磁控濺射TiO2薄膜的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度探究

劉長(zhǎng)青

摘 要：本文采用磁控濺射技術(shù)制備二氧化鈦薄膜，通過(guò)退火來(lái)實(shí)現(xiàn)二氧化鈦相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)采用射線衍射方法和掃描電鏡的手段對(duì)二氧化鈦薄膜的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)退火后的二氧化鈦薄膜結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出較好的致密性，;針對(duì)不同退火溫度條件下的二氧化碳薄膜相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，為二氧化鈦薄膜制備工藝優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：磁控濺射技術(shù);二氧化鈦薄膜

1、引言

新興產(chǎn)業(yè)的興起帶動(dòng)了半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。作為重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，二氧化鈦的化學(xué)穩(wěn)定性好，性價(jià)比高，在多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不同，因此不同結(jié)構(gòu)下的物理化學(xué)性能也有差異。為了更好地把握二氧化鈦薄膜產(chǎn)品的相結(jié)構(gòu)，本文對(duì)磁控濺射方法制備二氧化鈦薄膜的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，旨在更好地幫助企業(yè)及從業(yè)人員控制二氧化鈦晶型轉(zhuǎn)變，提升產(chǎn)品制備的工藝質(zhì)量。

2、試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)的主要設(shè)備為射頻磁控濺射設(shè)備、晶體振蕩膜厚測(cè)試儀、真空管式爐、掃描電鏡、X射線衍射儀。試驗(yàn)在常溫室內(nèi)的石英襯底上進(jìn)行二氧化鈦薄膜制備。采用超聲方式對(duì)二氧化鈦薄膜進(jìn)行丙酮、無(wú)水乙醇和純水中清洗，干凈后取出干燥，然后將二氧化鈦薄膜置入射頻磁控濺射設(shè)備真空濺射腔內(nèi)。靶材材質(zhì)為高純度的氧化鈦，濺射介質(zhì)為高純氬氣，本底真空度真空度二位5×10-4Pa，設(shè)備運(yùn)行時(shí)氣壓為0.6Pa，偏壓為35V，設(shè)備濺射功率為150W。然后利用晶體振蕩膜厚測(cè)試儀檢測(cè)二氧化鈦薄膜厚度為100nm。對(duì)制備好的二氧化鈦薄膜在真空管式爐中退火，退火介質(zhì)為空氣，退火溫度階梯設(shè)定，分別為400℃;500℃;600℃;700℃;800℃;退火處理的時(shí)間均為1h。利用掃描電鏡對(duì)不同退火溫度條件下的二氧化鈦薄膜進(jìn)行形貌表征。利用X射線衍射儀對(duì)不同退火溫度條件下的二氧化鈦薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，分析二氧化鈦薄膜相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

3、試驗(yàn)結(jié)果與討論

設(shè)備運(yùn)行氣壓0.6Pa，偏壓35V，濺射功率為150W條件下，石英襯底上沉積的二氧化鈦薄膜沉積厚度與時(shí)間表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，二氧化鈦薄膜沉積厚度隨之增加。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到沉積厚度和時(shí)間的線性擬合曲線，斜率即為二氧化鈦薄膜沉積速率，數(shù)值為（0.13±0.03）nm/min。

在不同退火溫度條件下，檢測(cè)到的二氧化鈦薄膜X射線圖譜表現(xiàn)出明顯差異。與未經(jīng)過(guò)退火處理的二氧化鈦薄膜X射線圖譜相比，譜線出現(xiàn)了特征衍射峰，表明經(jīng)過(guò)退火處理的二氧化鈦薄膜的相結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在未經(jīng)過(guò)退火處理時(shí)，二氧化鈦薄膜X射線圖譜在20°附近位置有很寬的峰;而在經(jīng)過(guò)退火處理后，二氧化鈦薄膜X射線圖譜在其他的位置出現(xiàn)特征衍射峰，這些特征衍射峰的位置與退火處理溫度相關(guān)，隨著退火溫度的不同而位置不同。當(dāng)退火溫度為400℃時(shí)，2θ數(shù)值為27.74°、32.40°、46.36°;當(dāng)退火溫度為500℃、600℃時(shí)，2θ數(shù)值為28.93°、37.35°、30.48°;當(dāng)退火溫度為700℃、800℃時(shí)，2θ數(shù)值為30.53°、63.46°;當(dāng)退火溫度超過(guò)800℃時(shí)，2θ數(shù)值發(fā)生大角度偏移。根據(jù)不同二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)物理化學(xué)性能，對(duì)上述不同退火溫度條件下得到的二氧化鈦薄膜X射線圖譜進(jìn)行分析，當(dāng)退火溫度為400℃時(shí)，二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)的特征譜線對(duì)應(yīng)銳鈦礦晶面;當(dāng)退火溫度為500℃、600℃時(shí)，二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)的特征譜線對(duì)應(yīng)銳鈦礦晶面和金紅石晶面;當(dāng)退火溫度為700℃、800℃時(shí)，二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)的特征譜線對(duì)應(yīng)金紅石晶面;當(dāng)退火溫度超過(guò)800℃時(shí)，可能是二氧化鈦薄膜晶體內(nèi)部具有殘余應(yīng)力，導(dǎo)致二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)特征譜線的衍射角度向大角度偏移。

利用公式計(jì)算不同退火溫度下二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)中不同礦相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，公式如下：

公式中，IR代表金紅石礦相的最大峰強(qiáng)度;IA代表銳鈦礦相的最大峰強(qiáng)度。結(jié)合上述公式，計(jì)算得出的結(jié)果與上述X射線圖譜檢測(cè)得到的結(jié)果吻合。當(dāng)退火溫度上升時(shí)，二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)中的銳鈦礦相含量減少，而二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)中的金紅石礦相含量增加。計(jì)算結(jié)果如下表。

由于二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)變化與晶格常數(shù)息息相關(guān)，因此退火溫度的不同很可能與晶格常數(shù)有關(guān)。銳鈦礦相的晶胞結(jié)構(gòu)為兩個(gè)八面體與周圍8個(gè)八面體相連，而金紅石礦相的晶胞結(jié)構(gòu)為每個(gè)八面體與周圍的10個(gè)八面體相連。金紅石礦相晶胞雖然具有一定的斜度，但是與銳鈦礦相的晶胞相比，方晶結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性更強(qiáng)。這很可能是磁控濺射二氧化鈦薄膜在不同退火溫度條件下晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的內(nèi)在原因，同時(shí)也決定了金紅石相結(jié)構(gòu)的二氧化鈦化學(xué)穩(wěn)定性更佳。

4、結(jié)語(yǔ)

本文采用磁控濺射技術(shù)制備二氧化鈦薄膜，通過(guò)退火來(lái)實(shí)現(xiàn)二氧化鈦相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)退火后得到的二氧化鈦薄膜結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出較好的致密性;在400℃退火溫度時(shí)，可得到單一的銳鈦礦相結(jié)構(gòu);隨著退火溫度升高可得到銳鈦礦相和金紅石相的混合結(jié)構(gòu);700℃退火溫度時(shí)，可得到單一的金紅石礦相結(jié)構(gòu)。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為二氧化鈦薄膜制備工藝提供參考。

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