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：选用纯度要求不高的低成本氯化铪固体粉末作为I束的伯纳斯型固体离子源产生铪离子束的原材料，将氯化铪固体粉末装入伯纳斯型固体离子源的蒸发器型坩埚内；步骤2：选用纯度要求不高的低成本氮气作为II束的伯纳斯型气体离子源产生氮离子束的原材料，将盛装氮气的容器与伯纳斯型气体离子源外的进气导管连接，通过其上的针阀控制进气流量；步骤3：将清洗后的衬底置入生长室，抽生长系统的真空；步骤4：离子源烘烤去气，I束的伯纳斯型固体离子源可通过调整其灯丝加热电流、坩埚加热电流及弧室加热电流来控制烘烤加热的温度，II束的伯纳斯型气体离子源通过调整其灯丝加热电流来控制烘烤加热的温度；步骤5：生长室内的衬底烘烤去气步骤6：调整I束的伯纳斯型固体离子源的灯丝加热电流、坩埚加热电流及弧室加热电流，继续升高伯纳斯型固体离子源的温度，使其缓慢蒸发出氯化铪气氛；步骤7：打开II束的伯纳斯型气体离子源外的进气针阀，向源内通氮气；步骤8：由I束的伯纳斯型固体离子源产生含有铪离子的高能离子束；步骤9：由II束的伯纳斯型气体离子源产生出具有氮离子的高能离子束；步骤10：用两个离子束上各自的磁分析器装置对两个离子源产生出来的高能离子束按照质量数进行分离，分别选择出生长所需要的同位素纯的铪离子束和氮离子束；步骤11：用两个离子束上的电或磁四极透镜装置将质量分离得到的两束同位素纯高能离子束进行二次聚焦；步骤12：用静电偏转电极装置将二次聚焦后的两束同位素纯高能离子束偏转去除高能中性粒子后，打开生长室与离子束汇合处的真空隔断阀，按照离子源束流调控装置调控的分时切割导通周期，两束同位素纯的高能离子束交替地的直入射进超高真空生长室内的减速透镜装置中；步骤13：用减速透镜装置将进入超高真空生长室内的两束同位素纯高能离子束减低能量；步骤14：再通过调整电或磁四极透镜装置及静电偏转电极装置的电磁场，使得交替沉积到衬底上的两束低能同位素纯离子的束斑形状大小相同，且位置重合；步骤15：按照离子束束流测量装置设定的交替沉积的两种离子的剂量和配比，两束低能同位素纯离子交替地在衬底上外延生长，生长温度可由衬底的加热装置提供。