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(chǔ)上進(jìn)行激光和等離子體的應(yīng)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(jī)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(xué)特性進(jìn)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(xué)特性研究和應(yīng)用探索作些前期準(zhǔn)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(shù),已成功應(yīng)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(shù)結(jié)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(shù)的特點(diǎn):脈沖激光燒蝕涉及強(qiáng)烈非平衡過程,可以突破某些平衡熱力學(xué)的限制;脈沖激光燒蝕靶而產(chǎn)生的粒子具有較高的動(dòng)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(xué)活性的各種粒子,易與激光燒蝕的產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng);ECR等離子

4、體對襯底的輻照還利于高質(zhì)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(dǎo)體材料,具有高硬度、高抗腐蝕性、高熱傳導(dǎo)性、高化學(xué)穩(wěn)定性、對堿性雜質(zhì)低滲透性且易于實(shí)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(xué)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(jìn)行了多項(xiàng)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(xué)性質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)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(zhǔn)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(zhì)量和較弱的鍵強(qiáng),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(gè)紅外窗口(8～12μm),可用于

7、制作紅外光學(xué)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(xué)性質(zhì)也吸引著越來越多的關(guān)注,尤其是一系列的光致效應(yīng):光致結(jié)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(yīng)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(shù),可分為三類:熱蒸發(fā)、濺射和化學(xué)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(jìn)行測量