压电薄膜ZnO、SBN的溅射法制备及其性能的研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种新型的Ⅱ—Ⅵ族直接带隙半导体材料，禁带宽度3.3eV。在太阳能电池、表面声波器件、气敏元件、压敏器件等领域有着广泛的应用以及在紫外探测器、LED、LD等领域有着潜在开发进展。铌酸锶钡(SrxBa1-xNb2O6，0.2＜r＜0.8，简称SBN:x)具有很高的线性电光效应和热释电效应，并且具有非常高的压电系数和光折变系数。可广泛地应用于铁电动态随机存储器DRAM、热释电红外探测器、铁电光波导电光调制器等集成电光器件方面。氮化钛（TiN）具有非常低的电阻率、优良的抗化学侵蚀和较好的冶金态稳定性，在微电子工业中，可以作为半导体器件的表面扩散势垒层、场效应晶体管的门电极、太阳能电池的电接触层。 本论文探讨了ZnO，SBN，TiN薄膜的磁控溅射法（sputtering）以及溶胶凝胶法（Sol-gel）生长技术及其原理。在磁控溅射法制备中，分别用Zn金属靶、SBN75陶瓷靶及Ti金属靶，制备出了ZnO、SBN和TiN薄膜。通过制备条件的选择，在Si（100）衬底上生长出高度c轴择优取向的ZnO，SBN，TiN薄膜。用X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、分光光度计等方法对制备的薄膜的结构性能、物理性能以及光学性能进行了表征。研究了各生长条件如混合气体比例，衬底温度，溅射功率，退火温度，缓冲层等参数对ZnO，SBN、TiN薄膜结晶以及择优取向性能的影响。 研究表明，对于ZnO薄膜，气体比例、溅射功率、衬底温度、退火温度等条件都将影响到Si衬底上长出c轴择优取向的ZnO薄膜的关键因素。在氧氩比1:2，射频溅射功率150W，衬底温度350℃，氧气氛中退火800℃的条件下，ZnO薄膜沿c轴择优取向达到最佳。对于SBN薄膜，K离子的掺入，使得长出c轴择优取向SBN薄膜成为可能，KSBN起到了一个改善衬底与薄膜之间的晶格失配的缓冲层的作用。利用KSBN为缓冲层，通过射频溅射，在Si（100）衬底上制备出c轴择优取向的SBN75薄膜。对于TiN薄膜，气体比例和直流溅射电流是影响Si（100）衬底上TiN薄膜c轴择优取向的重要条件。在直流溅射电流1.6A，衬底温度500℃，高纯N2中，直流溅射得到了TiN（002）的择优取向。 通过光度法利用Forouhi-Bloomer模型模拟得到不同制备条件下的ZnO薄膜的折射率，在λ=633nm，宝石sapphire上ZnO的折射率约为1.97，小于单晶ZnO的折射率（n=2），这是因为：（1）溅射生长出的ZnO薄膜由于高能溅射离子的轰击使薄膜中存在很多缺陷；（2）反应溅射中，到达衬底表面的锌原子与附着在衬底表面的氧气反应不完全，造成了薄膜中的缺氧现象，使ZnO薄膜的折射率的偏低。以ZnO作为波导层，SiO2作为缓冲层，设计了具有五层对称的薄膜波导结构，通过计算，给出ZnO波导理想状态下与缓冲层的最佳匹配关系。通过对计算出的理想结果与实际相结合，以及对ZnO实用化与损耗关系的研究，为其在电光波导调制器等微系统中的应用打下良好的基础。 ZnO、SBN及TiN薄膜在Si衬底上的生长使人们可以将这些光电子薄膜材料的优越性能与工业化，高技术化的硅工艺相结合，从而构建出一类既能发挥浙江人学硕卜学位论文摘要ZnO、SBN及TIN薄膜的优异性能又能利用先进的硅加工技术实现微型化与工业化的新型微电子集成系统。关键词:ZnO;SBN;TIN;磁控溅射;X射线衍射一二》

论文目录

• 摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 半导体压电材料ZnO
• 1.1.1 氧化锌（ZnO）的介绍
• 1.1.2 半导体材料ZnO的应用
• 1.2 铁电薄膜—铌酸锶钡（SBN）
• 1.2.1 铁电—硅基微集成系统
• 1.2.2 铌酸锶钡单晶的介绍
• 1.2.3 铌酸锶钡薄膜的研究现状
• 1.3 导电材料氮化钛TiN
• 1.4 本文的研究内容和创新点
• 参考文献
• 第二章 薄膜的制备
• 2.1 薄膜的制备
• 2.1.1 制备方法
• 2.1.2 ZnO薄膜的制备流程（RF Sputtering）
• 2.2 SBN薄膜的制备
• 2.3 TiN薄膜的制备
• 2.4 检测手段
• 参考文献：
• 第三章 薄膜结构性能测试与结果分析
• 3.1 ZnO薄膜在Si（100）衬底上的生长
• 2/Ar）对ZnO薄膜结晶的影响'>3.1.1 氧氩比（O₂/Ar）对ZnO薄膜结晶的影响
• 3.1.2 溅射功率对ZnO薄膜结晶的影响
• 3.1.3 衬底温度对ZnO薄膜结晶的影响
• 3.1.4 退火温度对ZnO薄膜结晶的影响
• 3.2 SBN薄膜在Si（100）衬底上的生长
• 3.2.1 射频溅射法制备SBN薄膜
• 3.2.2 射频溅射SBN中缓冲层的制备
• 3.2.3 利用KSBN为缓冲层制备SBN
• 3.3 TiN薄膜在Si（100）衬底上的生长
• 3.3.1 氮氩比对TiN薄膜结晶的影响
• 3.3.2 直流溅射电流对TiN薄膜结晶的影响
• 参考文献：
• 第四章 ZnO薄膜物理性能测试
• 4.1 ZnO薄膜的光学特性
• 4.2 ZnO波导损耗
• 参考文献：
• 第五章 总结与展望
• 5.1 对已完成工作的总结
• 5.2 存在的问题与发展方向
• 5.2.1 关于改进溅射工艺的一些建议
• 5.2.2 物理性能方面的测试
• 5.2.3 ZnO、SBN、TiN薄膜的应用前景
• 硕士期间完成的论文
• 致谢