本发明涉及一种单一取向薄膜及其制备方法，更具体地说涉及一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜及其制备方法。
背景技术：
氮化钛晶体是面心立方结构，其晶格常数为0.4239nm，其含氮量在一定范围内的变化不会引起氮化钛晶格结构的改变。氮化钛薄膜具有优秀的热、电、机械性能。它拥有良好的导电率、高熔点以及良好的化学相容性，并且和某些压电、铁电材料(如锆钛酸铅pzt，晶格常数为0.4055nm)有着较小的失配度，可以为压电、铁电薄膜提供一定的取向控制作用，是非常好的底电极材料；同时，由于其具有良好的化学稳定性和导电、导热性能，可以作为微电子器件中的阻挡层；因为氮化钛薄膜在可见光区有较高的透射率在近红外区有较高的反射率，有利于形成该波段的表面等离子体，它也可以作为新型光电器件的重要部件。
目前常见的氮化钛薄膜的生长方式有有机金属化学气相沉积法(mocvd)、常压化学气相沉积法(apcvd)、脉冲激光沉积(pld)等。但是这些方法中，由于由mocvd制作的氮化钛薄膜中含有较多的碳和氢杂质，很难完全消除，这影响了氮化钛薄膜的结构稳定性；而apcvd得到的薄膜质量和均匀性均较差，很难满足高质量的氮化钛薄膜生长要求；常见的pld方法也未有系统的高度择优取向的氮化钛薄膜的制备工艺报道。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述问题，提供一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜及其制备方法，采用磁控溅射法，靶材利用率高，应用广泛且便于操作，制备成了具有(100)高度择优取向的低电阻率氮化钛薄膜。
本发明采用的技术方案是：
一、一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜的制备方法
1)采用单面抛光的基片作为衬底，选用超高真空磁控溅射设备，将经过rca标准清洗的基片放置于旋转加热台面上，调整基片与靶材之间的距离；
2)盖上真空腔盖，抽取本底真空，通入氮气和氩气，选取直流磁控溅射模式，进行磁控溅射；
3)磁控溅射后，停止通入氮气和氩气，抽真空后进行真空退火；
4)真空退火后关闭分子泵，待降温至100至150度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转加热台面温度降至常温时取出样品，获得所述氮化钛薄膜。
所述步骤2)进行磁控溅射时调整溅射薄膜时的温度、氮气氩气流量比例和总流量以及抽真空退火使得最终制成所述氮化钛薄膜，并通过控制溅射功率、工作电压和溅射时间控制薄膜的厚度。
所述氮化钛薄膜具有(100)的高度择优取向，电阻率小于200μohm/cm。
所述的基片采用(100)晶向硅片，所述靶材为金属钛。
所述的钛靶为纯度99.999％，直径三英寸，厚度5mm的圆柱形靶材。
所述步骤2)中本底真空度为5×10-6pa到2×10-5pa。
所述步骤2)通入的氮气流量和氩气流量比为1：9，氮气流量为4sccm，氩气流量为36sccm，总流量为40sccm，真空腔内保持0.15pa的真空度。
所述步骤2)磁控溅射时基片温度在750-850摄氏度范围。
所述步骤2)磁控溅射时溅射功率为80到120w，工作电压为250到350v，施加的电流为0.25至0.48a。
所述步骤2)在进行磁控溅射前，需要对钛靶进行预轰击，即对靶材进行预溅射，功率为80到120w，时长为10到20分钟。
所述步骤3)抽真空退火时真空度保持1×10-5pa，基片温度保持在750-850摄氏度，经过20分钟后完成真空退火。
溅射时所述氮化钛薄膜厚度由真空腔内的晶振检测，实时控制薄膜的生长情况。
二、一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜：
所述氮化钛薄膜由上述方法制成，所述氮化钛薄膜的化学式为tinx，其中0.5＜x＜1.5，具有(100)的高度择优取向，典型电阻率小于200μohm/cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用磁控溅射技术生长氮化钛薄膜，工艺相对简单，可以控制薄膜的生长情况和性能参数，可以和其他薄膜的生长兼容，为外延层的生长提供基础。
2、使用该制备方法得到的氮化钛薄膜具有(100)的高度择优取向，且能保证拥有小于200μohm/cm的电阻率，该类氮化钛薄膜无论作为底电极还是光电材料都具有广泛的应用范围和重要的应用价值。
3、采用硅作为衬底，容易获得，成本低廉，并且在其(100)晶面上生长可以获得良好的(100)择优取向的氮化钛晶体。
附图说明
图1是制备得到的氮化钛薄膜a的消除背景后的x射线衍射图；
图2是制备得到的氮化钛薄膜b的消除背景后的x射线衍射图；
图3是制备得到的氮化钛薄膜c的消除背景后的x射线衍射图；
图4是制备得到的氮化钛薄膜d的消除背景后的x射线衍射图；
图5是制备得到的氮化钛薄膜e的消除背景后的x射线衍射图；
图6是制备得到的氮化钛薄膜f的消除背景后的x射线衍射图；
图7是制备得到的氮化钛薄膜g的消除背景后的x射线衍射图；
图8是制备的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜a的场发射扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例进行进一步的说明。
本发明的实施例如下：
本发明的以下所有实施例中的磁控溅射镀膜机均采用的是沈阳真空技术研究所研制的可调三靶超真空磁控溅射镀膜设备。
实施例1
1)采用rca标准清洗单抛的两寸(100)晶向硅片作为衬底；
2)将硅片衬底放入磁控溅射腔体的旋转加热台面上，调节加热台面使得衬底与钛靶的距离保持在15cm，硅片的抛光面对着钛靶；
3)先后启动机械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10-6pa到2×10-5pa；
4)向真空腔内通入氮气和氩气，氮气流量为4sccm，氩气流量为36sccm，总流量为40sccm，氮气氩气流量比为1：9，并使得腔内真空度保持在0.15pa；
5)将旋转加热台面升温至800摄氏度；
6)开启直流溅射电源，预轰击钛靶进行预溅射，功率为100w，时长为20分钟；
7)打开覆盖在衬底表面的挡板，进行直流磁控溅射，溅射功率为100w，保持温度不变，衬底位置固定，生长薄膜60分钟；
8)停止通入氮气和氩气，持续抽真空，并将衬底温度维持在800摄氏度，进行真空退火20分钟；
9)完成真空退火后，关闭分子泵，同时停止加热，待降温至100度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转台面温度降至常温时取出样品。
本实施例制备得到的氮化钛薄膜a不仅拥有195μohm/cm的电阻率，其x射线衍射图(图1)也表明氮化钛薄膜a拥有(100)的高度择优取向。图1中仅出现了氮化钛的(200)晶面的衍射峰，充分说明样品是沿着(200)方向外延生长的。图8给出了氮化钛薄膜a的场发射扫描电子显微镜照片，由图可见膜层的均匀性较好，且厚度与晶振测得的数据基本相符。
对比实施例1
1)采用rca标准清洗单抛的两寸(100)晶向硅片作为衬底；
2)将硅片衬底放入磁控溅射腔体的旋转加热台面上，调节加热台面使得衬底与钛靶的距离保持在15cm，硅片的抛光面对着钛靶；
3)先后启动机械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10-6pa到2×10-5pa；
4)向真空腔内通入氮气和氩气，氮气流量为8sccm，氩气流量为12sccm，总流量为20sccm，氮气氩气流量比为4：6；
5)将旋转加热台面升温至400摄氏度；
6)开启直流溅射电源，预轰击钛靶进行预溅射，功率为100w，时长为20分钟；
7)打开覆盖在衬底表面的挡板，进行直流磁控溅射，溅射功率为100w，保持温度不变，衬底位置固定，生长薄膜30分钟；
8)停止通入氮气和氩气，关闭分子泵，未进行真空退火直接进行降温，待降温至100度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转台面温度降至常温时取出样品。
本对比实施例与实施例1的区别主要在于氮气和氩气流量和配比控制、台面升温温度和真空退火步骤的区别，制备得到的氮化钛薄膜b电阻率为30000μohm/cm，其消除了背景的x射线衍射图如图2所示，并未显示出任何氮化钛晶向的峰。
对比实施例2
1)采用rca标准清洗单抛的两寸硅片作为衬底；
2)将硅片衬底放入磁控溅射腔体的旋转加热台面上，调节加热台面使得衬底与钛靶的距离保持在15cm，硅片的抛光面对着钛靶；
3)先后启动机械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10-6pa到2×10-5pa；
4)向真空腔内通入氮气和氩气，氮气流量为12sccm，氩气流量为8sccm，总流量为20sccm，氮气氩气流量比为6：4；
5)将旋转加热台面升温至800摄氏度；
6)开启直流溅射电源，预轰击钛靶进行预溅射，功率为100w，时长为20分钟；
7)打开覆盖在衬底表面的挡板，进行直流磁控溅射，溅射功率为100w，保持温度不变，衬底位置固定，生长薄膜30分钟；
8)停止通入氮气和氩气，关闭分子泵，未进行真空退火直接进行降温，待降温至100度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转台面温度降至常温时取出样品。
本对比实施例与实施例1的区别主要在于氮气和氩气流量和配比控制、台面升温温度和真空退火步骤的区别，制备得到的氮化钛薄膜c电阻率为270μohm/cm，其x射线衍射图如图3所示。通过氮化钛薄膜c和氮化钛薄膜b的对比可以发现保持其他参数不变，衬底温度从400度上升到800度可以大大降低氮化钛薄膜的电阻率。但氮化钛薄膜c的(100)取向仍然不明显。
对比实施例3
1)采用rca标准清洗单抛的两寸硅片作为衬底；
2)将硅片衬底放入磁控溅射腔体的旋转加热台面上，调节加热台面使得衬底与钛靶的距离保持在15cm，硅片的抛光面对着钛靶；
3)先后启动机械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10-6pa到2×10-5pa；
4)向真空腔内通入氮气和氩气，氮气流量为4sccm，氩气流量为36sccm，总流量为40sccm，氮气氩气流量比为1：9；
5)将旋转加热台面升温至800摄氏度；
6)开启直流溅射电源，预轰击钛靶进行预溅射，功率为100w，时长为20分钟；
7)打开覆盖在衬底表面的挡板，进行直流磁控溅射，溅射功率为100w，保持温度不变，衬底位置固定，生长薄膜30分钟；
8)停止通入氮气和氩气，关闭分子泵，未进行真空退火直接进行降温，待降温至100度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转台面温度降至常温时取出样品。
本对比实施例与实施例1的区别主要在于真空退火步骤的区别，制备得到的氮化钛薄膜d电阻率为200μohm/cm，其x射线衍射图如图4所示。通过氮化钛薄膜d和氮化钛薄膜c的对比可以发现保持其他参数不变，改变氮气氩气流量比和总流量可以强化氮化钛薄膜的(100)取向。
对比实施例4
1)采用rca标准清洗单抛的两寸硅片作为衬底；
2)将硅片衬底放入磁控溅射腔体的旋转加热台面上，调节加热台面使得衬底与钛靶的距离保持在15cm，硅片的抛光面对着钛靶；
3)先后启动机械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10-6pa到2×10-5pa；
4)向真空腔内通入氮气和氩气，氮气流量为4sccm，氩气流量为36sccm，总流量为40sccm，氮气氩气流量比为1：9，但是保持真空腔的真空度为0.5pa；
5)将旋转加热台面升温至800摄氏度；
6)开启直流溅射电源，预轰击钛靶进行预溅射，功率为100w，时长为20分钟；
7)打开覆盖在衬底表面的挡板，进行直流磁控溅射，溅射功率为100w，保持温度不变，衬底位置固定，生长薄膜30分钟；
8)停止通入氮气和氩气，持续抽真空，并将衬底温度维持在800摄氏度，进行真空退火20分钟；
9)完成真空退火后，关闭分子泵，同时停止加热，待降温至100度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转台面温度降至常温时取出样品。
本对比实施例与实施例1的区别主要在于真空腔的真空度方面区别，制备得到的氮化钛薄膜e电阻率为200μohm/cm左右，其x射线衍射图如图5所示。通过氮化钛薄膜e和氮化钛薄膜a的对比可以发现保持其他参数不变，溅射过程中的真空腔真空度对氮化钛薄膜的取向也有影响，选取适合的真空度也是制备(100)高度择优取向的氮化钛薄膜的关键之一。
对比实施例5
1)采用rca标准清洗单抛的两寸硅片作为衬底；
2)将硅片衬底放入磁控溅射腔体的旋转加热台面上，调节加热台面使得衬底与钛靶的距离保持在15cm，硅片的抛光面对着钛靶；
3)先后启动机械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10-6pa到2×10-5pa；
4)向真空腔内通入纯氮气，氮气流量为40sccm，保持真空腔内的真空度为0.15pa；
5)将旋转加热台面升温至800摄氏度；
6)开启直流溅射电源，预轰击钛靶进行预溅射，功率为100w，时长为20分钟；
7)打开覆盖在衬底表面的挡板，进行直流磁控溅射，溅射功率为100w，保持温度不变，衬底位置固定，生长薄膜30分钟；
8)停止通入氮气和氩气，持续抽真空，并将衬底温度维持在800摄氏度，进行真空退火20分钟；
9)完成真空退火后，关闭分子泵，同时停止加热，待降温至100度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转台面温度降至常温时取出样品。
本对比实施例与实施例1的区别主要在于氮气和氩气流量和配比控制方面区别，制备得到的氮化钛薄膜f电阻率同样为200μohm/cm左右，其x射线衍射图如图6所示。通过氮化钛薄膜f和氮化钛薄膜a的对比可以发现保持其他参数不变，纯氮气对形成单一取向的氮化钛薄膜没有帮助，而选取适合的氮气氩气比也是制备(100)高度择优取向的氮化钛薄膜的关键之一。
对比实施例6
1)采用rca标准清洗单抛的两寸(100)晶向硅片作为衬底；
2)将硅片衬底放入磁控溅射腔体的旋转加热台面上，调节加热台面使得衬底与钛靶的距离保持在15cm，硅片的抛光面对着钛靶；
3)先后启动机械泵和分子泵抽真空，真空腔抽真空至5×10-6pa到2×10-5pa；
4)向真空腔内通入氮气和氩气，氮气流量为4sccm，氩气流量为36sccm，总流量为40sccm，氮气氩气流量比为1：9，并使得腔内真空度保持在0.15pa；
5)将旋转加热台面升温至800摄氏度；
6)开启直流溅射电源，预轰击钛靶进行预溅射，功率为100w，时长为20分钟；
7)打开覆盖在衬底表面的挡板，进行直流磁控溅射，溅射功率为150w，保持温度不变，衬底位置固定，生长薄膜60分钟；
8)停止通入氮气和氩气，持续抽真空，并将衬底温度维持在800摄氏度，进行真空退火20分钟；
9)完成真空退火后，关闭分子泵，同时停止加热，待降温至80度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转台面温度降至常温时取出样品。
本对比实施例与实施例1的区别主要在于溅射功率和降温时间，制备得到的氮化钛薄膜g的厚度约为氮化钛薄膜a的1.7倍，而电阻率同样为200μohm/cm左右，其x射线衍射图如图7所示。通过氮化钛薄膜g和氮化钛薄膜a的对比可以发现保持关键参数不变，改变非关键因素并不影响氮化钛薄膜的取向性和电阻率。
由上述实施例可见，本发明制成的氮化钛薄膜拥有(100)的高度择优取向和较低的电阻率，适合作为某些材料的底电极，也可应用在各类光电探测器中。
本发明已通过实施例进行了描述，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。