论文总字数：7023字

摘 要

采用射频磁控溅射的方法，在Si(100)衬底上生长MgO薄膜。将在不同气压和Ar分压条件下得到的样品在氧气氛围下1000℃退火并进行X射线衍射(XRD)分析，结果表明，溅射总气压和Ar分压影响MgO薄膜的择优取向，Si衬底取向也对薄膜的择优取向产生影响。我们还获得了晶格常数为0.421nm的MgO薄膜和晶格常数为0.812nm的新结构的MgO薄膜，实验表明，高的溅射气压和高的衬底温度有利于晶格常数为0.812nm的新结构的MgO相的形成。在高的气压和温度下，制备出了晶格常数为0.812nm的MgO薄膜，利用原子力显微镜(AFM)研究了这种薄膜的表面形貌。

关键词：MgO，射频磁控溅射，XRD，0. 812nm

Abstract: MgO thin films were produced on Si(100) substrates by RF magnetron sputtering. The samples at different deposition pressure and Ar partial pressure were post annealed at 1000℃ in oxygen. It is found that the preferred orientation of MgO thin films strongly depended on the total pressure and Ar partial pressure according to XRD analysis results. We obtained a new type of MgO with a lattice constant of 0.812nm. We found that high gas pressure and high substrate temperature are in favor of the growth of this new MgO films. The surface morphology of such thin films were investigated by atom force microscopy.

Key words: MgO, RF magnetron sputtering, XRD, 0. 812nm

目录

1 引言 4

2 实验原理 4

2.1 溅射 4

2.2 磁控溅射 5

3 实验结果和分析 6

3.1 总气压不同时薄膜晶格取向 6

3.2 O₂分压不同时薄膜晶格取向 7

3.3 MgO薄膜晶格取向与不同衬底的关系 7

3.4 衬底温度较低时生长MgO薄膜 8

3.5 溅射气压和衬底温度对生长MgO的影响 8

3.6 衬底温度和溅射气压较高时生长MgO薄膜 9

3.7 新结构MgO薄膜表面形貌 9

结 论 11

参考文献 12

致 谢 13

1 引言

近年来，随着微电子工业的快速发展，传统的Si基半导体器件的特征尺寸进入到了微米、纳米的数量级，客观上要求器件具有更低的损耗和漏流，同时兼容性要求薄膜微电子器件在Si衬底上要有良好的集成。器件集成化的发展趋势，使得在Si衬底上生长各种氧化物薄膜变得十分重要，如高温超导材料、铁电材料和巨磁阻材料等具有钙钛矿结构的氧化物。但许多薄膜材料都和Si单晶存在晶格失配，影响了薄膜材料的性能^[1，2]。MgO具有很好的热稳定性和化学稳定性，近年来在实际生产中得到广泛应用^[3]。而且，许多钙钛矿氧化物(如YBCO)已被证实可以在MgO单晶衬底上外延生长；重要的超导材料NbN也是如此。因此，在Si衬底上生长性能优良的MgO薄膜，具有非常重要的意义。

在Si衬底上生长MgO薄膜有许多方法，常见的方法如：PLD^[4]、MOCVD^[5]、sol-gel法^[6]等。制备MgO薄膜，很少有系统研究磁控溅射法对MgO薄膜生长和结构的工作。MgO晶格呈面心立方结构，与多数钙钛矿结构的铁电材料都有相近的晶格参数，晶格常数一般为0.421nm。而钙钛矿氧化物的晶格常数典型值为0.39nm，这和MgO之间有7.4%的失配，失配相对较大。本文通过改变溅射的气氛条件和基底温度，系统地研究了磁控溅射MgO薄膜的晶格取向，为以后在其表面生长功能材料（如高温超导材料和铁电材料）奠定良好的基础，还通过磁控溅射法在Si(100)衬底上生长MgO薄膜，通过X射线衍射仪分析其晶格常数并通过原子力显微镜观察其表面形貌。

2 实验原理

2.1 溅射

溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

溅射的特点是:(1)溅射粒子(主要是原子，还有少量离子等)的平均能量达几个电子伏，比蒸发粒子的平均动能kT高得多(3000K蒸发时平均动能仅0.26eV)，溅射粒子的角分布与入射离子的方向有关。(2)入射离子能量增大(在几千电子伏范围内)，溅射率(溅射出来的粒子数与入射离子数之比)增大。入射离子能量再增大，溅射率达到极值；能量增大到几万电子伏，离子注入效应增强，溅射率下降。(3)入射离子质量增大，溅射率增大。(4)入射离子方向与靶面法线方向的夹角增大，溅射率增大(倾斜入射比垂直入射时溅射率大)。(5)单晶靶由于焦距碰撞(级联过程中传递的动量愈来愈接近原子列方向)，在密排方向上发生优先溅射。(6)不同靶材的溅射率很不相同。

图1 简单的溅射装置图

2.2 磁控溅射

通常的溅射方法，溅射效率不高。为了提高溅射效率，首先需要增加气体的离化效率。为了说明这一点，先讨论一下溅射过程。

当经过加速的入射离子轰击靶材(阴极)表面时，会引起电子发射，在阴极表面产生的这些电子，开始向阳极加速后进人负辉光区，并与中性的气体原子碰撞，产生自持的辉光放电所需的离子。这些所谓初始电子(primary electrons )的平均自由程随电子能量的增大而增大，但随气压的增大而减小。在低气压下，离子是在远离阴极的地方产生，从而它们的热壁损失较大，同时，有很多初始电子可以以较大的能量碰撞阳极，所引起的损失又不能被碰撞引起 的次级发射电子抵消，这时离化效率很低，以至于不能达到自持的辉光放电所需的离子。通过增大加速电压的方法也同时增加了电子的平均自由程，从而也不能有效地增加离化效率。虽然增加气压可以提高离化率，但在较高的气压下，溅射出的粒子与气体的碰撞的机会也增大，实际的溅射率也很难有大的提高。

如果加上一平行于阴极表面的磁场，就可以将初始电子的运动限制在邻近阴极的区域，从而增加气体原子的离化效率。常用磁控溅射仪主要使用圆筒结构和平面结构，如图所示。这两种结构中，磁场方向都基本平行于阴极表面，并将电子运动有效地限制在阴极附近。磁控溅射的制备条件通常是，加速电压:300~800V，磁场约:50~300G，气压:1~10 mTorr，电流密度:4~60mA/cm²，功率密度:1~40W/cm²，对于不同的材料最大沉积速率范围从100nm/min到1000nm/min。同溅射一样，磁控溅射也分为直流(DC)磁控溅射和射频(RF)磁控溅射。射频磁控溅射中，射频电源的频率通常在13.560MHz。射频磁控溅射相对于直流磁控溅射的主要优点是，它不要求作为电极的靶材是导电的。因此，理论上利用射频磁控溅射可以溅射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用，溅射沉积时它们会减弱或改变靶表面的磁场分布，影响溅射效率。因此，磁性材料的靶材需要特别加工成薄片，尽量减少对磁场的影响。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：7023字