射頻磁控濺射法沉積氮化銅納米薄膜及PLZT薄膜.pdf

1、Cu3N薄膜由于其特殊的結(jié)構(gòu)以及較低的熱分解溫度在光存儲、微電子等半導(dǎo)體領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，近些年來受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。本研究采用射頻磁控反應(yīng)濺射手段，通過改變?yōu)R射氣氛、靶基距、濺射功率、襯底溫度等實驗參數(shù)在玻璃襯底上制備了系列Cu3N薄膜，運用X-射線衍射儀(XRD)、紫外可見分光光度計(UV-VIS)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X-射線光電子能譜儀(XPS)等手段對Cu3N薄膜進行了較

2、為全面的表征。 在純N2氣氛中，襯底溫度為150℃時沉積的Cu3N薄膜結(jié)晶良好，只有(100)衍射峰薄膜中N的相對量較多，多余的N以無定形態(tài)存在于晶界；晶格常數(shù)隨氣流量增加而增大，可能有N原子進入了立方Cu3N晶格的體心間隙位置；所有薄膜的晶格常數(shù)都遠小于所謂的臨界值3.868A，并且是絕緣體薄膜，所以我們認為沒有Cu原子進入體心間隙位置。在濺射氣氛中引入Ar氣時發(fā)現(xiàn)，隨著總氣流量的減小，薄膜中出現(xiàn)(111)衍射峰的N2分壓逐漸

3、增加。 靶基距對Cu3N薄膜的形成也有較大的影響。當靶基距≥40mm時，純N2氣氛中在不加熱襯底上沉積的Cu3N薄膜是非晶態(tài)，而當靶基距減小至35mm時，同樣條件下沉積的Cu3N可以很好的結(jié)晶。濺射氣氛中有一定比例的Ar氣時，在較大的靶基距時不加熱襯底上能夠沉積上結(jié)晶性較好的Cu3N薄膜。當濺射氣氛中有Ar氣的情況下，靶基距較大時沉積的Cu3N薄膜是絕緣體薄膜，而較小靶基距時沉積的Cu3N薄膜有可能是半導(dǎo)體，這取決于濺射氣氛中A

4、r的比例和襯底溫度兩個因素，半導(dǎo)體的電阻率從幾十Ω.cm到1000C.cm左右。 總體上純N2氣氛下沉積的Cu3N薄膜晶格常數(shù)較小，而濺射氣氛中有Ar氣時沉積的Cu3N薄膜的晶格常數(shù)較大，所以我們認為當濺射氣氛中有Ar氣的時候，濺射過程中高能Ar粒子會將Cu原子“敲擊”進入正常晶格格點以及間隙位置、晶界等，Cu3N薄膜的導(dǎo)電性就是由于進入體心間隙位置的Cu原子提供的電子載流子。隨著襯底溫度的升高，Cu3N薄膜的晶格常數(shù)減小，這說

5、明進入體心間隙位置的原子隨襯底溫度的升高而減少，在不加熱襯底上沉積的Cu3N薄膜晶格常數(shù)最大。 H元素比較容易摻入Cu3N的體心間隙位置，并且作為施主提供載流子，隨著濺射氣氛中H2氣比例的增大，Cu3N薄膜的電阻率急劇減小。并且H元素對Cu3N薄膜的間接光學(xué)能隙影響較大，隨著摻入H的增加，間接光學(xué)能隙減小，且間接光學(xué)能隙都小于leV。Ti元素摻入后，薄膜的晶格常數(shù)與未摻雜的Cu3N薄膜相比變化不大，所有摻雜Ti元素的Cu3N薄膜

6、都是絕緣體。同時發(fā)現(xiàn)對襯底加熱后摻雜Ti元素的Cu3N薄膜的晶格常數(shù)變化規(guī)律與未摻雜的樣品一致，所以我們認為Ti元素并未進入Cu3N的體心間隙位置，Ti元素可能只是以無定形態(tài)存在于晶界。Ni元素摻入后，Cu3N薄膜的晶格常數(shù)較大，且薄膜的導(dǎo)電性較好，是半導(dǎo)體，從晶格常數(shù)和導(dǎo)電性來判斷，Ni元素有可能進入了Cu3N的體心間隙位置作為施主提供導(dǎo)電載流子；Ni元素摻雜后Cu3N薄膜的間接光學(xué)能隙并未受到Ni元素的調(diào)節(jié)，基本上保持在1.0eV左

7、右，而電阻率則有較大的變化。 XPS對Cu3N薄膜中各元素的化學(xué)狀態(tài)分析表明，未摻雜的Cu3N薄膜中N1s電子的結(jié)合能在397.1～397.9eV之間，Cu2p3/2電子的結(jié)合能在932.3～933.1eV之間；H元素摻雜的Cu3N薄膜中Nls電子的結(jié)合能在397.7～399.1eV之間，Cu2p3/2電子的結(jié)合能在932.8～933.1eV之間。未摻雜絕緣體Cu3N薄膜的間接光學(xué)能隙在1.5～1.7eV，而未摻雜半導(dǎo)體Cu3N

8、薄膜的間接光學(xué)能隙在1.2～1.5eV之間。未摻雜Cu3N薄膜的熱分解溫度在300℃左右，而摻雜H元素的Cu3N薄膜的熱分解溫度從150℃就開始分解，250℃左右完全分解。 鐵電存儲材料具有非揮發(fā)性、存取速度快及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點受到廣大科研工作者的廣泛研究，目前含Pb系列鐵電材料是鐵電性能最好的材料，我們采用射頻磁控反應(yīng)濺射技術(shù)，在不加熱ITO/玻璃襯底上沉積了(Pbx,Lal-x)(Zry,Tiz)03，簡稱PLZT鐵電薄膜

9、，通過在薄膜表面覆蓋PbO的方法進行熱處理，得到了結(jié)晶良好的鈣鈦礦相PLZT薄膜，焦綠石相是形成鈣鈦礦相的過渡結(jié)構(gòu)。 薄膜中缺鉛是導(dǎo)致形成焦綠石相結(jié)構(gòu)的主要因素，600℃以上熱處理就有嚴重失鉛現(xiàn)象，使薄膜無法在空氣中熱處理形成鈣鈦礦相。PbO覆蓋能夠有效地防止熱處理過程中Pb的揮發(fā)，同時還能通過擴散來彌補膜中Pb的不足，甚至造成膜中Pb過量，多余的Pb以PbO的形式存在于晶界和界面上，降低了晶化能，使得在較低溫度(600℃)就能