離子束輔助沉積氮化鈦薄膜的能窗優(yōu)化.pdf

1、在薄膜生長過程中，離子束輔助沉積已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于制備具有高密度、均勻、形貌平整的外延薄膜。同時(shí)，為了生長高質(zhì)量的固體薄膜以及更好地理解外延薄膜的形成過程，大量的理論模型和實(shí)驗(yàn)技術(shù)正投入到此類低能離子束輔助轟擊的研究領(lǐng)域。 雖然載能離子轟擊的初衷是為了提高表面層吸附原子的遷移率，但是過高的能量會(huì)對(duì)襯底及薄膜內(nèi)部造成一定的負(fù)面影響，如：產(chǎn)生晶格損傷，結(jié)構(gòu)非晶化或粗糙的表面。因此，為了降低轟擊離子對(duì)薄膜以及襯底的損傷程度，離子同固體

2、表面的相互作用的研究就變得尤為重要。 本文在研究低能離子束輔助外延過程中，是以載能離子沿著直線路徑，經(jīng)過連續(xù)的二體碰撞將能量傳遞給靶原子，通過對(duì)約化核阻止本領(lǐng)的合理近似，計(jì)算得到了同靶材表面層和體內(nèi)原子位移有關(guān)的沉積能量，并導(dǎo)出一組簡化的方程式將其與入射離子的能量相關(guān)聯(lián)，形成入射離子能量的優(yōu)化窗口。當(dāng)載能轟擊粒子的入射能量在此能窗范圍內(nèi)，薄膜表層吸附原子的遷移率得以提高，同時(shí)又避免造成體內(nèi)原子層的損傷。在此理論模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算

3、得到Ar+輔助轟擊生長氮化鈦薄膜的優(yōu)化能窗：沿(111)晶向?yàn)?10eV,沿(200)晶向?yàn)?0eV。對(duì)于沿(111)和(200)擇優(yōu)取向的能窗寬度不同，可以由TiN薄膜在成膜過程中的各向異性來解釋。 隨后，在優(yōu)化能窗范圍內(nèi)，我們通過改變襯底偏壓的方法來調(diào)節(jié)入射離子能量，使用射頻(r.f)反應(yīng)磁控濺射沉積技術(shù)制備氮化鈦薄膜。通過X射線衍射(XRD)和原子力顯微鏡(AFM)等微結(jié)構(gòu)分析方法，研究了氮化鈦薄膜表面層固態(tài)結(jié)構(gòu)隨襯底偏壓

4、(即入射離子能量)的變化情況。發(fā)現(xiàn)沿(111)和(200)晶面方向擇優(yōu)生長的TiN層的點(diǎn)陣參數(shù)(a0)、衍射峰半高寬(FWHM)等變化同載能束(N2+)引起薄膜微觀相成分、晶面內(nèi)壓應(yīng)力、晶粒尺寸以及結(jié)構(gòu)缺陷密度緊密相關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析后證明，在低能離子束輔助沉積氮化鈦薄膜情況下，我們的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，理論預(yù)測在實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果中得到了定量解釋。 我們這里所采用的理論分析法也同時(shí)適用于其它采用離子束輔助沉積薄膜的能