專利名稱：一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化鈦制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦(TiO2)薄膜早在上世紀早期就被用作顏料和遮光劑。1972年，F(xiàn)ujishima等在發(fā)現(xiàn)TiO2具有光催化作用之后，各國科學家紛紛開始研究其性能，并把他們應用于殺癌細胞，以及廚房、浴室的除味。其原理為TiO2的禁帶寬度為3.2eV,當用等于或小于387.5nm的光照射時，能實現(xiàn)電子空穴對的分離，在電子和空穴到達離子表面后，能加速反應的進行，從而實現(xiàn)催化作用。TiO2因其穩(wěn)定性好、成本低和對人體無害等性質(zhì)使得它在光催化劑方面的發(fā)展比Sn02、W03、Z n03等物質(zhì)更好。摻雜后的TiO2的光激發(fā)源從紫外波段擴展到了可見光波段。在所有進行摻雜的材料中，氮的摻雜效果最好，它能使電離后的正負離子均能實現(xiàn)催化，優(yōu)于硫、氟、碳等非金屬離子的效果。目前已有的摻氮的方式是通過氨氣提供氮源，通過三種源的交替進入實現(xiàn)氮的摻入，摻雜后氮的含量約在I %左右，摻氮效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，使用該方法可以實現(xiàn)氮元素的高摻雜而且方法簡單，摻雜后的薄膜結(jié)構(gòu)完整，氮含量提升，性能顯著增加。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，包括如下步驟:步驟(I)，將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應腔中；步驟(2)，以氮氣為載氣向所述原子層沉積設(shè)備反應腔中通入含鈦源氣體，所述含鈦源氣體中的鈦原子吸附在所述硅襯底上；步驟(3)，向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入氮氣，同時進行等離子體放電，所述氮氣電離后部分氮原子與部分所述鈦原子形成共價鍵；步驟(4)，向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入含氧源，未與所述氮原子反應的鈦原子與所述含氧源中的氧原子形成鈦氧鍵；步驟(5)，重復步驟(2)、(3)、(4)即可逐層生長含氮原子的二氧化鈦薄膜。上述方案中，所述步驟(I)之前還包括:所述硅襯底的表面經(jīng)過標準液和氫氟酸處理，在所述娃襯底的表面形成娃氫鍵。上述方案中，所述步驟(2)中的含鈦源氣體為四氯化鈦。上述方案中，所述步驟⑵中氮氣的流量為Isccm-lOOOsccm，進氣時間為
0.1s-1 S，反應時間為ls-lOs，清洗時間為5s-60s，基盤溫度為100°C _500°C。上述方案中，所述步驟(2)中氮氣的流量為15sCCm，進氣時間為ls，反應時間為5s，清洗時間為20s，基盤溫度為300°C。
上述方案中，所述步驟(3)中氮氣的流量為lsccm-20sccm,等離子體放電功率為1W-100W，放電時間為ls-10s。上述方案中，所述步驟(3)中氮氣的流量為15SCCm，等離子體放電功率為40W，放電時間為2s。上述方案中，所述步驟⑷中的含氧源為水。與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下:本發(fā)明利用ALD設(shè)備對二氧化鈦薄膜進行氮摻雜，該方法簡單易行，利用原子層沉積單層循環(huán)生長的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的在整個結(jié)構(gòu)中摻氮，且摻雜后氮元素含量高。


圖1為本發(fā)明實施例中硅襯底表面經(jīng)過處理的形成S1-H鍵的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中向原子層沉積反應腔通入四氯化鈦的示意圖；圖3為本發(fā)明實施例中四氯化鈦和硅襯底表面發(fā)生反應，鈦原子吸附在硅襯底表面的不意圖；圖4為本發(fā)明實施例中氮氣電離后的氮原子部分沉積與娃襯底表面的鈦原子形成共價鍵的示意圖；圖5為本發(fā)明實施例中向原子層沉積反應腔通入水,娃襯底里表面未與氮原子反應的鈦原子與氧原子形成鈦-氧鍵的示意圖；圖6為本發(fā)明實施例中Iv反應周期結(jié)束后的不意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細描述。本發(fā)明實施例提供一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，具體包括如下步驟:
步驟101，通過標準液和氫氟酸處理硅襯底表面，在硅襯底表面形成硅氫鍵，如圖1所示，其中，標準液是指:I號液，濃硫酸:雙氧水=4: I ;2號液，氨水:純凈水:雙氧水=I: 5: I ；3號液，鹽酸:雙氧水:純凈水=1:1:6 ;將進行氫化處理后的硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應腔中；步驟102，開啟原子層沉積設(shè)備，調(diào)整工作參數(shù)，達到實驗所需工作環(huán)境；以氮氣為載氣，向原子層沉積反應腔中通入四氯化鈦飽和氣體，如圖2所示；四氯化鈦氣體和硅襯底表面發(fā)生反應，四氯化鈦中的鈦原子吸附在硅襯底上，反應式為:S1-H+T1-Cl — S1-Ti+HCl ，形成硅鈦鍵，如圖3所示；其中氮氣的流量為Isccm-lOOOsccm,優(yōu)選地為15sccm,進氣時間為0.ls_ls,優(yōu)選地為ls，反應時間為ls-lOs，優(yōu)選地為5s，清洗時間為5s-60s，優(yōu)選地為20s，基盤溫度為IOO0C _500°C，優(yōu)選地為 300°C ；步驟103，向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入氮氣，并進行等離子放電；電離產(chǎn)生的部分氮原子與硅襯底表面鈦原子發(fā)生反應，形成共價鍵，反應式為:T1-Cl+-N — T1-N-Cl，如圖4所示；其中氮氣的流量為l-20sccm，優(yōu)選地為15sccm ;等離子體放電功率為1W-100W，優(yōu)選地為40W，時間為ls-lOs，優(yōu)選地為2s ；
步驟104，向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入水，未與氮原子發(fā)生反應的鈦原子與水中的氧原子形成鈦-氧鍵，反應式為:T1-Cl+H20 — T1-OH+HCl丨，如圖5所示；步驟105，步驟102至步驟104這一反應周期結(jié)束后，如圖6所示，硅襯底表面全為氫原子，此時重復步驟102至步驟104，可以逐層生長含氮原子的二氧化鈦薄膜；氮原子沉積在每一層中的不同位置，數(shù)量少于氧的含量。本發(fā)明通過ALD逐層循環(huán)的生長方式生長二氧化鈦薄膜，在此期間通過載氣氮氣的電離來提供氮源，氮原子和襯底元素在相互作用下形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而在二氧化鈦薄膜生長的過程中逐漸插入氮原子，形成所需要的氮摻雜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)氮元素的高摻雜而且方法簡單，不需要進入第三種前驅(qū)體源，摻雜后的薄膜結(jié)構(gòu)完整，氮含量提升，性能顯著增加。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在 本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟(I)，將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應腔中； 步驟(2)，以氮氣為載氣向所述原子層沉積設(shè)備反應腔中通入含鈦源氣體，所述含鈦源氣體中的鈦原子吸附在所述硅襯底上； 步驟(3)，向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入氮氣，同時進行等離子體放電，所述氮氣電離后部分氮原子與部分所述鈦原子形成共價鍵； 步驟(4)，向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入含氧源，未與所述氮原子反應的鈦原子與所述含氧源中的氧原子形成鈦氧鍵； 步驟(5)，重復步驟(2)、(3)、(4)即可逐層生長含氮原子的二氧化鈦薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)之前還包括:所述硅襯底的表面經(jīng)過標準液和氫氟酸處理，在所述硅襯底的表面形成硅氫鍵。
3.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的含鈦源氣體為四氯化鈦。
4.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中氮氣的流量為Isccm-lOOOsccm，進氣時間為0.ls_ls，反應時間為ls_10s，清洗時間為5s-60s，基盤溫度為 100°C -500°C。
5.如權(quán)利要求4所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中氮氣的流量為15SCCm，進氣時間為ls，反應時間為5s，清洗時間為20s，基盤溫度為300°C。
6.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中氮氣的流量為lsccm-20sccm，等離子體放電功率為1W-100W，放電時間為ls_10s。
7.如權(quán)利要求6所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中氮氣的流量為15sCCm，等離子體放電功率為40W，放電時間為2s。
8.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中的含氧源為水。
全文摘要
本發(fā)明涉及二氧化鈦制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻氮二氧化鈦薄膜的制備方法。所述制備方法，包括如下步驟將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應腔中；以氮氣為載氣向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入含鈦源氣體，含鈦源氣體中的鈦原子吸附在硅襯底上；向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入氮氣，同時進行等離子體放電，氮氣電離后部分氮原子與部分鈦原子形成共價鍵；向原子層沉積設(shè)備反應腔中通入含氧源，未與氮原子反應的鈦原子與含氧源中的氧原子形成鈦氧鍵；重復上述步驟即可逐層生長含氮原子的二氧化鈦薄膜。本發(fā)明利用ALD設(shè)備對二氧化鈦薄膜進行氮摻雜，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的在整個結(jié)構(gòu)中摻氮，且摻雜后氮元素含量高，性能顯著增加。
文檔編號C23C16/40GK103205730SQ20121000771
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者夏洋, 饒志鵬, 萬軍, 李超波, 陳波, 劉鍵, 江瑩冰, 石莎莉, 李勇滔 申請人:中國科學院微電子研究所