用于MFIS的ZrO_2薄膜的制备及特性研究

新型不挥发非破坏性读出铁电存储器金属 /铁电 /半导体器件结构中 ,存在着铁电薄膜与半导体衬底之间相互扩散、离子陷阱密度高、铁电薄膜难于直接淀积在硅衬底上、电荷注入等问题 ,因此在铁电薄膜与半导体之间增加一层合适的介质材料作为阻挡层是制备不挥发非破坏性读出铁电存储器的关键。文中研究了运用 SOL- GEL方法制备 Zr O2 介质层的方法 ,并且对制备的介质层的成份、结构、电特性进行了分析 ,为研制 MFIS作了准备。

工作气压对电子束沉积ZrO_2薄膜折射率和聚集密度的影响

采用电子束蒸发的方法,用石英晶体振荡法监控薄膜的蒸发速率,在不同工作气压下制备了ZrO2薄膜样品.在相调制型椭圆偏振光谱仪和分光光度计上对样品的光谱特性进行了测试.根据波长漂移的理论,计算出薄膜的聚集密度.结果表明,随着工作气压的降低,薄膜的聚集密度和折射率都随之增大.

氧分压对ZrO_2薄膜激光损伤阈值的影响

在不同的氧分压下用电子束热蒸发的方法制备了ZrO2薄膜。分别通过X射线衍射、光学光 谱、热透镜技术、抗激光辐照等测试,对所制备样品的微结构、折射率、吸收率及激光损伤阈值进行了测量。实 验结果表明,薄膜中晶粒主要是四方相为主的多晶结构,并且随着氧分压的增加,结晶度、折射率以及弱吸收均 逐渐降低。薄膜的激光损伤阈值开始随着氧分压增加从18.5J/cm2逐渐增加,氧分压为9×10-3Pa时达到最 大,值为26.7J/cm2,氧分压再增加时则又降低到17.5J/cm2。由此可见,氧分压引起的薄膜微结构变化是 ZrO2薄膜激光损伤阈值变化的主要原因。

ZrO_2薄膜的改性与抗激光损伤研究

采用水热合成技术,制备了ZrO2胶体,用旋涂法镀制了单层ZrO2介质膜以及添加了有机粘合剂PVP的复合ZrO2-PVP薄膜。采用X射线衍射(XRD)、椭偏仪、红外分光光度计(FTIR)、原子力显微镜(AFM)等仪器对干凝胶及薄膜进行了性能测试和表征,并用输出波长为1.064μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统产生的强激光测试其激光损伤阈值。测得ZrO2和ZrO2-PVP薄膜在300℃热处理60 min后的激光损伤阈值分别为24.5 J/cm2和37.8 J/cm2。研究表明:添加有机粘合剂后的复合薄膜具有平整的表面结构;有机粘合剂的添加有助于提高薄膜的折射率和激光损伤阈值,其中,ZrO2-PVP复合薄膜的折射率可高达1.75,激光损伤阈值达到37.8 J/cm2,比ZrO2单层膜的激光损伤阈值提高50%。

退火对ZrO_2薄膜微结构及激光损伤阈值的影响

利用电子束蒸发方法在Yb∶YAG晶体和熔融石英衬底上沉积单层 ZrO2 薄膜,分别在 673 K和1 073 K的温度下经过12 h退火以后,通过X射线衍射(XRD)分析了薄膜晶相,计算了薄膜的晶粒尺寸;利用表面热透镜技术获得了薄膜的吸收;测量了退火后薄膜的激光损伤阈值。实验结果表明:两种衬底上的薄膜结构受到退火温度和衬底表面结构的影响,高温退火有利于单斜相的形成,含单斜相的 ZrO2 薄膜具有较高的激光损伤阈值,而由于衬底的吸收,Yb∶YAG晶体上薄膜的损伤阈值远小于石英衬底上薄膜的损伤阈值。

烧结温度对ZrO_2薄膜表面形貌及力学性能的影响

采用溶胶-凝胶法在玻璃基体表面制备了经300℃,400℃和500℃烧结热处理的ZrO2薄膜。利用X射线衍射仪、原子力显微镜和纳米压痕仪研究了烧结温度对ZrO2薄膜表面形貌和力学性能的影响。实验结果表明,随着烧结温度的增加,ZrO2的晶体结构由少量的单斜晶相逐渐转变为单斜晶相和四方晶相的混合相。薄膜表面形貌逐渐改善,薄膜的表面粗糙度和颗粒度依次减小,薄膜的表面粗糙度分别为10.5nm、7.2nm和5.6nm,ZrO2的粒径分别为188nm、153nm和130nm。ZrO2薄膜的弹性模量和硬度都显著提高,薄膜的弹性模量分别为89.6GPa、114.2GPa和128.9GPa,薄膜的硬度分别为7.6GPa、10.3GPa和15.1GPa。

高介电栅介质ZrO_2薄膜的物理电学性能

采用脉冲激光沉积方法在Si衬底上沉积了ZrO2栅介质薄膜,X射线衍射分析表明该薄膜经过450℃退火后低介电界面层得到抑制,仍然保持非晶状态;电学测试显示10 nm厚ZrO2薄膜的等效厚度为3.15 nm,介电常数12.38,满足新型高介电栅介质的要求,在-1 V偏压下Al/ZrO2/Si/Al电容器的漏电流密度为1.1×10-4A/cm2.

掺杂与应力对ZrO2薄膜电子结构和光学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法系统地研究了掺杂和应力对ZrO2薄膜的电子结构与光学性质的影响.本文首先研究了Hf原子替代掺杂对ZrO2薄膜物性的影响,研究结果表明,Hf原子掺杂减小了ZrO2薄膜的带隙和态密度大小,可在一定程度上降低其表面缺陷电荷和漏电流.掺杂Hf原子后介电峰和吸收峰的值明显下降,同时介电峰和吸收峰的波形均出现了窄化现象,半高宽显著减小.本文也着重研究了不同应力下四方晶相ZrO2薄膜物理性质变化及规律.研究发现压应力显著调控了ZrO2薄膜的带隙以及价带顶和导带底附近的能带结构.施加应力后吸收峰的吸收范围和强度均显著增大,峰值对应的光子能量蓝移则表明对紫外光的吸收随着应力的增加有所增强.在低能量红外和可见光区域,施加压应力后ZrO2薄膜的折射率变大,但在紫外线区域,压应力使ZrO2薄膜的折射率呈现出先增大后减小的波动特性.上述研究结果为ZrO2薄膜材料的设计与应用提供了理论依据.

溶胶-凝胶法制备ZrO_2薄膜及其耐腐蚀性与血液相容性研究

采用溶胶-凝胶法在316L不锈钢基底上制备氧化锆(ZrO2)薄膜,薄膜采用分级干燥工艺,经500℃退火制备得到。X射线衍射(XRD)分析了干凝胶粉末的物相结构;扫描电镜(SEM)观察了提拉速度对薄膜表面显微结构的影响;在PBS模拟体液中测试了动电位极化曲线,并对比了试样的耐腐蚀性能;基于接触角测试结果,探讨了薄膜亲/疏水性能,计算了薄膜的表面能及其与血液组分的界面张力。结果表明,500℃退火的ZrO2晶化为四方相结构,以7cm/min提拉速度能制备得到均匀致密的ZrO2纳米薄膜,且具有良好的耐腐蚀性与血液相容性。

氧分压对电子束蒸发ZrO_2薄膜微结构的影响

用XRD衍射技术分析了基片转动和充氧条件对ZrO2 薄膜组成结构的影响 ,发现在相同低氧压条件下 (P≤ 1 .1× 1 0 - 2 Pa)基片转动能够改变薄膜的组成结构 ,即薄膜发生从四方相到单斜相的转变 ;随着氧压进一步升高 ,ZrO2 薄膜将由多晶态逐渐转变为无定形结构 .同时发现基片转动能够降低充氧条件对表面粗糙度和晶粒大小的影响 .激光阈值损伤测量表明 ,氧压条件影响着ZrO2 薄膜的抗激光损伤能力 ,且多晶结构的激光损伤阈值高于无定形结构 .

单层SiO_2和ZrO_2薄膜激光辐照损伤的对比

分别采用物理气相沉积和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了4块光学厚度相近的Si O2和ZrO2单层膜。分别采用椭偏仪、透射式光热透镜和原子力显微镜对两类薄膜的孔隙率、热吸收和微观表面形貌进行了表征;利用Nd∶YAG激光器测试了样品的激光损伤阈值(LIDT;1 064 nm/8.1 ns),并用光学显微镜观察了两类薄膜的损伤形貌。结果表明,化学膜的孔隙率和表面粗糙度均大于相应的物理膜;对同一类薄膜而言,Si O2化学膜的孔隙率和表面粗糙度都比ZrO2化学膜大,物理膜则相反。化学膜有更小的热吸收,其损伤阈值普遍比物理膜高出1倍,其损伤形貌多为热熔型,而物理膜多为应力型。

紫外曝光在ZrO_2薄膜上引入微结构的研究

以锆酸丁酯和苯甲酰丙酮为源,结合 Sol-gel 工艺,以溶液浸渍法制备具有负性光刻胶性质的 ZrO_2光敏凝胶。再通过掩膜紫外曝光经显影工艺获得光栅周期在2～10μm,深度120～200nm 的 ZrO_2薄膜光栅。采用紫外分光光度计、红外分光光度计、AFM 监控图形转移过程研究了图形精确转移的工艺并优化了工艺参数。

热处理温度对ZrO_2薄膜表面形貌和结构的影响

采用溶胶-凝胶法,在302不锈钢表面制备了经不同温度热处理的ZrO2薄膜。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),研究了热处理温度对ZrO2薄膜表面形貌和相结构的影响。研究结果表明:室温下ZrO2结构呈非晶态,随着温度升高,晶体结构逐渐由四方相(t-ZrO2)向单斜相(m-ZrO2)转变;当热处理温度从400℃升高到600℃时,薄膜表面ZrO2晶粒尺寸由40 nm逐渐增大到70.1 nm,表面粗糙度也由3.34 nm缓慢增大到5.3 nm;而当热处理温度为700℃时,ZrO2晶粒明显增大(109 nm),表面粗糙度迅速增大到33 nm;红外吸收谱显示,随着热处理温度的升高,非晶态ZrO2(648与460.9 cm-1)逐渐向480.2和574.7 cm-1处的t-ZrO2结构以及424.3和732.8 cm-1处的m-ZrO2结构转变,与XRD结果一致。

ZrO_2薄膜微结构及其抗激光损伤特性研究

通过分析ZrO2薄膜电子束沉积时氧压、衬底转动及温度对薄膜相结构、晶粒尺寸和粗糙度的影响,对ZrO2薄膜微结构特性与抗激光诱导损伤性能的关系进行了研究.ZrO2薄膜衬底无转动沉积时晶体以四方相为主,而转动沉积时形成具有较高激光损伤阈值的单斜相结构.薄膜晶粒尺寸和粗糙度均随氧压的升高而减小,四方相受氧压影响变化明显高于单斜相,氧压的继续升高使多晶形态向非晶形态逐渐转变.多晶结构的损伤阈值随着晶粒尺寸的减小而增高,薄膜表面粗糙度随着沉积温度的升高略有增加,且多晶结构的损伤阈值明显要高于非晶结构,ZrO2薄膜损伤阈值(E)与粗糙度(σ)基本符合关系:Eσα=β(α=1.41,β=2.25).

电子束蒸发法制备ZrO_2薄膜的相变模型分析

用电子束蒸发方法制备了纯的ZrO2薄膜和含Y2O3摩尔分数为7%和13%的ZrO2薄膜,即YSZ薄膜,通过测定薄膜的损伤阈值来验证温度诱导相变模型;并用X射线衍射(XRD)来测定ZrO2和YSZ镀膜材料和薄膜的结构特征。结果表明:ZrO2镀膜材料和薄膜室温下都表现为单斜相,YSZ镀膜材料和薄膜室温下都以立方相存在;YSZ薄膜的损伤阈值远高于ZrO2薄膜的损伤阈值,这是因为添加Y2O3后的YSZ材料的相比较稳定,在蒸发过程中不会发生相变,而ZrO2材料则发生相变,产生缺陷,缺陷在激光作用下成为吸收中心和初始破坏点,导致ZrO2薄膜的损伤阈值降低。

ZrO_2-SiO_2薄膜对离子交换增强玻璃的光学和力学性能影响(英文)

采用溶胶-凝胶法在玻璃表面制备出ZrO2-SiO2薄膜,然后通过离子交换形成镀膜增强玻璃,研究了薄膜组成对离子交换增强玻璃的力学和光学性能的影响。利用紫外可见分光光度计、激光椭偏仪、纳米压痕、三点抗弯和能谱（EDX）分析了薄膜结构及性能。结果表明：所有薄膜均连续均匀,纯ZrO2薄膜为四方相结构,含Si薄膜为无定形结构;薄膜具有较高弹性恢复率（≥60%）以及H/E比（≥0.1）,有利于强度增强;随Si含量增加,可见光透过率增大,但表面硬度和杨氏模量随之降低;0.5ZrO2-0.5SiO2薄膜综合性能最佳：表面硬度为18 GPa,抗弯强度为393 MPa,厚度~45 nm时可见光透过率大于85%。

以表面活性剂为模板ZrO_2薄膜在空气-水界面的自组装研究

采用三种阴离子表面活性剂:十二烷基磺酸钠(SDS),十二烷基苯磺酸钠(DBS-Na),十二烷基苯磺酸(DBS-H)作模板,在空气-水界面上组装ZrO2薄膜.结果表明,采用SDS组装的薄膜具有良好的机械强度.经X射线能量扫描谱原位检测以及X射线衍射(XRD)谱检测证实,所获薄膜为层状结构,其层间距在2.70～3.54nm之间.利用所建立的层状结构模型解释了各种阴离子表面活性剂组装ZrO2薄膜并控制层间距变化的机理.

沉积工艺对高k栅介质ZrO_2薄膜生长行为的影响

采用反应射频磁控溅射法在Si(100)基片上制备了ZrO_2薄膜,通过高分辨电子显微镜、原子力显微镜,研究了沉积工艺参数(主要包括氧分压和沉积温度)对ZrO_2薄膜的表面形貌和微结构的影响.研究结果显示:氧分压和沉积温度是影响ZrO_2薄膜生长行为的重要因素.随氧分压的增大,ZrO_2薄膜的表面粗糙度近乎呈线形增加的趋势,ZrO_2薄膜微结构演化过程是a-ZrO_2(非晶)→a-ZrO_2和少量m-ZrO_2(单斜)→m-ZrO_2和少量t-ZrO_2(四方)→m-ZrO_2;随沉积温度从室温升高到550℃,ZrO_2薄膜微结构演化过程是a-ZrO_2(<250℃)→m- ZrO_2和少量a-ZrO_2(450℃)→m-ZrO_2和少量t-ZrO_2(550℃);此外,根据薄膜微结构和表面形貌的研究结果,探讨了沉积温度对薄膜生长行为的影响及其物理机制.

Y^(3+)掺杂BST/ZrO_2复合薄膜的制备及介电性能研究

运用溶胶-凝胶法在Si/SiO_2/Ti/Pt基底上制备了掺杂不同量的Y^(3+)的单层Ba_(0.65)Sr_(0.35)TiO_3(BST)薄膜和并联结构的BST/ZrO_2复合薄膜。研究发现:当BST溶胶中掺入了适量的Y^(3+)后,制备的单层BST的表面形貌得到改善,介电性能提高;掺杂的Y^(3+)为1mol%时单层BST薄膜介电性能最佳,介电常数为400.53;介电损耗为0.0125。BST/ZrO_2复合薄膜的电容值相对于单层BST薄膜得到明显提高,当烧结温度为750℃时,BST/ZrO_2复合薄膜综合介电性能最佳,介电常数790.12;介电损耗达到0.051。

退火温度对ZrO_2高介电薄膜电学性能的影响

利用反应磁控溅射法沉积了ZrO2介电薄膜,研究了退火温度对ZrO2介电薄膜电学性能的影响,并对漏电流最小的样品的漏电流机制进行了分析。结果表明,随着退火温度的升高,漏电流先减小后增大,退火温度为300℃时所制备薄膜的漏电流最小,当所加电压为–1.4 V时,漏电流密度为8.32×10–4 A/cm2。当所加正偏压为0-0.8 V和0.8-4.0 V时,该样品的漏电流主导机制分别为肖特基发射和直接隧穿电流;当所加负偏压为–1.7-0 V和–4.0-–1.7 V时,其主导机制分别为肖特基发射和空间电荷限制电流。