[发明专利]前驱体空间分隔式制备镓酸铋薄膜的方法

摘要

前驱体空间分隔式制备镓酸铋薄膜的方法。一种前驱体空间分隔式的自限制性表面吸附反应制备BiGaO₃薄膜材料的方法，BiGaO₃薄膜材料生长在衬底材料上，BiGaO₃薄膜材料的空间群为Pcca，晶格常数为a=5.626Å，b=5.081Å，c=10.339Å，BiGaO₃薄膜材料在所选择的衬底上生长得到的择优取向为（112），采用前驱体空间分隔式的自限制性表面吸附反应得到，所述表面吸附反应特指朗缪尔吸附机制的不可逆的化学吸附反应。通过采用本发明的制备BiGaO₃薄膜材料的方法，可以实现BiGaO₃薄膜生长厚度的精确可控，且BiGaO₃薄膜表面平整度大大优于现有技术。由于各种气体的通入是连续不断、且流速恒定，薄膜的厚度仅取决于衬底转过的次数，工艺变得极为简单、可靠。

主权项

一种采用前驱体空间分隔式的自限制性表面吸附反应制备BiGaO₃薄膜材料的方法，BiGaO₃薄膜材料生长在衬底材料上，所述的衬底包括Si、LaNiO₃/Si、Pt/TiO₂/SiO₂/Si、Pt/Ti/SiO₂/Si、TiN、SiO₂等，所述的BiGaO₃薄膜材料的空间群为Pcca，晶格常数为a=5.626Å，b=5.081Å，c=10.339Å，所述的BiGaO₃薄膜材料在所选择的衬底上生长得到的择优取向为（112）；其特征在于：所述BiGaO₃薄膜材料厚度小于500纳米；采用前驱体时间分隔式的自限制性表面吸附反应得到，所述表面吸附反应特指朗缪尔吸附机制的不可逆的化学吸附反应；化学吸附反应在真空反应腔中进行，真空反应腔中包括有多个分隔空间，分别用于通入铋前驱体气体、镓前驱体气体、氧前驱体气体、惰性气体；所有的气体管路中的气流在整个薄膜沉积过程中是持续不断通入的，且各管路的气流的流速、压力均保持恒定不变；在真空反应腔中的各分隔空间的数量为4的倍数且不小于8；各分隔空间依次相邻并首尾衔接形成闭合环，托盘和衬底在这些分隔空间形成的气体氛围中运动；用于通入铋前驱体气体和镓前驱体气体的分隔空间的数量之和等于用于通入氧前驱体的分隔空间的数量，用于通入铋前驱体气体、镓前驱体气体和氧前驱体的分隔空间的数量之和等于用于通入惰性气体的分隔空间的数量；所述分隔空间的排布规律如下：在任意一个通入三(2,2,6,6‑四甲基‑3,5‑庚二酮酸)铋(III)气体或氧前驱体气体或三甲基镓气体的分隔空间的最邻近的一侧或两侧，都还具有一个或多个通入惰性气体的分隔空间，且在满足上述条件的情况下，在任意一个通入三(2,2,6,6‑四甲基‑3,5‑庚二酮酸)铋(III)气体或三甲基镓气体的分隔空间的次邻近侧，都还具有一个或多个通入氧前驱体气体的分隔空间；所采用的铋前驱体为三(2,2,6,6‑四甲基‑3,5‑庚二酮酸)铋(III)，镓前驱体为三甲基镓，氧前驱体气体可以是H₂O、O₂、O₃其中任意一种，也可以是其中任意两种或三种的混合气体；所述“惰性气体”不仅仅指通常化学领域所指的惰性气体（氦气、氩气等），还包括在整个薄膜制备过程中不会与前驱体发生化学反应的其他气体，例如：氮气；在整个薄膜生长过程中，所有前驱体气体均分别采用惰性气体进行输运；该方法包括但不限于以下具体步骤：A）将清洗洁净的衬底材料用惰性气体吹干，放置入衬底托盘中；B）托盘连同衬底移入真空反应腔，开启真空泵对真空反应腔进行抽真空；C）对真空腔进行加热，使真空腔中的托盘和衬底的温度在整个薄膜生长过程中维持在一个合适的温度窗口；所选择的合适的温度窗口是指：在合适的温度范围内，即衬底的温度高于一个温度下限而低于一个温度上限，且前驱体气体供应的流速大于最低限值的情况下，薄膜的生长速率为一个基本恒定的值，薄膜的生长速率与前驱体气体供应的流速、载气即惰性气体的流速、前驱体的温度、衬底的温度、真空腔的分隔空间的真空度基本无关，当生长温度超出此温度窗口即低于温度下限或高于温度上限，薄膜的生长速率则会显著地增加或减小；D）当真空腔温度恒定一段时间后，设定托盘连同衬底转动的圈数，真空反应腔的不同分隔空间分别通入惰性气体、三(2,2,6,6‑四甲基‑3,5‑庚二酮酸)铋(III)气体、氧前驱体气体以及三甲基镓气体；E）衬底托盘带动衬底材料一起运动，在通入三(2,2,6,6‑四甲基‑3,5‑庚二酮酸)铋(III)的分隔空间、通入惰性气体的分隔空间、通入三甲基镓气体或其他镓前驱体气体的分隔空间、通入氧前驱体气体的分隔空间等四种分隔空间之间通过；F）当托盘和衬底转动达到设定的圈数时，停止转动，薄膜厚度达到所需值，停止通入铋前驱体、镓前驱体、氧前驱体，继续通入惰性气体，停止托盘和衬底，停止真空腔的加热进行自然冷却；G）真空腔达到或接近室温时，关闭真空泵，对真空反应腔进行充气使其气压达到一个大气压，取出已沉积得到BiGaO₃薄膜材料的衬底；H）将步骤G中得到的附着有BiGaO₃薄膜材料的衬底，放入快速退火炉中，进行快速热退火处理，自然冷却后取出。