專(zhuān)利名稱(chēng)：鉻摻雜氮化鈦磁性半導(dǎo)體多晶薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉻摻雜氮化鈦磁性半導(dǎo)體多晶薄膜的制備方法，更具體地，是一種具
有稀磁半導(dǎo)體特性的薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，由于在磁信息存儲(chǔ)和讀取方面具有巨大的應(yīng)用前景，自旋電子學(xué)材料備 受關(guān)注。2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了自旋電子學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者Albert Fert和Peter Grtoberg兩位教授。現(xiàn)在，如何獲取高自旋極化的電流仍然是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題 之一。獲得高自旋注入的辦法主要有選擇高自旋極化率的電極材料和制備稀磁性半導(dǎo)體材 料。 稀磁半導(dǎo)體是指由磁性過(guò)渡族金屬元素或者稀土金屬元素部分替代半導(dǎo)體中的 非磁性元素后形成的一類(lèi)新型半導(dǎo)體材料。目前，廣泛研究的稀磁半導(dǎo)體主要包括II-VI 族稀磁半導(dǎo)體，如(Cd，Mn)Te等；III-V族稀磁半導(dǎo)體，如(Ga，Mn)As和(Ga，Mn)N等；金屬 氧化物稀磁半導(dǎo)體，如Mn:ZnO和Co:Ti(^等。由于氧化物的電阻率比較高所以在實(shí)際應(yīng)用 中存在困難。 氮化鈦晶體屬立方晶系，面心立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a = 0. 42173nm。氮化鈦薄膜 具有優(yōu)異的機(jī)械、熱、電和防腐性能，由于硬度高、摩擦系數(shù)低，被廣泛用作模具、刀具等的 耐磨改性層；由于抗磨損、防腐性能好、熔點(diǎn)高、高溫穩(wěn)定性好，被廣泛用于飛行器和火箭等 航空航天零部件；由于導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，在微電子領(lǐng)域中常用作阻擋層。如果將磁性元素 摻雜到氮化鈦體系中，如能獲得即具有磁性有導(dǎo)電的材料，將會(huì)推動(dòng)氮化鈦材料的新用途。
目前，國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)報(bào)道中只有日本的K. I皿maru等人在APPLIED PHYSICS LETTERS91， 152501 (2007)上報(bào)道的采用脈沖激光沉積方法制備高Cr含量摻雜的TiN外 延薄膜中發(fā)現(xiàn)和鐵磁性和磁電阻現(xiàn)象；為了對(duì)比研究，他們還在PHYSICAL REVIEW B 78， 052406 (2008)上報(bào)道了采用化學(xué)方法制備的高Cr含量摻雜的TiN固溶體中發(fā)現(xiàn)了同樣的 現(xiàn)象。但是樣品的居里溫度低于室溫，不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。另外，實(shí)際應(yīng)用中多以薄 膜材料為主，制備方法多采用濺射法。但到目前為止并沒(méi)有關(guān)于采用濺射法制備Cr摻雜多 晶TiN薄膜的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
從工業(yè)化生產(chǎn)的角度來(lái)講，需要使用濺射法來(lái)制備樣品；從實(shí)際應(yīng)用上需要制備 的樣品具有室溫鐵磁性。本發(fā)明即從以上兩個(gè)目的出發(fā)，開(kāi)發(fā)了反應(yīng)磁控濺射法制備Cr摻 雜的多晶TiN薄膜材料，并且具有室溫鐵磁性。 本發(fā)明在制備Cr摻雜的多晶TiN薄膜時(shí)，所采用的基底材料為玻璃襯底。
本發(fā)明的具體制備方法是經(jīng)過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的一種鉻摻雜氮化鈦磁性半導(dǎo)體多晶薄膜的制備方法，其特征是步驟如 下
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1)采用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-I型超高真空對(duì)向靶磁控濺射 鍍膜機(jī)，在對(duì)向的靶頭上安裝一對(duì)純度為99. 99%的Ti靶，一頭作為磁力線的N極，另一頭 為S極；靶材的厚度為5mm，直徑為100mm ;在Ti靶的表面放上Cr片；兩個(gè)靶之間的距離為 lOOmm，耙的軸線與樣品架之間的距離為100mm ; 2)將基底材料表面雜質(zhì)清除后，安裝在對(duì)向靶連線的中垂線上； 3)開(kāi)啟DPS-I對(duì)向靶磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，
直至濺射室的背底真空度為2X 10—4Pa ; 4)向真空室通入純度為99. 999X的Ar(15sccm)和N2(15sccm)的混合氣體，將真 空度保持在1Pa ; 5)開(kāi)啟濺射電源，在一對(duì)Ti靶上施加0. 3A的電流和500V左右的直流電壓，預(yù)濺 射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定； 6)打開(kāi)基片架上的檔板開(kāi)始濺射，基片位置固定；濺射過(guò)程中，基底不加熱；
7)濺射結(jié)束后，關(guān)閉基片架上的檔板，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar 和N2，完全打開(kāi)閘板閥，繼續(xù)抽真空，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)；待系統(tǒng)冷卻后，向真空室充入純度 為99. 999%的氮?dú)猓蜷_(kāi)真空室，取出樣品。所述Cr片面積為9mm2， Cr片數(shù)量為16片，樣品中Cr的含量為14%。 本發(fā)明所涉及的Cr摻雜多晶TiN薄膜在電子學(xué)器件上具有潛在的應(yīng)用，并且本發(fā)
明采用反應(yīng)濺射法是工業(yè)上生產(chǎn)薄膜材料的常用手段、耙材選擇簡(jiǎn)單和靶材使用率較高等優(yōu)點(diǎn)。 與其它方法制備的Cr摻雜的TiN薄膜的方法相比，本發(fā)明所制備的薄膜具有室溫 鐵磁性，所采用的方法簡(jiǎn)單實(shí)用，有利于在工業(yè)生產(chǎn)上的推廣。具體如下
1 、本發(fā)明所制備樣品的居里溫度高于室溫，與K. I皿maru等人在APPLIED PHYSICSLETTERS 91， 152501 (2007)和PHYSICAL REVIEW B 78,052406(2008)上報(bào)道的結(jié)果 相比，本發(fā)明中的材料居里溫度更高，高于室溫，有利于在實(shí)際電子學(xué)器件上的應(yīng)用。
2、由于目前工業(yè)化生產(chǎn)所采用的主要方法是濺射法，本發(fā)明所采用的反應(yīng)濺射 法，與與K. I皿maru等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 91， 152501 (2007)和PHYSICAL REVIEWB 78， 052406 (2008)上報(bào)道的脈沖激光沉積和化學(xué)方法相比，在工業(yè)化生產(chǎn)上具有 明顯優(yōu)勢(shì)。


圖1給出了本發(fā)明中制備的Cr摻雜多晶TiN薄膜的X射線衍射譜，其中Cr含量 x = 14%。 圖2給出了本發(fā)明制備的Cr摻雜多晶TiN薄膜的電阻隨溫度的變化關(guān)系曲線，其 中Cr含量x = 14%。 圖3給出了本發(fā)明中制備的Cr摻雜多晶TiN薄膜的磁化曲線，其中Cr含量x = 14%。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)我們對(duì)本發(fā)明中所制備的樣品進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析，下面將對(duì)向靶反應(yīng)濺射方法制備Cr摻雜多晶TiN薄膜的最佳實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明 1)采用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-I型超高真空對(duì)向靶磁控濺射 鍍膜機(jī)，在對(duì)向的靶頭上安裝一對(duì)純度為99. 99X的Ti耙，一頭作為磁力線的N極，另一 頭為S極；靶材的厚度為5mm，直徑為100mm ;在Ti靶的表面均勻放上Cr片(Cr片面積為 9mm2) ， Cr片數(shù)量分別為16片，樣品中Cr的含量為14% ;兩個(gè)靶之間的距離為lOOmm，靶的 軸線與樣品架之間的距離為lOOmm。 2)將基底材料表面雜質(zhì)清除后，安裝在對(duì)向靶連線的中垂線上； 3)開(kāi)啟DPS-I對(duì)向靶磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，
直至濺射室的背底真空度為2X 10—4Pa ; 4)向真空室通入純度為99. 999X的Ar(15sccm)和N2(15sccm)的混合氣體，將真 空度保持在1Pa。 5)開(kāi)啟濺射電源，在一對(duì)Ti靶上施加0. 3A的電流和500V左右的直流電壓，預(yù)濺 射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定； 6)打開(kāi)基片架上的檔板開(kāi)始濺射，基片位置固定；濺射過(guò)程中，基底不加熱；
7)濺射結(jié)束后，關(guān)閉基片架上的檔板，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar 和N2，完全打開(kāi)閘板閥，繼續(xù)抽真空，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)；待系統(tǒng)冷卻后，向真空室充入純度 為99. 999%的氮?dú)?，打開(kāi)真空室，取出樣品。 為確認(rèn)本發(fā)明最佳的實(shí)施方案，我們對(duì)本發(fā)明所制備的薄膜進(jìn)行了X射線衍射， 磁性質(zhì)和電輸運(yùn)特性的測(cè)量。 圖1給出了本發(fā)明中制備的Cr摻雜多晶TiN薄膜的X射線衍射譜，其中Cr含量 x=14%。從圖中可以看出，樣品的衍射峰分別位于43.03。 、62.56°和94.63° ，對(duì)應(yīng)于 TiN(200)、(220)和(400)晶面。并且對(duì)應(yīng)于(200)晶面的衍射峰遠(yuǎn)強(qiáng)于其它衍射峰，說(shuō)明 制備的薄膜沿著(200)取向生長(zhǎng)。 圖2給出了本發(fā)明制備的Cr摻雜多晶TiN薄膜的電阻率隨溫度的變化關(guān)系曲線， 其中Cr含量x二 14%。從圖中可以看出，所有樣品的電阻率均隨著溫度的降低而升高，表 現(xiàn)為半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。 圖3給出了本發(fā)明中制備的Cr摻雜多晶TiN薄膜的室溫磁化曲線，其中Cr含量x =14%。從磁化曲線上可以看出，樣品在室溫時(shí)為鐵磁性，說(shuō)明樣品的居里溫度高于室溫。
本發(fā)明提出的鉻摻雜氮化鈦磁性半導(dǎo)體多晶薄膜的制備方法，已通過(guò)實(shí)施例進(jìn)行 了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明的內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的內(nèi)容進(jìn) 行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。特別需要指出的是，所有相類(lèi)似的替換和改動(dòng)對(duì) 本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，他們都被視為包括在本發(fā)明的精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
一種鉻摻雜氮化鈦磁性半導(dǎo)體多晶薄膜的制備方法，其特征是步驟如下1)采用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-I型超高真空對(duì)向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，在對(duì)向的靶頭上安裝一對(duì)純度為99.99％的Ti靶，一頭作為磁力線的N極，另一頭為S極；靶材的厚度為5mm，直徑為100mm；在Ti靶的表面放上Cr片，通過(guò)改變Cr片數(shù)量來(lái)改變樣品中Cr的含量；兩個(gè)靶之間的距離為100mm，靶的軸線與樣品架之間的距離為100mm；2)將基底材料表面雜質(zhì)清除后，安裝在對(duì)向靶連線的中垂線上；3)開(kāi)啟DPS-I對(duì)向靶磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度為2×10-4Pa；4)向真空室通入純度為99.999％的Ar(15sccm)和N2(15sccm)的混合氣體，將真空度保持在1Pa；5)開(kāi)啟濺射電源，在一對(duì)Ti靶上施加0.3A的電流和500V左右的直流電壓，預(yù)濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；6)打開(kāi)基片架上的檔板開(kāi)始濺射，基片位置固定；濺射過(guò)程中，基底不加熱；7)濺射結(jié)束后，關(guān)閉基片架上的檔板，然后關(guān)閉濺射電源，停止通入濺射氣體Ar和N2，完全打開(kāi)閘板閥，繼續(xù)抽真空，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)；待系統(tǒng)冷卻后，向真空室充入純度為99.999％的氮?dú)?，打開(kāi)真空室，取出樣品。
2. 如權(quán)利要求1所述的鉻摻雜氮化鈦磁性半導(dǎo)體多晶薄膜的制備方法，其特征是所述 Cr片面積為9mm2， Cr片數(shù)量為16片時(shí)，樣品中的Cr含量為14%。
全文摘要
本發(fā)明涉及鉻摻雜氮化鈦磁性半導(dǎo)體多晶薄膜的制備方法，采用超高真空對(duì)向靶磁控濺射鍍膜機(jī)，在對(duì)向的靶頭上安裝一對(duì)純度為99.99％的Ti靶，在Ti靶的表面放上Cr片，開(kāi)啟對(duì)向靶磁控濺射設(shè)備，先后啟動(dòng)一級(jí)機(jī)械泵和二級(jí)分子泵抽真空，直至濺射室的背底真空度為2×10-4Pa；向真空室通入Ar和N2的混合氣體，將真空度保持在1Pa；開(kāi)啟濺射電源，在一對(duì)Ti靶上施加0.3A的電流和500V左右的直流電壓，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；濺射結(jié)束后，停止通入濺射氣體Ar和N2，完全打開(kāi)閘板閥，繼續(xù)抽真空，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)；打開(kāi)真空室，取出樣品。與其它方法制備的Cr摻雜的TiN薄膜的方法相比，本發(fā)明所制備的薄膜具有室溫鐵磁性，采用的方法簡(jiǎn)單實(shí)用，有利于在工業(yè)生產(chǎn)上的推廣。
文檔編號(hào)C23C14/06GK101736303SQ200910229130
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者葉天宇, 白海力, 米文搏 申請(qǐng)人:天津大學(xué)