Al2O3薄膜的低溫沉積和Al2O3-Si界面特性研究、硫系玻璃薄膜的制備和表征.pdf

1、本論文分為兩部分,一是在激光和等離子體特性研究的基礎上進行激光和等離子體的應用探索,利用基于電子回旋共振(electroncyclotronresonance,ECR)微波放電和脈沖激光燒蝕(pulsedlaserablation,PLA),聯(lián)合作用的薄膜沉積方法,嘗試制備了氧化鋁(Al2O3)薄膜材料。通過材料的制備和樣品的分析表征,探討了其中微波放電和激光燒蝕聯(lián)合作用以及由此引發(fā)的等離子體過程和薄膜生長機理;分析了高溫下Al2O3薄

2、膜退火后的晶相變化,也對Al2O3薄膜與Si襯底之間氧化硅(Si-O)邊界層的出現(xiàn)原因和形成條件作了探討。二是利用脈沖激光沉積的方法制備硫系玻璃薄膜,并對薄膜的光學特性進行表征與分析討論,為開展這一新型光電子薄膜材料的非線性光學特性研究和應用探索作些前期準備工作。
　　 基于PLA的脈沖激光沉積(pulsedlaserdeposition,PLD),是近年發(fā)展起來的一種薄膜制備技術,已成功應用于多種薄膜材料的制備。ECR微波放電

3、可以在低工作氣壓下產(chǎn)生高密度、高電離度的等離子體。我們把這兩種技術結合起來發(fā)展成一種新的成膜方法——電子回旋共振等離子體輔助脈沖激光沉積(ECR-PLD)。該方法綜合了PLD成膜和ECR微波放電等離子體兩種技術的特點:脈沖激光燒蝕涉及強烈非平衡過程,可以突破某些平衡熱力學的限制;脈沖激光燒蝕靶而產(chǎn)生的粒子具有較高的動能和位能,這使得低溫成膜成為可能;ECR等離子體提供的大量具有化學活性的各種粒子,易與激光燒蝕的產(chǎn)物發(fā)生反應;ECR等離子

4、體對襯底的輻照還利于高質量膜層的形成。這一方法特別適宜于低溫條件下化合物的形成和薄膜的生長。本論文將這一方法用于Al2O3薄膜的制備。
　　 Al2O3是一種新型的Ⅲ-Ⅵ族寬禁帶半導體材料,具有高硬度、高抗腐蝕性、高熱傳導性、高化學穩(wěn)定性、對堿性雜質低滲透性且易于實現(xiàn)摻雜、高帶隙,在高溫下與Si之間有良好的熱穩(wěn)定性,且有較低的漏電流密度。絕緣性非常好,介電常數(shù)比SiO2高出4倍,因此也是一種可用作互補金屬氧化物半導體(CMOS)

5、柵介層的SiO2替代材料。常用制備Al2O3薄膜的方法有原子層沉積法、分子束外延法、脈沖激光沉積法、離子束輔助沉積法、溶膠凝膠法等。本論文采用高純度的金屬鋁(Al)作為靶材料,在化學活性的ECR氧等離子體環(huán)境中激光燒蝕鋁靶、以ECR氧等離子體輔助的脈沖激光沉積方法在常溫條件下制備Al2O3薄膜。
　　 對制備的Al2O3薄膜進行了多項表征和分析,并通過高溫退火處理得到了a相的氧化鋁(a-Al2O3),薄膜的光學性質也發(fā)生相應改變

6、。高溫退火還影響了薄膜與硅襯底之間的邊界層,出現(xiàn)了SiOx層。此外,通過改變不同成膜條件以及退火因素,我們討論分析了邊界層的形成原因與影響因素,為有效控制該邊界層的影響作了一些準備工作。
　　 硫系玻璃是硫族元素(S、Se、Te)與其它金屬或非金屬元素形成非晶態(tài)玻璃材料的總稱。與氧化物玻璃相比,硫系玻璃具有較大的質量和較弱的鍵強,因而具有較長的透紅外截止波長。因此,硫系玻璃可有效地用于大氣的第三個紅外窗口(8～12μm),可用于

7、制作紅外光學元件和高能CO2激光器傳輸光纖。硫系玻璃顯著的非線性光學性質也吸引著越來越多的關注,尤其是一系列的光致效應:光致結晶、光致分解、金屬光致溶解、光致聚合、光致伸縮等,使得它有望應用于制作高速光通信器件。常用的制備塊狀玻璃體材料的方法,是通過快速冷卻熔體的熔體淬冷法。薄膜制備主要是基于氣相沉積技術,可分為三類:熱蒸發(fā)、濺射和化學氣相沉積。我們采用PLD方法在透明襯底上制備硫系玻璃薄膜,主要對薄膜在可見至紅外區(qū)域的透射特性進行測量