本發(fā)明涉及一種單一取向薄膜及其制備方法，更具體地說(shuō)涉及一種生長(zhǎng)在硅襯底上的(100)高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

氮化鈦晶體是面心立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為0.4239nm，其含氮量在一定范圍內(nèi)的變化不會(huì)引起氮化鈦晶格結(jié)構(gòu)的改變。氮化鈦薄膜具有優(yōu)秀的熱、電、機(jī)械性能。它擁有良好的導(dǎo)電率、高熔點(diǎn)以及良好的化學(xué)相容性，并且和某些壓電、鐵電材料(如鋯鈦酸鉛pzt，晶格常數(shù)為0.4055nm)有著較小的失配度，可以為壓電、鐵電薄膜提供一定的取向控制作用，是非常好的底電極材料；同時(shí)，由于其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，可以作為微電子器件中的阻擋層；因?yàn)榈伇∧ぴ诳梢?jiàn)光區(qū)有較高的透射率在近紅外區(qū)有較高的反射率，有利于形成該波段的表面等離子體，它也可以作為新型光電器件的重要部件。

目前常見(jiàn)的氮化鈦薄膜的生長(zhǎng)方式有有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(mocvd)、常壓化學(xué)氣相沉積法(apcvd)、脈沖激光沉積(pld)等。但是這些方法中，由于由mocvd制作的氮化鈦薄膜中含有較多的碳和氫雜質(zhì)，很難完全消除，這影響了氮化鈦薄膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；而apcvd得到的薄膜質(zhì)量和均勻性均較差，很難滿(mǎn)足高質(zhì)量的氮化鈦薄膜生長(zhǎng)要求；常見(jiàn)的pld方法也未有系統(tǒng)的高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜的制備工藝報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種生長(zhǎng)在硅襯底上的(100)高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜及其制備方法，采用磁控濺射法，靶材利用率高，應(yīng)用廣泛且便于操作，制備成了具有(100)高度擇優(yōu)取向的低電阻率氮化鈦薄膜。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一、一種生長(zhǎng)在硅襯底上的(100)高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜的制備方法

1)采用單面拋光的基片作為襯底，選用超高真空磁控濺射設(shè)備，將經(jīng)過(guò)rca標(biāo)準(zhǔn)清洗的基片放置于旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)整基片與靶材之間的距離；

2)蓋上真空腔蓋，抽取本底真空，通入氮?dú)夂蜌鍤?，選取直流磁控濺射模式，進(jìn)行磁控濺射；

3)磁控濺射后，停止通入氮?dú)夂蜌鍤猓檎婵蘸筮M(jìn)行真空退火；

4)真空退火后關(guān)閉分子泵，待降溫至100至150度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品，獲得所述氮化鈦薄膜。

所述步驟2)進(jìn)行磁控濺射時(shí)調(diào)整濺射薄膜時(shí)的溫度、氮?dú)鈿鍤饬髁勘壤涂偭髁恳约俺檎婵胀嘶鹗沟米罱K制成所述氮化鈦薄膜，并通過(guò)控制濺射功率、工作電壓和濺射時(shí)間控制薄膜的厚度。

所述氮化鈦薄膜具有(100)的高度擇優(yōu)取向，電阻率小于200μohm/cm。

所述的基片采用(100)晶向硅片，所述靶材為金屬鈦。

所述的鈦靶為純度99.999％，直徑三英寸，厚度5mm的圓柱形靶材。

所述步驟2)中本底真空度為5×10^-6pa到2×10^-5pa。

所述步驟2)通入的氮?dú)饬髁亢蜌鍤饬髁勘葹?：9，氮?dú)饬髁繛?sccm，氬氣流量為36sccm，總流量為40sccm，真空腔內(nèi)保持0.15pa的真空度。

所述步驟2)磁控濺射時(shí)基片溫度在750-850攝氏度范圍。

所述步驟2)磁控濺射時(shí)濺射功率為80到120w，工作電壓為250到350v，施加的電流為0.25至0.48a。

所述步驟2)在進(jìn)行磁控濺射前，需要對(duì)鈦靶進(jìn)行預(yù)轟擊，即對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)濺射，功率為80到120w，時(shí)長(zhǎng)為10到20分鐘。

所述步驟3)抽真空退火時(shí)真空度保持1×10^-5pa，基片溫度保持在750-850攝氏度，經(jīng)過(guò)20分鐘后完成真空退火。

濺射時(shí)所述氮化鈦薄膜厚度由真空腔內(nèi)的晶振檢測(cè)，實(shí)時(shí)控制薄膜的生長(zhǎng)情況。

二、一種生長(zhǎng)在硅襯底上的(100)高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜：

所述氮化鈦薄膜由上述方法制成，所述氮化鈦薄膜的化學(xué)式為tinx，其中0.5＜x＜1.5，具有(100)的高度擇優(yōu)取向，典型電阻率小于200μohm/cm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、采用磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)氮化鈦薄膜，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可以控制薄膜的生長(zhǎng)情況和性能參數(shù)，可以和其他薄膜的生長(zhǎng)兼容，為外延層的生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)。

2、使用該制備方法得到的氮化鈦薄膜具有(100)的高度擇優(yōu)取向，且能保證擁有小于200μohm/cm的電阻率，該類(lèi)氮化鈦薄膜無(wú)論作為底電極還是光電材料都具有廣泛的應(yīng)用范圍和重要的應(yīng)用價(jià)值。

3、采用硅作為襯底，容易獲得，成本低廉，并且在其(100)晶面上生長(zhǎng)可以獲得良好的(100)擇優(yōu)取向的氮化鈦晶體。

附圖說(shuō)明

圖1是制備得到的氮化鈦薄膜a的消除背景后的x射線(xiàn)衍射圖；

圖2是制備得到的氮化鈦薄膜b的消除背景后的x射線(xiàn)衍射圖；

圖3是制備得到的氮化鈦薄膜c的消除背景后的x射線(xiàn)衍射圖；

圖4是制備得到的氮化鈦薄膜d的消除背景后的x射線(xiàn)衍射圖；

圖5是制備得到的氮化鈦薄膜e的消除背景后的x射線(xiàn)衍射圖；

圖6是制備得到的氮化鈦薄膜f的消除背景后的x射線(xiàn)衍射圖；

圖7是制備得到的氮化鈦薄膜g的消除背景后的x射線(xiàn)衍射圖；

圖8是制備的(100)高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜a的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明的實(shí)施例如下：

本發(fā)明的以下所有實(shí)施例中的磁控濺射鍍膜機(jī)均采用的是沈陽(yáng)真空技術(shù)研究所研制的可調(diào)三靶超真空磁控濺射鍍膜設(shè)備。

實(shí)施例1

1)采用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗單拋的兩寸(100)晶向硅片作為襯底；

2)將硅片襯底放入磁控濺射腔體的旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)節(jié)加熱臺(tái)面使得襯底與鈦靶的距離保持在15cm，硅片的拋光面對(duì)著鈦靶；

3)先后啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10^-6pa到2×10^-5pa；

4)向真空腔內(nèi)通入氮?dú)夂蜌鍤猓獨(dú)饬髁繛?sccm，氬氣流量為36sccm，總流量為40sccm，氮?dú)鈿鍤饬髁勘葹?：9，并使得腔內(nèi)真空度保持在0.15pa；

5)將旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面升溫至800攝氏度；

6)開(kāi)啟直流濺射電源，預(yù)轟擊鈦靶進(jìn)行預(yù)濺射，功率為100w，時(shí)長(zhǎng)為20分鐘；

7)打開(kāi)覆蓋在襯底表面的擋板，進(jìn)行直流磁控濺射，濺射功率為100w，保持溫度不變，襯底位置固定，生長(zhǎng)薄膜60分鐘；

8)停止通入氮?dú)夂蜌鍤猓掷m(xù)抽真空，并將襯底溫度維持在800攝氏度，進(jìn)行真空退火20分鐘；

9)完成真空退火后，關(guān)閉分子泵，同時(shí)停止加熱，待降溫至100度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品。

本實(shí)施例制備得到的氮化鈦薄膜a不僅擁有195μohm/cm的電阻率，其x射線(xiàn)衍射圖(圖1)也表明氮化鈦薄膜a擁有(100)的高度擇優(yōu)取向。圖1中僅出現(xiàn)了氮化鈦的(200)晶面的衍射峰，充分說(shuō)明樣品是沿著(200)方向外延生長(zhǎng)的。圖8給出了氮化鈦薄膜a的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片，由圖可見(jiàn)膜層的均勻性較好，且厚度與晶振測(cè)得的數(shù)據(jù)基本相符。

對(duì)比實(shí)施例1

1)采用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗單拋的兩寸(100)晶向硅片作為襯底；

2)將硅片襯底放入磁控濺射腔體的旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)節(jié)加熱臺(tái)面使得襯底與鈦靶的距離保持在15cm，硅片的拋光面對(duì)著鈦靶；

3)先后啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10^-6pa到2×10^-5pa；

4)向真空腔內(nèi)通入氮?dú)夂蜌鍤?，氮?dú)饬髁繛?sccm，氬氣流量為12sccm，總流量為20sccm，氮?dú)鈿鍤饬髁勘葹?：6；

5)將旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面升溫至400攝氏度；

6)開(kāi)啟直流濺射電源，預(yù)轟擊鈦靶進(jìn)行預(yù)濺射，功率為100w，時(shí)長(zhǎng)為20分鐘；

7)打開(kāi)覆蓋在襯底表面的擋板，進(jìn)行直流磁控濺射，濺射功率為100w，保持溫度不變，襯底位置固定，生長(zhǎng)薄膜30分鐘；

8)停止通入氮?dú)夂蜌鍤猓P(guān)閉分子泵，未進(jìn)行真空退火直接進(jìn)行降溫，待降溫至100度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品。

本對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別主要在于氮?dú)夂蜌鍤饬髁亢团浔瓤刂?、臺(tái)面升溫溫度和真空退火步驟的區(qū)別，制備得到的氮化鈦薄膜b電阻率為30000μohm/cm，其消除了背景的x射線(xiàn)衍射圖如圖2所示，并未顯示出任何氮化鈦晶向的峰。

對(duì)比實(shí)施例2

1)采用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗單拋的兩寸硅片作為襯底；

2)將硅片襯底放入磁控濺射腔體的旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)節(jié)加熱臺(tái)面使得襯底與鈦靶的距離保持在15cm，硅片的拋光面對(duì)著鈦靶；

3)先后啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10^-6pa到2×10^-5pa；

4)向真空腔內(nèi)通入氮?dú)夂蜌鍤?，氮?dú)饬髁繛?2sccm，氬氣流量為8sccm，總流量為20sccm，氮?dú)鈿鍤饬髁勘葹?：4；

5)將旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面升溫至800攝氏度；

6)開(kāi)啟直流濺射電源，預(yù)轟擊鈦靶進(jìn)行預(yù)濺射，功率為100w，時(shí)長(zhǎng)為20分鐘；

7)打開(kāi)覆蓋在襯底表面的擋板，進(jìn)行直流磁控濺射，濺射功率為100w，保持溫度不變，襯底位置固定，生長(zhǎng)薄膜30分鐘；

8)停止通入氮?dú)夂蜌鍤?，關(guān)閉分子泵，未進(jìn)行真空退火直接進(jìn)行降溫，待降溫至100度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品。

本對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別主要在于氮?dú)夂蜌鍤饬髁亢团浔瓤刂?、臺(tái)面升溫溫度和真空退火步驟的區(qū)別，制備得到的氮化鈦薄膜c電阻率為270μohm/cm，其x射線(xiàn)衍射圖如圖3所示。通過(guò)氮化鈦薄膜c和氮化鈦薄膜b的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)保持其他參數(shù)不變，襯底溫度從400度上升到800度可以大大降低氮化鈦薄膜的電阻率。但氮化鈦薄膜c的(100)取向仍然不明顯。

對(duì)比實(shí)施例3

1)采用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗單拋的兩寸硅片作為襯底；

2)將硅片襯底放入磁控濺射腔體的旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)節(jié)加熱臺(tái)面使得襯底與鈦靶的距離保持在15cm，硅片的拋光面對(duì)著鈦靶；

3)先后啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10^-6pa到2×10^-5pa；

4)向真空腔內(nèi)通入氮?dú)夂蜌鍤?，氮?dú)饬髁繛?sccm，氬氣流量為36sccm，總流量為40sccm，氮?dú)鈿鍤饬髁勘葹?：9；

5)將旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面升溫至800攝氏度；

6)開(kāi)啟直流濺射電源，預(yù)轟擊鈦靶進(jìn)行預(yù)濺射，功率為100w，時(shí)長(zhǎng)為20分鐘；

7)打開(kāi)覆蓋在襯底表面的擋板，進(jìn)行直流磁控濺射，濺射功率為100w，保持溫度不變，襯底位置固定，生長(zhǎng)薄膜30分鐘；

8)停止通入氮?dú)夂蜌鍤猓P(guān)閉分子泵，未進(jìn)行真空退火直接進(jìn)行降溫，待降溫至100度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品。

本對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別主要在于真空退火步驟的區(qū)別，制備得到的氮化鈦薄膜d電阻率為200μohm/cm，其x射線(xiàn)衍射圖如圖4所示。通過(guò)氮化鈦薄膜d和氮化鈦薄膜c的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)保持其他參數(shù)不變，改變氮?dú)鈿鍤饬髁勘群涂偭髁靠梢詮?qiáng)化氮化鈦薄膜的(100)取向。

對(duì)比實(shí)施例4

1)采用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗單拋的兩寸硅片作為襯底；

2)將硅片襯底放入磁控濺射腔體的旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)節(jié)加熱臺(tái)面使得襯底與鈦靶的距離保持在15cm，硅片的拋光面對(duì)著鈦靶；

3)先后啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10^-6pa到2×10^-5pa；

4)向真空腔內(nèi)通入氮?dú)夂蜌鍤?，氮?dú)饬髁繛?sccm，氬氣流量為36sccm，總流量為40sccm，氮?dú)鈿鍤饬髁勘葹?：9，但是保持真空腔的真空度為0.5pa；

5)將旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面升溫至800攝氏度；

6)開(kāi)啟直流濺射電源，預(yù)轟擊鈦靶進(jìn)行預(yù)濺射，功率為100w，時(shí)長(zhǎng)為20分鐘；

7)打開(kāi)覆蓋在襯底表面的擋板，進(jìn)行直流磁控濺射，濺射功率為100w，保持溫度不變，襯底位置固定，生長(zhǎng)薄膜30分鐘；

8)停止通入氮?dú)夂蜌鍤猓掷m(xù)抽真空，并將襯底溫度維持在800攝氏度，進(jìn)行真空退火20分鐘；

9)完成真空退火后，關(guān)閉分子泵，同時(shí)停止加熱，待降溫至100度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品。

本對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別主要在于真空腔的真空度方面區(qū)別，制備得到的氮化鈦薄膜e電阻率為200μohm/cm左右，其x射線(xiàn)衍射圖如圖5所示。通過(guò)氮化鈦薄膜e和氮化鈦薄膜a的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)保持其他參數(shù)不變，濺射過(guò)程中的真空腔真空度對(duì)氮化鈦薄膜的取向也有影響，選取適合的真空度也是制備(100)高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜的關(guān)鍵之一。

對(duì)比實(shí)施例5

1)采用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗單拋的兩寸硅片作為襯底；

2)將硅片襯底放入磁控濺射腔體的旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)節(jié)加熱臺(tái)面使得襯底與鈦靶的距離保持在15cm，硅片的拋光面對(duì)著鈦靶；

3)先后啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10^-6pa到2×10^-5pa；

4)向真空腔內(nèi)通入純氮?dú)?，氮?dú)饬髁繛?0sccm，保持真空腔內(nèi)的真空度為0.15pa；

5)將旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面升溫至800攝氏度；

6)開(kāi)啟直流濺射電源，預(yù)轟擊鈦靶進(jìn)行預(yù)濺射，功率為100w，時(shí)長(zhǎng)為20分鐘；

7)打開(kāi)覆蓋在襯底表面的擋板，進(jìn)行直流磁控濺射，濺射功率為100w，保持溫度不變，襯底位置固定，生長(zhǎng)薄膜30分鐘；

8)停止通入氮?dú)夂蜌鍤猓掷m(xù)抽真空，并將襯底溫度維持在800攝氏度，進(jìn)行真空退火20分鐘；

9)完成真空退火后，關(guān)閉分子泵，同時(shí)停止加熱，待降溫至100度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品。

本對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別主要在于氮?dú)夂蜌鍤饬髁亢团浔瓤刂品矫鎱^(qū)別，制備得到的氮化鈦薄膜f電阻率同樣為200μohm/cm左右，其x射線(xiàn)衍射圖如圖6所示。通過(guò)氮化鈦薄膜f和氮化鈦薄膜a的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)保持其他參數(shù)不變，純氮?dú)鈱?duì)形成單一取向的氮化鈦薄膜沒(méi)有幫助，而選取適合的氮?dú)鈿鍤獗纫彩侵苽?100)高度擇優(yōu)取向的氮化鈦薄膜的關(guān)鍵之一。

對(duì)比實(shí)施例6

1)采用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗單拋的兩寸(100)晶向硅片作為襯底；

2)將硅片襯底放入磁控濺射腔體的旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面上，調(diào)節(jié)加熱臺(tái)面使得襯底與鈦靶的距離保持在15cm，硅片的拋光面對(duì)著鈦靶；

3)先后啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10^-6pa到2×10^-5pa；

4)向真空腔內(nèi)通入氮?dú)夂蜌鍤?，氮?dú)饬髁繛?sccm，氬氣流量為36sccm，總流量為40sccm，氮?dú)鈿鍤饬髁勘葹?：9，并使得腔內(nèi)真空度保持在0.15pa；

5)將旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)面升溫至800攝氏度；

6)開(kāi)啟直流濺射電源，預(yù)轟擊鈦靶進(jìn)行預(yù)濺射，功率為100w，時(shí)長(zhǎng)為20分鐘；

7)打開(kāi)覆蓋在襯底表面的擋板，進(jìn)行直流磁控濺射，濺射功率為150w，保持溫度不變，襯底位置固定，生長(zhǎng)薄膜60分鐘；

8)停止通入氮?dú)夂蜌鍤?，持續(xù)抽真空，并將襯底溫度維持在800攝氏度，進(jìn)行真空退火20分鐘；

9)完成真空退火后，關(guān)閉分子泵，同時(shí)停止加熱，待降溫至80度，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)放氣閥，待旋轉(zhuǎn)臺(tái)面溫度降至常溫時(shí)取出樣品。

本對(duì)比實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別主要在于濺射功率和降溫時(shí)間，制備得到的氮化鈦薄膜g的厚度約為氮化鈦薄膜a的1.7倍，而電阻率同樣為200μohm/cm左右，其x射線(xiàn)衍射圖如圖7所示。通過(guò)氮化鈦薄膜g和氮化鈦薄膜a的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)保持關(guān)鍵參數(shù)不變，改變非關(guān)鍵因素并不影響氮化鈦薄膜的取向性和電阻率。

由上述實(shí)施例可見(jiàn)，本發(fā)明制成的氮化鈦薄膜擁有(100)的高度擇優(yōu)取向和較低的電阻率，適合作為某些材料的底電極，也可應(yīng)用在各類(lèi)光電探測(cè)器中。

本發(fā)明已通過(guò)實(shí)施例進(jìn)行了描述，任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。