脉冲激光沉积制备硅基金红石相TiO2薄膜的方法转让专利
申请号 : CN200710053648.5
文献号 : CN101139701B
文献日 : 2010-06-30
发明人 : 杨光 , 陆培祥 , 龙华 , 戴能利 , 李玉华 , 杨振宇
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
本发明公开了一种脉冲激光沉积制备硅基金红石相TiO2薄膜的方法。先将清洗后的Si基片和纯度大于等于99.9％的二氧化钛靶放入真空室中，再将真空室抽真空到1×10-3-6×10-3Pa，通入0.5Pa-5Pa的氩气气氛，或者通入0.05Pa-0.5Pa的氧气气氛，并将Si基片加热到500-800℃；然后采用KrF准分子激光器，将激光通过透镜聚焦到二氧化钛靶材上，激光束的能量为340-750mJ，激光重复频率为1-10Hz，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，得到金红石相的纳米二氧化钛薄膜。本发明采用二氧化钛靶材，改变脉冲激光沉积过程中的参数，在硅基片上直接生长纯金红石相的TiO2薄膜。本发明方法简单，薄膜组分均匀，且具有良好的结晶性能。本发明方法可以较好地与传统半导体工艺相衔接，具有较好的应用前景。
权利要求 :
1.一种脉冲激光沉积制备硅基金红石相TiO2薄膜的方法，其步骤包括：
(1)将清洗后的Si基片和纯度大于等于99.9％的二氧化钛靶放入真空室中，再将真空室抽真空到1×10-3-6×10-3Pa，通入0.5Pa-5Pa的氩气气氛，或者通入0.05Pa-0.5Pa的氧气气氛，并将Si基片加热到500-800℃；
(2)采用KrF准分子激光器，将激光通过透镜聚焦到二氧化钛靶材上，激光束的能量为340-750mJ，激光重复频率为1-10Hz，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，得到金红石相的纳米二氧化钛薄膜。
说明书 :
技术领域
本发明涉及半导体薄膜生长领域，具体涉及一种脉冲激光沉积制备硅基金红石相TiO2薄膜的方法。
背景技术
二氧化钛是一种重要的半导体功能材料，能吸收波长小于387.5nm的光，在催化、光电、介电等领域有广泛的应用前景。TiO2具有锐钛矿、金红石和板钛矿相3种晶体结构，形成薄膜时主要是锐钛矿和金红石相的结构。金红石相的折射率约为2.7，锐钛矿相的折射率约为2.5。锐钛矿相在可见光短波部分的反射率高，对紫外线的吸收能力低，具有较高的催化活性。金红石相TiO2则结构稳定且致密，具有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，几乎没有光催化活性。由此可见晶型对TiO2的性质影响很大。如何制备出具有合适相结构的高性能TiO2薄膜，已成为一个具有深刻的理论和应用意义的问题。
目前在硅基上制备二氧化钛薄膜的方法通常有溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、磁控溅射法、电化学制备法以及脉冲激光沉积法等。其中脉冲激光沉积方法由于具有污染小、改变薄膜沉积条件比较简便、可以较好地保持薄膜和靶材的同组份等优点而在TiO2薄膜的研究中被广泛地采用。但是至今还未见采用脉冲激光沉积法在硅基片上直接生长金红石相TiO2薄膜的报道。目前采用脉冲激光沉积方法制备金红石相二氧化钛薄膜的报道主要集中在Al2O3基片上。而采用脉冲激光沉积方法在硅基片上制备的TiO2薄膜一般都是呈现出锐钛矿和金红石的混合相，或者是需要对沉积的薄膜进行长时间高温退火(＞800℃)处理才能得到金红石相TiO2薄膜。例如LucaD等人在2006年报道的，采用金属钛靶，在氧气的气氛中，150-500℃的基片温度条件下，在硅基片上用脉冲激光沉积法制备的TiO2薄膜呈现锐钛矿相和金红石相混合共存状态(Characterization of titania thin films prepared byreactive pulsed-laser ablation，脉冲激光沉积法制备二氧化钛薄膜的特性研究，Surface Science，600：4342-4346)，这种锐钛矿相和金红石相混合存在的状态限制了二氧化钛薄膜在室温铁磁材料、光电转换等方面的应用。
目前在硅基上制备二氧化钛薄膜的方法通常有溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、磁控溅射法、电化学制备法以及脉冲激光沉积法等。其中脉冲激光沉积方法由于具有污染小、改变薄膜沉积条件比较简便、可以较好地保持薄膜和靶材的同组份等优点而在TiO2薄膜的研究中被广泛地采用。但是至今还未见采用脉冲激光沉积法在硅基片上直接生长金红石相TiO2薄膜的报道。目前采用脉冲激光沉积方法制备金红石相二氧化钛薄膜的报道主要集中在Al2O3基片上。而采用脉冲激光沉积方法在硅基片上制备的TiO2薄膜一般都是呈现出锐钛矿和金红石的混合相，或者是需要对沉积的薄膜进行长时间高温退火(＞800℃)处理才能得到金红石相TiO2薄膜。例如LucaD等人在2006年报道的，采用金属钛靶，在氧气的气氛中，150-500℃的基片温度条件下，在硅基片上用脉冲激光沉积法制备的TiO2薄膜呈现锐钛矿相和金红石相混合共存状态(Characterization of titania thin films prepared byreactive pulsed-laser ablation，脉冲激光沉积法制备二氧化钛薄膜的特性研究，Surface Science，600：4342-4346)，这种锐钛矿相和金红石相混合存在的状态限制了二氧化钛薄膜在室温铁磁材料、光电转换等方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲激光沉积制备硅基金红石相TiO2薄膜的方法，该方法具有操作简单和所制备的薄膜组分均匀的特点。
本发明提供的脉冲激光沉积制备硅基金红石相TiO2薄膜的方法，其步骤包括：
(1)将清洗后的Si基片和纯度大于等于99.9％的二氧化钛靶放入真空室中，再将真空室抽真空到1×10-3-6×10-3Pa，通入0.5Pa-5Pa的氩气气氛，或者通入0.05Pa-0.5Pa的氧气气氛，并将Si基片加热到500-800℃；
(2)采用KrF准分子激光器，将激光通过透镜聚焦到二氧化钛靶材上，激光束的能量为340-750mJ，激光重复频率为1-10Hz，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，得到金红石相的纳米二氧化钛薄膜。
本发明方法是在硅基片上直接生长锐钛矿相二氧化钛纳米薄膜，通过控制真空室内的气压、基片温度和脉冲激光的能量从而控制在硅基片上生长锐钛矿相二氧化钛纳米薄膜。本发明方法简单，薄膜组分均匀，且具有良好的结晶性能。由于硅基片在半导体工业中应用广泛，并且本发明方法可以较好地与传统半导体工艺相衔接，本发明方法具有较好的应用前景。
本发明提供的脉冲激光沉积制备硅基金红石相TiO2薄膜的方法，其步骤包括：
(1)将清洗后的Si基片和纯度大于等于99.9％的二氧化钛靶放入真空室中，再将真空室抽真空到1×10-3-6×10-3Pa，通入0.5Pa-5Pa的氩气气氛，或者通入0.05Pa-0.5Pa的氧气气氛，并将Si基片加热到500-800℃；
(2)采用KrF准分子激光器，将激光通过透镜聚焦到二氧化钛靶材上，激光束的能量为340-750mJ，激光重复频率为1-10Hz，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，得到金红石相的纳米二氧化钛薄膜。
本发明方法是在硅基片上直接生长锐钛矿相二氧化钛纳米薄膜，通过控制真空室内的气压、基片温度和脉冲激光的能量从而控制在硅基片上生长锐钛矿相二氧化钛纳米薄膜。本发明方法简单，薄膜组分均匀，且具有良好的结晶性能。由于硅基片在半导体工业中应用广泛，并且本发明方法可以较好地与传统半导体工艺相衔接，本发明方法具有较好的应用前景。
附图说明
图1为750℃时沉积的金红石相二氧化钛薄膜的X射线衍射(XRD)图谱；
图2为750℃时沉积的金红石相二氧化钛薄膜表面的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式：
下面举例对本发明方法作进一步详细的说明。
实施例1
1.将清洗后的硅基片和纯度为99.9％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到1×10-3Pa，然后通入氩气，氩气压力控制在5Pa，同时将基片加热到温度为750℃。
2.打开准分子激光器，用能量为500mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为5Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上进行沉积，沉积时间为20分钟，XRD测定结果见图1，表明制备出的二氧化钛薄膜为金红石相。SEM对薄膜的表面测定结果见图2，可以看到薄膜晶粒排列很致密。
实施例2
1、将清洗后的硅基片和纯度为99.9％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到6×10-3Pa，然后通入氩气，氩气压力控制在5Pa，同时将基片加热到温度为500℃。
2、打开准分子激光器，用能量为550mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为10Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，进行20分钟的沉积，在硅基片上得到了金红石相纳米二氧化钛薄膜。
实施例3
1、将清洗后的硅基片和纯度为99.99％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到6×10-3Pa，然后通入氩气，氩气压力控制在5Pa，同时将基片加热到温度为500℃。
2、打开准分子激光器，用能量为750mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为1Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，进行20分钟的沉积之后在硅基片上得到了金红石相纳米二氧化钛薄膜。
实施例4
1.将清洗后的硅基片和纯度为99.99％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到2×10-3Pa，然后通入氧气，氧气压力控制在0.05Pa，同时将基片加热到温度为750℃。
2.打开准分子激光器，用能量为340mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为5Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，进行20分钟的沉积之后在硅基片上得到了金红石相纳米二氧化钛薄膜。
图2为750℃时沉积的金红石相二氧化钛薄膜表面的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式：
下面举例对本发明方法作进一步详细的说明。
实施例1
1.将清洗后的硅基片和纯度为99.9％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到1×10-3Pa，然后通入氩气，氩气压力控制在5Pa，同时将基片加热到温度为750℃。
2.打开准分子激光器，用能量为500mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为5Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上进行沉积，沉积时间为20分钟，XRD测定结果见图1，表明制备出的二氧化钛薄膜为金红石相。SEM对薄膜的表面测定结果见图2，可以看到薄膜晶粒排列很致密。
实施例2
1、将清洗后的硅基片和纯度为99.9％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到6×10-3Pa，然后通入氩气，氩气压力控制在5Pa，同时将基片加热到温度为500℃。
2、打开准分子激光器，用能量为550mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为10Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，进行20分钟的沉积，在硅基片上得到了金红石相纳米二氧化钛薄膜。
实施例3
1、将清洗后的硅基片和纯度为99.99％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到6×10-3Pa，然后通入氩气，氩气压力控制在5Pa，同时将基片加热到温度为500℃。
2、打开准分子激光器，用能量为750mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为1Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，进行20分钟的沉积之后在硅基片上得到了金红石相纳米二氧化钛薄膜。
实施例4
1.将清洗后的硅基片和纯度为99.99％的二氧化钛靶材放入脉冲激光沉积设备的真空室内，用分子泵将真空泵抽到2×10-3Pa，然后通入氧气，氧气压力控制在0.05Pa，同时将基片加热到温度为750℃。
2.打开准分子激光器，用能量为340mJ的KrF准分子脉冲激光聚焦到二氧化钛靶材上，激光重复频率为5Hz，轰击二氧化钛靶材，产生的二氧化钛等离子体向外发射至Si基片上，进行20分钟的沉积之后在硅基片上得到了金红石相纳米二氧化钛薄膜。