磁控溅射TiO2薄膜的相结构转变温度探究

刘长青

摘 要：本文采用磁控溅射技术制备二氧化钛薄膜，通过退火来实现二氧化钛相结构的转变，实验采用射线衍射方法和扫描电镜的手段对二氧化钛薄膜的相结构进行表征，结果表明：实验退火后的二氧化钛薄膜结构整体表现出较好的致密性，;针对不同退火温度条件下的二氧化碳薄膜相结构进行了分析，为二氧化钛薄膜制备工艺优化提供参考。

关键词：磁控溅射技术;二氧化钛薄膜

1、引言

新兴产业的兴起带动了半导体材料产业的发展。作为重要的宽禁带半导体材料，二氧化钛的化学稳定性好，性价比高，在多个领域中得到广泛应用。由于二氧化钛的晶体结构表现不同，因此不同结构下的物理化学性能也有差异。为了更好地把握二氧化钛薄膜产品的相结构，本文对磁控溅射方法制备二氧化钛薄膜的相结构转变温度进行了实验分析，旨在更好地帮助企业及从业人员控制二氧化钛晶型转变，提升产品制备的工艺质量。

2、试验材料及方法

本试验的主要设备为射频磁控溅射设备、晶体振荡膜厚测试仪、真空管式炉、扫描电镜、X射线衍射仪。试验在常温室内的石英衬底上进行二氧化钛薄膜制备。采用超声方式对二氧化钛薄膜进行丙酮、无水乙醇和纯水中清洗，干净后取出干燥，然后将二氧化钛薄膜置入射频磁控溅射设备真空溅射腔内。靶材材质为高纯度的氧化钛，溅射介质为高纯氩气，本底真空度真空度二位5×10-4Pa，设备运行时气压为0.6Pa，偏压为35V，设备溅射功率为150W。然后利用晶体振荡膜厚测试仪检测二氧化钛薄膜厚度为100nm。对制备好的二氧化钛薄膜在真空管式炉中退火，退火介质为空气，退火温度阶梯设定，分别为400℃;500℃;600℃;700℃;800℃;退火处理的时间均为1h。利用扫描电镜对不同退火温度条件下的二氧化钛薄膜进行形貌表征。利用X射线衍射仪对不同退火温度條件下的二氧化钛薄膜结构进行检测，分析二氧化钛薄膜相结构的转变过程。

3、试验结果与讨论

设备运行气压0.6Pa，偏压35V，溅射功率为150W条件下，石英衬底上沉积的二氧化钛薄膜沉积厚度与时间表现出正相关关系。随着沉积时间的延长，二氧化钛薄膜沉积厚度随之增加。根据试验数据得到沉积厚度和时间的线性拟合曲线，斜率即为二氧化钛薄膜沉积速率，数值为（0.13±0.03）nm/min。

在不同退火温度条件下，检测到的二氧化钛薄膜X射线图谱表现出明显差异。与未经过退火处理的二氧化钛薄膜X射线图谱相比，谱线出现了特征衍射峰，表明经过退火处理的二氧化钛薄膜的相结构发生了变化。在未经过退火处理时，二氧化钛薄膜X射线图谱在20°附近位置有很宽的峰;而在经过退火处理后，二氧化钛薄膜X射线图谱在其他的位置出现特征衍射峰，这些特征衍射峰的位置与退火处理温度相关，随着退火温度的不同而位置不同。当退火温度为400℃时，2θ数值为27.74°、32.40°、46.36°;当退火温度为500℃、600℃时，2θ数值为28.93°、37.35°、30.48°;当退火温度为700℃、800℃时，2θ数值为30.53°、63.46°;当退火温度超过800℃时，2θ数值发生大角度偏移。根据不同二氧化钛的晶体结构物理化学性能，对上述不同退火温度条件下得到的二氧化钛薄膜X射线图谱进行分析，当退火温度为400℃时，二氧化钛薄膜晶体结构的特征谱线对应锐钛矿晶面;当退火温度为500℃、600℃时，二氧化钛薄膜晶体结构的特征谱线对应锐钛矿晶面和金红石晶面;当退火温度为700℃、800℃时，二氧化钛薄膜晶体结构的特征谱线对应金红石晶面;当退火温度超过800℃时，可能是二氧化钛薄膜晶体内部具有残余应力，导致二氧化钛薄膜晶体结构特征谱线的衍射角度向大角度偏移。

利用公式计算不同退火温度下二氧化钛薄膜晶体结构中不同矿相的质量分数，公式如下：

公式中，IR代表金红石矿相的最大峰强度;IA代表锐钛矿相的最大峰强度。结合上述公式，计算得出的结果与上述X射线图谱检测得到的结果吻合。当退火温度上升时，二氧化钛薄膜晶体结构中的锐钛矿相含量减少，而二氧化钛薄膜晶体结构中的金红石矿相含量增加。计算结果如下表。

由于二氧化钛薄膜晶体结构变化与晶格常数息息相关，因此退火温度的不同很可能与晶格常数有关。锐钛矿相的晶胞结构为两个八面体与周围8个八面体相连，而金红石矿相的晶胞结构为每个八面体与周围的10个八面体相连。金红石矿相晶胞虽然具有一定的斜度，但是与锐钛矿相的晶胞相比，方晶结构的对称性更强。这很可能是磁控溅射二氧化钛薄膜在不同退火温度条件下晶体结构发生变化的内在原因，同时也决定了金红石相结构的二氧化钛化学稳定性更佳。

4、结语

本文采用磁控溅射技术制备二氧化钛薄膜，通过退火来实现二氧化钛相结构的转变。结果表明：实验退火后得到的二氧化钛薄膜结构整体表现出较好的致密性;在400℃退火温度时，可得到单一的锐钛矿相结构;随着退火温度升高可得到锐钛矿相和金红石相的混合结构;700℃退火温度时，可得到单一的金红石矿相结构。这一实验结果可为二氧化钛薄膜制备工艺提供参考。

参考文献

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[2] 氮气流量和退火处理对射频磁控溅射氮掺杂二氧化钛薄膜性能的影响，杨勇，汪冰洁，姚婷婷，等，《材料科学与工程学报》，2019（3）

[3] 磁控溅射中溅射功率对TiO2薄膜质量影响的研究，李金玉，《国际公关》，2019（03）