英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
纳米TiN薄膜的晶体结构和形貌
摘要：在变化的氮气流速下，使用射频（RF）磁控管溅射来生长氮化钛（TiN）薄膜。通过掠入射x射线衍射和扫描电子显微镜进行生长材料的表征。结果表明，生长的TiN层的晶体结构和质地取决于沉积期间反应气体混合物中氮与氩的比例。TiN涂层最初显示（111）优选取向，然后混合（111）和（002）纹理化，接着完全（002）纹理化，同时增加氮含量。分析表明氮掺入层和相关化学物质决定了纹理化和晶格参数。
关键词：氮化钛薄膜，反应溅射，晶体结构，纹理化，晶格常数形态
引语
钛（Ti）化合物，特别是氮化物和氧化物，广泛应用于各种科学和技术领域中。氮化钛（TiN）系统由于其独特的物理，电学，化学，电化学，光学和机械性质而继续引起人们的极大关注。由于其优异的物理和机械性能，TiN膜在工业机械工具上已经被用作耐磨和耐腐蚀涂层，并且作为生物相容性耐磨涂层，在生物医学工程中的植入物和外科组件中得到利用。除了磨损和腐蚀，它们的光泽颜色使得TiN涂层可用于装饰应用。TiN膜用作微电子学中金属互连的金属化材料或扩散阻挡层。TiN膜的光学性质使得这些材料在太阳能电池的应用中炙手可热。目前，在电子和能量相关技术上，TiN纳米结构材料很受欢迎。从电子材料的观点来看，理解纳米结构TiN材料的电输运性质，电子结构，光学性质和电荷转移能力已经受到外界的广泛关注。
可以使用多种物理气相沉积（PVD）方法来制造TiN膜。然而，TiN膜的微观结构对生长条件非常敏感。TiN层的受控生长，纹理化和组成可以显著影响它们的性质，现象和性能;例如，因为优选的晶体取向对所得到的性质和性能具有强烈的影响，薄TiN涂层的织构发展和相关机理已经成为许多研究的主题。据报道，沉积在工具上的TiN涂层的耐磨性在（111）取向可以大大增加。当用作扩散阻挡涂层时，发现TiN的（111）纹理化诱导（111）Al金属线的优先生长，其导致增强的电迁移寿命。已经证明，TiN膜的纹理化极大地影响集成电路中的互连薄膜堆叠。因此，了解工艺参数，沉积温度和反应压力的影响是非常重要的，这使得在减小TiN薄膜的尺寸和对于期望的应用中调整TiN膜的微观结构和电子性能成为可能。具体地，氮气与氩气的比例影响TiN膜的电子结构和导电性。当前的工作是在TiN薄膜纳米层上进行的，而纳米晶体膜是通过反应溅射沉积生长的。薄膜在不同的氮气流速下生长。目的是理解氮含量对TiN纳米晶膜的生长，微观结构和光学特性的影响。虽然最终目标是理解氮气流速的影响并调整条件以获得增强的光学常数（例如，折射率和消光系数），但目前的工作集中在理解TiN膜的结构和形态 。关于生长行为和表面形态所获得的结果将在本文中呈现和讨论。
实验步骤
使用射频（RF）磁控溅射沉积活性压力制造TiN薄膜。在反应溅射中使用2英寸直径的Ti金属靶（99.99％纯度; Plasmaterials 公司.）。将Ti靶放置在距离基底8厘米距离的2英寸溅射枪上。薄膜在硅（Si）（100）衬底上生长。硅衬底通过美国无线电公司（RCA）清洁标准来清洁。在将所有基材引入沉积室之前，将所有基材彻底清洁并用氮气干燥。将沉积室抽至基底压力为6.6times;10-5 Pa，并将溅射压力保持在0.33Pa。高纯氩（Ar，99.999％）和氮（N 2，99.999％）分别是工作和反应气体。样品在保持压力恒定的同时以从0sccm到50sccm变化的氮气流速生长。使用MKS 627 BARATRON压力传感器，MKS 250压力控制器和MKS 247D四通道读出器通过闭环控制监测Ar的压力和流速。在每次沉积之前，仅使用Ar并且使枪上方的快门关闭，将Ti靶预溅射10分钟。最初向靶施加40W的溅射功率，同时将Ar引入室中以点燃等离子体。一旦等离子体被点燃，功率增加到100W并且高纯度氮（N2）释放到室中用于反应性沉积。使用MKS质量流量控制器控制Ar和N2的流量及其比率。进行沉积以获得约70纳米厚的TiN膜。
为了避免衬底的干扰并获得TiN膜的结构信息，进行了掠隙X射线衍射（GIXRD）。使用Bruker D8 Advance x射线衍射仪进行GIXRD测量，作为氮气流速的函数。使用Cu Kalpha;辐射（k = 1.54056Aring;）记录GIXRD图案。X射线束以0.5lambda;的掠入射角固定。使用“检测器扫描”模式在2theta;即15°〜60°的范围内进行扫描。独立地移动检测器以收集衍射图案。 根据X射线衍射数据，可以使用布拉格关系确定原子平面之间的晶面间距（dhkl）：
(1)
其中k是x射线的波长。 TiN在宽范围的组成中表现出立方结构。因此，可以使用该关系来确定生长的膜的晶格参数（a）:
（2）
其中（hkl）是负责观察到的X射线衍射（XRD）峰的衍射平面的米勒指数。使用扫描电子显微镜（SEM）经由高性能超高分辨率扫描电子显微镜（Hitachi S-4800）进行表面成像分析。 对在Si晶片上生长的TiN涂层进行二次电子成像。 使用伴随扫描电子显微镜（SEM）的软件进行颗粒检测，尺寸分析和统计分析。
结果与分析
TiN膜的GIXRD图如图1所示为N2流量的函数。显然，N2流强烈影响晶体结构，优选取向程度和纹理化。在X射线衍射（XRD）图案中观察到的峰是由于图1中所示的TiN的（111）取向和（002）取向反射。在低N2含量下，生长的TiN膜表现出（111）优选取向。在3sccm至6sccm的N2下生长的膜显示出（111）取向纹理，而纹理化随着N2流增加而减小。（111）取向峰强度和优选取向继续增加，直到N2流量为10sccm，在该点可以注意到（111）取向峰强度的减少与（002）取向峰的开始相结合。 N2流速进一步增加至15sccm平衡（111）取向和（002）取向峰强度;即（111）峰强度随着（002）取向峰强度增加而减小。似乎增加的氮气流导致TiN涂层的微结构的变化。 N2流进一步增加到20sccm或更大导致膜图案的完全改变。显然，（111）取向峰在这些较高的N2流值下完全消失。N2流速增加到50sccm导致（002）取向峰强度的增加。最初纹理化在（111）择优取向的氮化钛膜，随后进行混合（111）取向和（002）取向，然后最后的（002）择优取向。过去许多研究人员已经研究了TiN膜中纹理的起源。 最常见的纹理是（111）取向，（002）取向或（220）取向，或这些的混合物。控制特定结构，纹理的变化和优选取向的交叉的起源或驱动力已经是许多研究的主题。Pelleg等人报道了应变因子对于确定TiN膜的纹理化是重要的。因此，较厚的膜优选（111）取向，对于超过0.5mu;m的膜厚优选从（002）取向到（111）取向的交叉。然而，Greene等人报道，优选的取向和相关的转变不需要应力的存在并且应力状态的变化不是随着膜厚度增加而变化的。Patsala等人还表明，方向和应力之间并没有相关性。最近，Gall等人基于计算工作，提供了先前报道的从（111）取向到（001）取向纹理的过渡的原子解释，发现TiN在Ar/N2的混合气氛下的溅射沉积随着氮气分压的增加或者保持氮分压不变增加N2 /Ti的通量比都会使薄膜生长。他们报道了在反应性溅射沉积的典型条件下有利于（111）取向晶粒的生长。然而，过量原子N的存在（例如碰撞诱导高能N2 离子的离解）导致Ti扩散长度减小，增加的表面岛成核速率和在（001）表面上较低的化学势这些效应的组合导致（001）取向晶粒的优先生长。注意，在该工作中的TiN膜在室温下生长，其中原子迁移率低。因此，我们将TiN膜在低氮气流速下的优选（111）取向归因于动力学。原子迁移率的各向异性驱动生长的TiN膜的（111）纹理化。然而，在足够的氮气流速下，由于离子 - 原子动力转移，原子迁移率增加，导致与（111）优选取向的减少相关联的（002）取向纹理的开始。具有相等强度的混合（111）取向和（002）取向是交叉点，其中（002）优选取向占优势。最后，在高氮气流下，非常高和显着增加的氮通量导致膜朝向（002）取向的纹理化。
图一：在各种N2流速下生长的TiN膜的X射线衍射（XRD）图案。 在较低N 2流速下膜的优选（111）取向在X射线衍射图案中是明显的。 X射线衍射图案还表明，对于N2流速为约为15sccm至20sccm，TiN膜显示出对混合（111）取向和（002）取向的交叉，并且最终在更高的N2流速下显示完全（002）的优选取向。
图二：TiN膜的晶格参数变化与N2气体流速的关系。
作为氮气流速的函数确定的晶格参数值表明在较低氮气流速下生长的TiN膜表现出4.234Aring;的晶格参数，这更接近于针对体积化学计量的TiN所报道的晶格参数。然而，晶格参数随着氮气流量的增加而减小。 TiN膜的晶格参数的变化如图2所示。显然，在膜沉积期间，晶格参数随反应气体混合物中氮气流速的增加而逐渐减小。晶体形成，纹理化和晶格参数又由生长的TiN膜中的氮化学计量控制。据报道，TiNx的晶格参数随着化学计量（即N / Ti比）的变化而降低.Dekker等人已经表明，气相合成的TiN粉末在晶格参数和晶格参数之间呈现出线性的函数关系，氮在晶格中。比较理论和实验工作，Gummez等人还建议TiNx薄膜中晶格参数和x值之间的线性相关。虽然此时没有考虑其他因素，但是在较低氮气流速（lt;10sccm）下生长的样品的晶格参数值表明这些TiN薄膜可以接近化学计量。在这种情况下晶格参数的连续降低可以这归因于在增加氮气流速的情况下形成非化学计量的TiNx薄膜。
图三：在N2流量为3sccm下生长的TiN膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。 三角形形态在图像中是明显的。
图四：以N2流速为变量的TiN膜的扫描电镜图像。在这些图像中，随着N2流量的增加，形态的变化是明显的。
在所提出的情况下，通过扫描电镜测量的TiN薄膜的表面形态表明反应气体混合物中的氮含量的影响对Ti-N涂层的形态演变具有强烈影响。在各种氮气流速下生长的Ti-N膜的扫描电子显微镜（SEM）图像显示在图3和图4中。在这些情况下，形态变化和它们对氮气流速的依赖性是明显的。对于低N2流速，扫描电子显微镜（SEM）图像表明TiN膜的表面形态的特征在于存在纳米晶粒，其是强刻面的。此外，三角形形态的特征在显微照片中是清楚明显的。对于在3sccm N2流速下生长的膜的代表性情况，TiN膜的典型形态行为示于图3中。从该图像可以注意到晶粒形态和晶界网络。这些三角形晶粒的平均尺寸约为20nm。这些观察到的特征与由Banerjee等人报道的与在Ar N2反应性气体混合物中生长的TiN膜相比，与He N2反应性气体混合物相比较良好。然而，在这种情况下，与基于低放大率透射电子显微镜分析的报道值（约为50nm）相比，观察到的晶粒尺寸的平均值非常低（20nm）。方差可以归因于实验条件和膜厚度的微小差异。基于在X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）测量中强烈优选的（111）取向的存在，暗示四面体几何形状可能是面心立方（fcc）单元细胞中的四种类型的{111}面的表现。这些位置形成正四面体并且有助于这种形态。通过本文提供的工作的X射线衍射（XRD）测量显示的观察到的（111）优选取向与参考文献5中呈现的透射电子显微镜（TEM）分析相结合促进了我们的相信，即特定形态由类似的机理和四面体几何引起。
随着N2流速的增加，Ti-N涂层形态的变化可以与X射线衍射（XRD）分析中观察到的结构变化相关联，如图4所示。虽然图3所示的形态保持高达10sccm的N2流速，但是刻面形态在超过10sccm的流速下缓慢变为球形颗粒形态;例如，N2流速在15sccm和20sccm之间，在扫描电子显微镜（SEM）照片中注意到小面和球形颗粒形态的混合物，并且在这些流速下，膜显示混合的（111）取向和（002）取向。 因此，我们推断，四面体几何形状之后的晶粒是负责（111）取向的晶粒，而其他晶粒，其形状大多是球形的，负责（002）取向。 增加的N2含量增加了能量，从而增加了朝向低表面能（002）取向开始生长的表面上的原子迁移率。然而，在这些流速下，尽管与在20sccm N2流下的（111）取向的峰相比，（002）取向峰的强度是主导的，但是原子迁移率不足以诱导完全（002）优选取向。 我们的结果与Mahieu等人的工作非常匹配，其中报道了14sccm至17sccm的N2流速诱导从（111）取向向
全文共5933字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[143273]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
