CN111435123A - 一种测量金属性TiNx薄膜吸收系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量金属性TiNx薄膜吸收系数的方法。首先对P‑GaN衬底和覆有厚度约50nm的金属性TiNx薄膜的P‑GaN的同一位置进行不同电压下的阴极荧光测试(CL)，获得相应的阴极荧光强度；然后，根据朗伯特定律从而获得不同电压下TiNx薄膜的吸收系数，进而得到平均的吸收系数值；最后，利用四探针技术对薄膜的方块电阻进行测试，进一步确定TiNx薄膜的金属性。本发明利用SEM和CL相结合，获得金属性TiNx薄膜的吸收系数，从而提供了一种对半导体衬底上的厚度为几十纳米的金属性薄膜的吸收系数进行测定的新方法。

Description

一种测量金属性TiNx薄膜吸收系数的方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜的吸收系数的测量方法，尤其涉及一种金属性TiNx薄膜吸收系数的测量方法。
背景技术
氮化钛(TiNx)是一种难熔的非化学计量的过渡金属氮化物，其熔点高达2930℃，金属性的TiNx呈现金黄色，在可见光和近红外光谱范围内呈现等离子体激发的行为。相比传统的等离子材料，例如金和银，TiNx具有熔点高，化学稳定性好，机械强度高，抗腐蚀，同时具有生物兼容性，易与标准的硅基技术集成等一系列的优点，而且TiNx的光学性质随着生长参数的变化具有可调谐性，因此，TiNx成为替代传统贵金属材料金的等离子体陶瓷材料，标志着等离子体器件的一个新的技术开端，纳米尺寸的TiNx包括纳米尺寸的薄膜、纳米天线、纳米颗粒、超表面以及纳米图形结构，其在太阳能热光伏***(S/TPV)、生物医疗、热辅助磁记录(heat-assisted magnetic recording，HAMR)、高温传感器(High-T sensors)和平面光子器件(flat optics)等方面有广阔的应用前景。除此之外，金属性的TiNx薄膜由于具有低的电阻率且耐高温，也正被广泛研究和用作器件金属化机制中的扩散垒层、欧姆接触层、整流层以及CMOS器件中的栅电极。
目前，TiNx薄膜可以通过多种沉积技术进行生长，包括化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、以及物理气相沉积(PVD)如反应磁控溅射(reactive sputtering)、脉冲激光沉积(PLD)等。然而，脉冲激光沉积技术由于适用于外延生长其它制膜设备和方法难以制备的高熔点、多元素(如化合物半导体，陶瓷材料)和复杂层状结构的薄膜和超晶格，成为目前复杂化合物薄膜材料研究和生长的重要沉积技术。文献报道通常利用椭圆偏振光谱来测量TiNx薄膜的椭偏参数包括薄膜表面以及各界面的反射光的总振幅和相位，从而拟合出薄膜的折射率、消光系数等光学参数，然而在我们的测试中，我们发现当金属性TiNx薄膜的厚度达到几十纳米时，由于金属性TiNx薄膜对光的镜面反射以及吸收，难以正确拟合出薄膜的光学参数。
发明内容
本发明的内容在于提出一种金属性TiNx薄膜吸收系数的测定方法，从而准确估量TiNx 薄膜的吸收系数，进一步确定所生长的TiNx薄膜呈现金属性。
本发明提供一种针对金属性TiNx薄膜的吸收系数的测定方法，该方法包括：
提供蓝宝石为基底的P-GaN基片，利用扫描电子显微镜附带的阴极荧光(CL)部件，对该P-GaN基片的同一位置进行不同电压下的CL测试；
对该P-GaN基片进行清洗处理；
利用脉冲激光沉积***(Pulsed Laser Deposition，PLD)在P-GaN表面进行TiNx薄膜的生长；
利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)对生长的TiNx薄膜的晶体结构、取向以及表面形貌进行表征；
利用扫描电子显微镜(SEM)对TiNx薄膜的截面形貌进行表征，获得TiNx薄膜的厚度；
对覆有TiNx薄膜的样品的同一位置进行不同电压下的阴极荧光测试(CL)，获得生长 TiNx薄膜后的样品的阴极荧光强度，根据朗伯特定律I＝I0e-αd，从而获得不同电压下TiNx薄膜的吸收系数，进而得到平均的吸收系数值，与金属的吸收系数所属的范围进行比对，确定 TiNx薄膜的金属性；
最后，利用四探针技术对薄膜的方块电阻进行测试，进一步确定TiNx薄膜的金属性。
本发明的有益效果是，利用SEM和CL相结合，获得金属性TiNx薄膜的吸收系数，从而提供了一种对半导体衬底上的厚度为几十纳米的金属性薄膜的吸收系数进行测定的新方法。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，以下参照附图，并结合具体实验结果，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1 P-GaN衬底上所生长的TiNx薄膜的XRD图；
图2 P-GaN衬底上生长的TiNx薄膜的AFM形貌图；
图3 P-GaN衬底上生长的TiNx薄膜的截面SEM形貌图；
图4 P-GaN在不同电压下的CL结果；
图5覆有TiNx薄膜的P-GaN在不同电压下的CL结果；
图6 P-GaN及覆盖有TiNx薄膜的P-GaN在不同电压下的CL测试结果的比较。
具体实施方式
利用本实验室的脉冲激光沉积(PLD)***在掺Mg的C面P-GaN衬底生长的TiNx薄膜，呈现金黄色，具有金属光泽，其中所述的脉冲激光沉积***为波长为248nm的准分子激光器，脉冲宽度为25ns，最大脉冲频率为10HZ，P-GaN的衬底为蓝宝石。对该样品进行测试表征，利用SEM和CL相结合，根据朗伯特定律获得TiNx薄膜的吸收系数，通过方块电阻的测试进一步确定所生长的TiNx薄膜呈现金属性，具体步骤如下：
提供蓝宝石为基底的Mg掺杂的P-GaN，利用扫描电子显微镜附带的阴极荧光(CL)部件，对该P-GaN基片的同一位置进行不同电压下的CL测试，如图4所示，而后对该片子进行清洗；
将清洗并用氮气吹干的P-GaN片子放入沉积腔室，抽真空，使本底真空达到10-6Pa以上，升温到600℃，热处理1h，然后将温度升高到650℃，通入高纯N2，达到预设压强，利用PLD***自带的等离子体装置产生N2等离子体，对P-GaN表面预处理10分钟，去除表面氧化层；
激光以45°角入射，经透镜聚焦进入沉积腔室，沉积前，放下基片前的挡板，对纯度为99.9％的TiN靶材进行预溅射，溅射时间2-3分钟，然后撤掉挡板，开始沉积，沉积温度为650℃，气压为3Pa，沉积时间为1h，靶间距为8cm，激光能量为250mJ，脉冲重复频率为2HZ，沉积结束，原位退火1h，待温度降到室温，取出样品，如图1所示，样品呈现金黄色，具有金属光泽；
利用X射线衍射(XRD)对样品的晶体结构和结晶取向进行表征，如图1所示，为 P-GaN基片与所生长的TiNx薄膜的θ-2θ扫描曲线，扫描的角度范围为20°-90°，从图1 可以看出，在P-GaN基片上生长的TiNx薄膜呈现(111)择优取向，对应的衍射峰位为面心立方结构TiNx的(111)和(222)晶面；
利用原子力显微镜(AFM)对TiNx薄膜的表面形貌进行表征，如图2所示，TiNx薄膜呈现平坦而光滑的表面，表面粗糙度为0.259nm；
利用扫描电子显微镜(SEM)对该样品的截面形貌进行表征，从图3可以看出，我们所生长的TiNx薄膜平坦致密，具有清晰的界面，厚度为49.6nm，从而可以得出P-GaN基片上TiNx薄膜的平均生长速率约为0.8nm/min；
对沉积TiNx薄膜后的样品的同一位置进行不同电压下的CL测试，如图5所示，沉积TiNx薄膜后，CL强度大大降低，表明P-GaN发出的阴极荧光经TiNx薄膜吸收后而大大衰减，而且仅有GaN的发光峰位且峰位没有移动，这也表明我们所生长的TiNx薄膜是呈现金属性的；而且，随着电压的增加，P-GaN基片的CL强度快速增加，而生长完TiNx薄膜后，随着电压增加，CL强度略有增加，如图6所示；
不同电压下的CL强度的峰值具体见表1，根据朗伯特定律I＝I0e-αd，其中I0表示P-GaN 基片的CL强度，I表示生长TiNx薄膜后的样品的CL强度，d表示薄膜厚度，α表示TiNx薄膜的吸收系数，从而得出TiNx薄膜的吸收系数
Figure BSA0000177812080000031
具体计算结果见表1；
表1
Voltage(KV) (P-GaN)CL I<sub>0</sub> CL I Ln(I/I<sub>0</sub>) α(cm<sup>-1</sup>)
10 11337.05 2635.57 -1.45898 2.94×10<sup>5</sup>
12 18867.76 2781.09 -1.91461 3.86×10<sup>5</sup>
14 24499.71 3140.55 -2.05426 4.14×10<sup>5</sup>
16 35538.33 3410.45 -2.34377 4.73×10<sup>5</sup>
于是，我们得出该薄膜样品的平均吸收系数为3.92×10^(5)cm^(-1)，在105量级，而金属的吸收系数在10^(4)～10^(5)量级，这表明我们所生长的TiNx薄膜是呈现金属性的；
最后利用四探针技术对TiNx薄膜的方块电阻进行测试，测试结果为14.36Ω/□，根据SEM测试的TiNx薄膜的厚度为49.6nm，因此其电阻率为ρ＝Rd，其中R表示方块电阻，d表示薄膜的厚度，从而获得薄膜的电阻率为7.12×10^(-5)Ω·cm，而一般金属的电阻率在10^(-5)～10^(-6)Ω·cm，这进一步确定我们所生长的TiNx薄膜呈现金属性，具有优良的导电性。
本发明利用SEM和CL相结合，获得金属性TiNx薄膜的吸收系数，从而提供了一种对半导体衬底上的厚度为几十纳米的金属性薄膜的吸收系数进行测定的新方法。

Claims (3)

1.一种测量金属性TiNx薄膜吸收系数的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)提供蓝宝石为基底的P-GaN基片，对该P-GaN基片的同一位置进行不同电压下的阴极荧光测试(CL)；
(2)对该P-GaN基片进行清洗处理；
(3)利用脉冲激光沉积***在P-GaN表面进行TiNx薄膜的生长；
(4)利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)对生长的TiNx薄膜的晶体结构、取向以及表面形貌进行表征；
(5)利用扫描电子显微镜(SEM)对TiNx薄膜的截面形貌进行表征，获得TiNx薄膜的厚度；
(6)对覆有TiNx薄膜的样品的同一位置进行不同电压下的阴极荧光测试(CL)，获得生长TiNx薄膜后的样品的阴极荧光强度，根据朗伯特定律I＝I0e-αd，从而获得不同电压下TiNx薄膜的吸收系数，进而得到平均的吸收系数值，与金属的吸收系数所属的范围进行比对，确定TiNx薄膜的金属性；
(7)最后，利用四探针技术对薄膜的方块电阻进行测试，进一步确定TiNx薄膜的金属性。
2.根据权利要求1所述的一种测量金属性TiNx薄膜吸收系数的方法，其特征在于步骤(3)中所述的激光器为波长为248nm的KrF准分子激光器，激光脉冲宽度为25ns，最大脉冲重复频率为10HZ。
3.根据权利要求1中所述的一种测量金属性TiNx薄膜吸收系数的方法，其特征在于步骤(5)中所述的TiNx薄膜的厚度为50nm左右。
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