磁控濺射TiO2薄膜的相結構轉變溫度探究

劉長青

摘 要：本文采用磁控濺射技術制備二氧化鈦薄膜，通過退火來實現二氧化鈦相結構的轉變，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構進行表征，結果表明：實驗退火后的二氧化鈦薄膜結構整體表現出較好的致密性，;針對不同退火溫度條件下的二氧化碳薄膜相結構進行了分析，為二氧化鈦薄膜制備工藝優化提供參考。

關鍵詞：磁控濺射技術;二氧化鈦薄膜

1、引言

新興產業的興起帶動了半導體材料產業的發展。作為重要的寬禁帶半導體材料，二氧化鈦的化學穩定性好，性價比高，在多個領域中得到廣泛應用。由于二氧化鈦的晶體結構表現不同，因此不同結構下的物理化學性能也有差異。為了更好地把握二氧化鈦薄膜產品的相結構，本文對磁控濺射方法制備二氧化鈦薄膜的相結構轉變溫度進行了實驗分析，旨在更好地幫助企業及從業人員控制二氧化鈦晶型轉變，提升產品制備的工藝質量。

2、試驗材料及方法

本試驗的主要設備為射頻磁控濺射設備、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備真空濺射腔內。靶材材質為高純度的氧化鈦，濺射介質為高純氬氣，本底真空度真空度二位5×10-4Pa，設備運行時氣壓為0.6Pa，偏壓為35V，設備濺射功率為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，退火介質為空氣，退火溫度階梯設定，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構進行檢測，分析二氧化鈦薄膜相結構的轉變過程。

3、試驗結果與討論

設備運行氣壓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出正相關關系。隨著沉積時間的延長，二氧化鈦薄膜沉積厚度隨之增加。根據試驗數據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射線圖譜表現出明顯差異。與未經過退火處理的二氧化鈦薄膜X射線圖譜相比，譜線出現了特征衍射峰，表明經過退火處理的二氧化鈦薄膜的相結構發生了變化。在未經過退火處理時，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特征衍射峰，這些特征衍射峰的位置與退火處理溫度相關，隨著退火溫度的不同而位置不同。當退火溫度為400℃時，2θ數值為27.74°、32.40°、46.36°;當退火溫度為500℃、600℃時，2θ數值為28.93°、37.35°、30.48°;當退火溫度為700℃、800℃時，2θ數值為30.53°、63.46°;當退火溫度超過800℃時，2θ數值發生大角度偏移。根據不同二氧化鈦的晶體結構物理化學性能，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，當退火溫度為400℃時，二氧化鈦薄膜晶體結構的特征譜線對應銳鈦礦晶面;當退火溫度為500℃、600℃時，二氧化鈦薄膜晶體結構的特征譜線對應銳鈦礦晶面和金紅石晶面;當退火溫度為700℃、800℃時，二氧化鈦薄膜晶體結構的特征譜線對應金紅石晶面;當退火溫度超過800℃時，可能是二氧化鈦薄膜晶體內部具有殘余應力，導致二氧化鈦薄膜晶體結構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構中不同礦相的質量分數，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。結合上述公式，計算得出的結果與上述X射線圖譜檢測得到的結果吻合。當退火溫度上升時，二氧化鈦薄膜晶體結構中的銳鈦礦相含量減少，而二氧化鈦薄膜晶體結構中的金紅石礦相含量增加。計算結果如下表。

由于二氧化鈦薄膜晶體結構變化與晶格常數息息相關，因此退火溫度的不同很可能與晶格常數有關。銳鈦礦相的晶胞結構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構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，方晶結構的對稱性更強。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構發生變化的內在原因，同時也決定了金紅石相結構的二氧化鈦化學穩定性更佳。

4、結語

本文采用磁控濺射技術制備二氧化鈦薄膜，通過退火來實現二氧化鈦相結構的轉變。結果表明：實驗退火后得到的二氧化鈦薄膜結構整體表現出較好的致密性;在400℃退火溫度時，可得到單一的銳鈦礦相結構;隨著退火溫度升高可得到銳鈦礦相和金紅石相的混合結構;700℃退火溫度時，可得到單一的金紅石礦相結構。這一實驗結果可為二氧化鈦薄膜制備工藝提供參考。

參考文獻

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