劉長青

摘 要：本文采用磁控濺射技術(shù)制備二氧化鈦薄膜，通過退火來實現(xiàn)二氧化鈦相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，實驗采用射線衍射方法和掃描電鏡的手段對二氧化鈦薄膜的相結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果表明：實驗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，;針對不同退火溫度條件下的二氧化碳薄膜相結(jié)構(gòu)進行了分析，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，性價比高，在多個領(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)變溫度進行了實驗分析，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、試驗材料及方法

本試驗的主要設(shè)備為射頻磁控濺射設(shè)備、晶體振蕩膜厚測試儀、真空管式爐、掃描電鏡、X射線衍射儀。試驗在常溫室內(nèi)的石英襯底上進行二氧化鈦薄膜制備。采用超聲方式對二氧化鈦薄膜進行丙酮、無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)備運行時氣壓為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試儀檢測二氧化鈦薄膜厚度為100nm。對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℃;退火處理的時間均為1h。利用掃描電鏡對不同退火溫度條件下的二氧化鈦薄膜進行形貌表征。利用X射線衍射儀對不同退火溫度條件下的二氧化鈦薄膜結(jié)構(gòu)進行檢測，分析二氧化鈦薄膜相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程。

3、試驗結(jié)果與討論

設(shè)備運行氣壓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間表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。隨著沉積時間的延長，二氧化鈦薄膜沉積厚度隨之增加。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到沉積厚度和時間的線性擬合曲線，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)過退火處理時，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，2θ數(shù)值為27.74°、32.40°、46.36°;當(dāng)退火溫度為500℃、600℃時，2θ數(shù)值為28.93°、37.35°、30.48°;當(dāng)退火溫度為700℃、800℃時，2θ數(shù)值為30.53°、63.46°;當(dāng)退火溫度超過800℃時，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射線圖譜進行分析，當(dāng)退火溫度為400℃時，二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)的特征譜線對應(yīng)銳鈦礦晶面;當(dāng)退火溫度為500℃、600℃時，二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)的特征譜線對應(yīng)銳鈦礦晶面和金紅石晶面;當(dāng)退火溫度為700℃、800℃時，二氧化鈦薄膜晶體結(jié)構(gòu)的特征譜線對應(yīng)金紅石晶面;當(dāng)退火溫度超過800℃時，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度;IA代表銳鈦礦相的最大峰強度。結(jié)合上述公式，計算得出的結(jié)果與上述X射線圖譜檢測得到的結(jié)果吻合。當(dāng)退火溫度上升時，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)為兩個八面體與周圍8個八面體相連，而金紅石礦相的晶胞結(jié)構(gòu)為每個八面體與周圍的10個八面體相連。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)的對稱性更強。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

本文采用磁控濺射技術(shù)制備二氧化鈦薄膜，通過退火來實現(xiàn)二氧化鈦相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明：實驗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，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，可得到單一的金紅石礦相結(jié)構(gòu)。這一實驗結(jié)果可為二氧化鈦薄膜制備工藝提供參考。

參考文獻

[1] 二氧化鈦薄膜制備工藝的研究進展，張帥，張立生，李慧，等，《無機鹽工業(yè)》，2019（7）

[2] 氮氣流量和退火處理對射頻磁控濺射氮摻雜二氧化鈦薄膜性能的影響，楊勇，汪冰潔，姚婷婷，等，《材料科學(xué)與工程學(xué)報》，2019（3）

[3] 磁控濺射中濺射功率對TiO2薄膜質(zhì)量影響的研究，李金玉，《國際公關(guān)》，2019（03）