硅基二氧化铈薄膜的脉冲激光制备及性能研究

【摘要】：CeO2具有立方氟化钙结构,良好的高温稳定性,较高的热导率,是理想的SOI结构绝缘材料。此外,CeO2还在高K栅介质材料、光学薄膜方面有着广阔的应用前景。论文采用脉冲激光沉积技术(PLD)在不同硅衬底上生长CeO2薄膜,研究了CeO2薄膜的生长特性。主要内容如下： (一)采用Ce靶和CeO2靶在Si(100)衬底上沉积CeO2薄膜。通过XRD、RHEED对其晶体结构进行表征,发现所制备的薄膜呈高度的(111)取向,薄膜表面光滑、原子排列有序。衬底温度对Ce02薄膜结晶状态影响显著,较高的衬底温度有助于薄膜结晶质量的提高,而沉积氧气对薄膜结晶质量的影响不太明显。对薄膜进行电性能测试,结果显示薄膜的电性能与温度关系紧密,与气压关系不大。结合XRD结果,得出CeO2薄膜的结晶状态与电性能之间存在直接的联系,提高薄膜结晶质量有助于提高电学性能。AFM分析表明采用CeO2靶制备的薄膜表面粗糙度(-0.3nm)优于Ce靶制备薄膜的表面粗糙度(-0.6nm)。另外,Ce靶生长薄膜时,薄膜的取向情况对氧压更为敏感。椭偏仪测试结果表明,所制备的Ce02薄膜折射率基本在2.4左右,非常接近单晶块体材料的光学常数(n=240～2.56)。说明使用PLD技术可以制备出光学性能良好的CeO2薄膜,并且薄膜光学性能对所使用靶材及制备工艺参数不太敏感。 (二)采用CeO2靶在Si(111)衬底上沉积CeO2薄膜。测试结果表明所制备的薄膜呈高度的(111)取向,薄膜表面光滑、原子排列有序。高分辨透射电镜(HRTEM)对薄膜-硅断面进行分析发现薄膜与衬底晶体学关系为(111)CeO2//(111)Si,通过对FFT衍射斑点图谱的分析,发现薄膜中存在孪晶。电性能测试表明,在相同实验条件下,Si(111)衬底上沉积的CeO2薄膜电性能优于Si(100)衬底上沉积Ce02薄膜。 综合以上的实验结果与分析,我们得出靶材的种类、衬底以及制备工艺参数对氧化铈薄膜的性能有显著影响。根据实际需要,选择合适靶材、衬底以及制备参数十分必要。