磁控濺射制備氮化銅薄膜研究.pdf

1、本文全面系統(tǒng)的研究了沉積條件對直流磁控濺射制備氮化銅薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響，以及金屬鋁、鐵、鑭摻雜對直流磁控濺射制備氮化銅薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的改變。具體做了下列幾方面的研究并得出了相應(yīng)的結(jié)論：
　　 (1)在保持其它條件不變的情況下，改變氮氣分壓制備了氮化銅薄膜，研究了氮氣分壓對直流磁控濺射制備氮化銅薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。得到的結(jié)果是在低氮氣分壓時薄膜是[111]和[200]擇優(yōu)生長的，在高氮氣分壓時薄膜是[111]和[100]

2、擇優(yōu)生長的。在高氮氣分壓下薄膜的電阻率較高，隨著氮氣分壓的增加薄膜由半導(dǎo)體向絕緣體變化。氮氣氣氛的增加有利于薄膜的晶粒細(xì)化并生長成高質(zhì)量的擇優(yōu)生長的Cu3N薄膜。
　　 (2)在保持其它條件不變的情況下，改變氮氣流量(固定氬氣流量)制備氮化銅薄膜，研究了氮氣流量對直流磁控濺射制備氮化銅薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。得到的結(jié)果是在低氮氣流量時薄膜是[111]擇優(yōu)生長的，在高氮氣流量時薄膜是[100] 擇優(yōu)生長的。氮氣流量不僅影響薄膜的擇優(yōu)

3、生長，而且影響薄膜的沉積速率、電阻率和顯微硬度，太高的氮氣流量并不一定對氮化銅薄膜的沉積有利，對于高氮氣分壓的情況下一般選擇氮氣流量在10～15sccm為宜。
　　 (3)在保持其它條件不變的情況下，改變基底溫度制備了氮化銅薄膜，研究了基底溫度對直流磁控濺射制備氮化銅薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。在基底溫度為1000C及以下時，溫度越高薄膜的結(jié)晶程度越好。在1000C以上時，隨著基底溫度的升高，薄膜的結(jié)晶程度逐漸減弱，2000C時結(jié)晶已

4、很弱，到3000C時已完全不能形成Cu3N晶體。研究的結(jié)果表明要制備結(jié)晶較好的擇優(yōu)生長的Cu3N薄膜，基底溫度最好是選擇在1000C左右。
　　 (4)在基底溫度分別為室溫和1000C下，對反應(yīng)直流磁控濺射制備的氮化銅薄膜，進行了不同溫度下的真空退火，研究了退火溫度對薄膜結(jié)構(gòu)的影響及薄膜的熱穩(wěn)定性。XRD測試表明，反應(yīng)直流磁控濺射制備的氮化銅薄膜在2000C時開始出現(xiàn)分解，3000C時，已有較多的分解，3500C時，完全分解。比

5、較在基底溫度為室溫和1000C下制備的兩組樣品，發(fā)現(xiàn)它們的熱穩(wěn)定性有微小的差別：室溫下制備的氮化銅薄膜比1000C下制備的氮化銅薄膜要穩(wěn)定些。
　　 (5)在保持其它條件不變的情況下，改變直流電源濺射功率制備了氮化銅薄膜，研究了濺射功率對直流磁控濺射制備氮化銅薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。薄膜擇優(yōu)生長方向的衍射強度隨著濺射功率的增加而增加，薄膜的晶粒大小和表面顆粒大小均隨功率的增加而增大。直流濺射功率不僅影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，而且影響薄膜

6、的電阻率，在我們的實驗條件下，薄膜的電阻率隨濺射功率的增加而迅速的降低，從 124.88Ωcm 變到 1.33Ωcm。 綜合考慮，在基底溫度為1000C、 氮氣分壓0.8Pa的情況下，沉積高質(zhì)量的[111]晶向擇優(yōu)生長的氮化銅薄膜的最佳直流濺射功率是80W。
　　 (6)用磁控雙靶反應(yīng)共濺射制備了鋁摻雜氮化銅薄膜，研究了摻雜鋁原子的多少對氮化銅薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。XRD測量顯示鋁摻雜的氮化銅(AlxCu3N)薄膜與未摻雜的氮化

7、銅(Cu3N)薄膜一樣也是呈[111]晶向擇優(yōu)生長的，但是其衍射峰的強度強烈的依賴于薄膜中鋁原子的含量，鋁的含量越高，其[111]衍射峰強度越弱，且高的鋁含量會阻止Cu3N晶體的生長。存在一個影響Cu3N晶體生長的鋁摻雜飽和值，此飽和值小于8.07[％]。與Cu3N薄膜比較，AlxCu3N薄膜的電阻率降低了，顯微硬度增加了。鋁摻雜既改變了氮化銅薄膜的結(jié)構(gòu)，又改變了氮化銅薄膜的電學(xué)特性，還提高了薄膜的質(zhì)量。
　　 (7)用磁控雙靶

8、反應(yīng)共濺射制備了鑭摻雜氮化銅薄膜，研究了摻雜鑭原子的多少對氮化銅薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。XRD測量顯示鑭摻雜的氮化銅(LaxCu3N)薄膜與未摻雜的氮化銅(Cu3N)薄膜一樣也是呈[111]晶向擇優(yōu)生長的，但是其衍射峰的強度強烈的依賴于薄膜中鑭原子的含量，鑭的含量越高，其[111]衍射峰強度越弱，且高的鑭含量會阻止Cu3N晶體的生長。存在一個影響Cu3N晶體生長的鑭摻雜飽和值，此飽和值小于5.87[％]。與Cu3N薄膜比較，LaxCu3N

9、薄膜的電阻率降低了，鑭摻雜改變了氮化銅薄膜的電學(xué)特性。
　　 在保持實驗條件(基底溫度為1000C、 氮氣分壓0.8Pa、銅靶濺射功率50W)不變的情況下，在我們的實驗裝置上分別制備的鑭摻雜氮化銅(LaxCu3N)薄膜和鋁摻雜氮化銅(AlxCu3N)薄膜得到了相似的結(jié)果。
　　 (8)用磁控雙靶反應(yīng)共濺射在相同條件下分別制備鋁、鐵、鑭摻雜氮化銅薄膜，研究摻雜元素的不同對氮化銅薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。在基底溫度為1000C、

10、氮氣分壓為0.5Pa、濺射功率50W下，制備的鋁摻雜氮化銅薄膜(Cu-Al-N)也是[111]方向擇優(yōu)生長的，但是衍射峰的強度很弱；鐵摻雜的氮化銅薄膜(Cu-Fe-N)和鑭摻雜的氮化銅薄膜(Cu-La-N)是非晶態(tài)。摻雜后的氮化銅薄膜Cu-X-N (X=Al、Fe和 La)的電阻率比未摻雜的氮化銅薄膜的電阻率略有增加，但是不同的金屬摻雜，電阻率增加不同。
　　 本論文經(jīng)過全面系統(tǒng)的實驗研究得到，在我們的多功能磁控濺射鍍膜機上，用

11、直流磁控濺射制備性能優(yōu)良的擇優(yōu)生長氮化銅薄膜的最佳工藝條件是：基底溫度為1000C、濺射功率80W、氮氣分壓0.8Pa，氣體流量不宜太大，總流量在5～15sccm，氮氣流量根據(jù)高氮氣分壓或低氮氣分壓的需要選擇在10～15sccm 或2～5sccm。
　　 本論文還研究了不同的金屬、摻雜不同的數(shù)量對氮化銅薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的改變。在保持實驗條件(基底溫度為1000C、 氮氣分壓0.8Pa、銅靶濺射功率50W)不變的情況下，在我們的實

12、驗裝置上分別制備的鋁摻雜氮化銅(AlxCu3N)薄膜和鑭摻雜氮化銅(LaxCu3N)薄膜得到了相似的結(jié)果：即，摻雜越多，結(jié)晶越弱，且都出現(xiàn)了一個影響晶體生長的摻雜飽和值，兩種金屬的飽和值不一樣。摻雜還改變了薄膜的電阻率，摻雜越多，電阻率越低。
　　 對實驗條件進行改變，我們又進行了同一條件(基底溫度為1000C、 氮氣分壓0.5Pa、銅靶濺射功率50W)下制備不同金屬摻雜的氮化銅薄膜實驗，結(jié)果表明，不同的金屬摻雜對氮化銅薄膜的結(jié)