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离子源偏压对PIA-EB-Hf法制备的hfo2激光薄膜性能的影响

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无机材料学报 2017年第1期32卷 69-74页

作者：付朝丽杨勇马云峰魏玉全焦正黄政仁中国科学院上海硅酸盐研究所结构陶瓷工程中心上海201800 上海大学环境化学与工程学院上海200444

探究hfo_2薄膜的激光损伤特性以进一步提高激光损伤阈值(Laser Induced Damage Threshold,简称LIDT),对其在高功率激光系统中的广泛应用具有重要的意义。在不同的离子源偏压下,采用等离子体辅助电子束蒸发金属铪(Hf)并充氧(O_2)进行反... 详细信息

探究hfo_2薄膜的激光损伤特性以进一步提高激光损伤阈值(Laser Induced Damage Threshold,简称LIDT),对其在高功率激光系统中的广泛应用具有重要的意义。在不同的离子源偏压下,采用等离子体辅助电子束蒸发金属铪(Hf)并充氧(O_2)进行反应沉积法制备了中心波长为1064 nm,光学厚度为4H的hfo_2薄膜样品。测试了薄膜组分和残余应力;根据透射谱拟合了薄膜的折射率;通过XRD谱图和SEM表面形貌图分析了薄膜的微观结构;对激光损伤阈值、损伤特性和机理进行了论述。结果表明:偏压100 V时制备的薄膜具有最佳O/Hf配比;薄膜压应力和折射率均随偏压降低而减小。薄膜内存在结晶,激光能量在晶界缺陷处被强烈聚集和吸收,加速了膜层的破坏,形成由几百纳米的烧灼坑聚集而成的海绵状损伤结构。随着偏压降低,膜结晶取向由(111)晶面向(002)晶面转变,界面能降低;晶粒减小,结构更均匀,缓解了激光能量在晶界处的局部聚集与吸收,表现出较大的激光损伤阈值。

关键词： hfo2薄膜等离子体辅助电子束蒸发离子源偏压微观结构激光损伤

氧分压对hfo2薄膜残余应力的影响及有限元分析

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强激光与粒子束 2008年第6期20卷 894-898页

作者：张丽莎许鸿中国科学院光电技术研究所

利用电子束蒸发法制备了单层hfo2膜,控制氧气流量从0 mL/min以步长5 mL/min递增至25 mL/min(标况下)。利用ZYGO干涉仪测量基片镀膜前后的面形变化,代入Stoney公式计算出残余应力,分析了不同氧压下残余应力的变化情况。随着氧压的增大,... 详细信息

利用电子束蒸发法制备了单层hfo2膜,控制氧气流量从0 mL/min以步长5 mL/min递增至25 mL/min(标况下)。利用ZYGO干涉仪测量基片镀膜前后的面形变化,代入Stoney公式计算出残余应力,分析了不同氧压下残余应力的变化情况。随着氧压的增大,残余应力由张应力逐渐过渡到压应力,当氧压过大时,压应力减小。因此可以通过改变氧压来控制应力。应力的变化与薄膜的微观结构密切相关,分析了所有样品的X射线衍射图(XRD),发现均为非晶结构。利用Ansys建立基片-薄膜有限元模型,将应力作用下基片的形变与实验结果进行对比,验证所建立的模型,为分析hfo2/SiO2膜堆应力的匹配设计提供参考。

关键词：电子束蒸发 hfo2薄膜残余应力氧分压有限元分析

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hfo2薄膜的制备与光学性能

功能材料 2007年第A1期38卷 309-311页

作者：刘文婷刘正堂许宁鹿芹芹闫锋西北工业大学材料学院陕西西安710072

采用射频磁控反应溅射法，以高纯热压hfo2陶瓷为靶材，在Si衬底上成功制备出hfo2薄膜。系统研究了工艺参数对薄膜沉积速率的影响规律，并对薄膜的光学性能进行了研究。结果表明，射频功率对薄膜沉积速率的影响最为明显，O2／Ar流量比和... 详细信息

采用射频磁控反应溅射法，以高纯热压hfo2陶瓷为靶材，在Si衬底上成功制备出hfo2薄膜。系统研究了工艺参数对薄膜沉积速率的影响规律，并对薄膜的光学性能进行了研究。结果表明，射频功率对薄膜沉积速率的影响最为明显，O2／Ar流量比和衬底温度对沉积速率的作用不明显，所制备薄膜的折射率较高在近红外波段趋于1．95，在500-1650nm波段范围内薄膜几乎无吸收，透过率较高。

关键词：磁控反应溅射 hfo2薄膜沉积速率光学性能

hfo2薄膜热特性的分子动力学模拟与实验研究

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HfO2薄膜热特性的分子动力学模拟与实验研究

作者：管相宇大连理工大学

学位级别：硕士

hfo薄膜被广泛应用于微电子、光学以及信息技术等高新技术领域,由于各种边界效应等因素的影响其热特性参数通常与体材料有很大的不同。因此亚微米薄膜热物性参数的测试成为亟待解决的问题,开展相关研究有利于提高器件的稳定性与可靠性,... 详细信息

hfo薄膜被广泛应用于微电子、光学以及信息技术等高新技术领域,由于各种边界效应等因素的影响其热特性参数通常与体材料有很大的不同。因此亚微米薄膜热物性参数的测试成为亟待解决的问题,开展相关研究有利于提高器件的稳定性与可靠性,而且对微尺度传热的理论发展具有十分重要的意义。本文采用分子动力学模拟的方法对不同物相的hfo薄膜的热导率进行了探究,计算了温度在200-600K,厚度在5.12-31.70nm范围内的单斜相、立方相以及非晶态hfo的导热系数。模拟结果表明:单斜相hfo的热导率为0.49-1.20W/mK,立方相hfo的热导率为1.31-1.96W/mK,而非晶态hfo的热导率为0.17-0.24W/mK。在模拟的尺度范围内,不同物相的hfo薄膜热导率均呈现出明显的尺度效应,但表现出不同的温度依赖性,这是由于热容和声子散射强度随温度的升高表现出相对不同的变化造成的。通过分子动力学模拟的方法研究了不同条件下hfo与SiO之间的界面热传输特性,仿真结果表明:晶体与晶体之间的界面热阻要显著大于非晶与非晶之间。声子态密度的计算结果显示,非晶hfo与非晶SiO之间的声子振动模式匹配程度更好,因此声子失配程度的不同是引起晶体与非晶hfo/SiO之间界面热阻差异的最主要原因。此外,随着温度的增加,不同接触类型的界面热阻都会有一定程度的下降,这是由于在高温情况下会激发出更多的声子参与导热引起的。通过瞬态热反射方法对溅射制备的厚度为70-190nm的晶态和非晶态hfo薄膜热导率进行了测试。实验结果表明:在测试厚度范围内,hfo薄膜的总热阻值随薄膜厚度的增大而线性增加,而薄膜热导率基本不随厚度增加而变化。非晶态的hfo薄膜的热导率为0.42±0.042W/mK,晶态hfo薄膜的热导率为1.32±0.132W/mK,由于本文中测试的薄膜较厚因此没有表现出热导率与厚度的依赖关系。本文对退火前后的薄膜分别进行AFM、XRD以及XPS测试,通过表征进一步说明了相对于非晶态hfo,晶态hfo热导率的升高是一方面是材料晶化程度的提高引起的;另一方面是由于退火过程中氧空位缺陷减少,声子平均自由程增大引起了晶格热导率的升高。本文通过分子动力学模拟与实验测试相结合的方式对hfo薄膜的热特性进行了研究,为相关器件的热管理与热规划提供了重要的参考。

关键词：分子动力学模拟 hfo2薄膜界面热阻热导率晶态和非晶态

溅射功率对hfo2薄膜结构及电学性能的影响

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半导体技术 2016年第2期41卷 124-128页

作者：穆继亮何剑张鹏马宗敏丑修建熊继军中北大学仪器与电子学院太原030051 中北大学国防科技重点实验室太原030051

采用射频磁控溅射法分别在不同溅射功率下制备了Hf O2薄膜,基于该组薄膜实现了金属-绝缘体-金属(MIM)电容器原型器件。采用Raman、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱学(XPS)和电学测试仪等分析手段,研究了溅射... 详细信息

采用射频磁控溅射法分别在不同溅射功率下制备了Hf O2薄膜,基于该组薄膜实现了金属-绝缘体-金属(MIM)电容器原型器件。采用Raman、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱学(XPS)和电学测试仪等分析手段,研究了溅射功率对薄膜微结构和电学特性的影响。测试结果表明,随着溅射功率的增加,hfo_2薄膜由无定形态向单斜晶相转化、颗粒尺寸逐渐增大、Hf—O键结合度增强,由于提高溅射功率导致了薄膜晶化、团簇和Hf—O结合能减小,使MIM电容器击穿电压降低,漏电流呈现先降后增。结果表明溅射功率为150 W时,hfo_2薄膜获得较好的电学性能。

关键词：射频磁控溅射 hfo2薄膜溅射功率微结构电学性能

退火温度对hfo2薄膜应力和光学特性的影响

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激光技术 2011年第2期35卷 182-184,188页

作者：齐瑞云吴福全郝殿中王庆吴闻迪曲阜师范大学激光研究所山东省激光偏光与信息技术重点实验室曲阜273165

为了研究退火温度对hfo_2薄膜应力、光学常数和表面粗糙度的影响,采用电子枪蒸镀法制备了薄膜样品,在不同温度下进行了退火处理。利用ZYGO干涉仪、UV-3101PC分光光度计、X射线衍射仪和冷场发射扫描电镜对样品进行了测试。结果表明,在本... 详细信息

为了研究退火温度对hfo_2薄膜应力、光学常数和表面粗糙度的影响,采用电子枪蒸镀法制备了薄膜样品,在不同温度下进行了退火处理。利用ZYGO干涉仪、UV-3101PC分光光度计、X射线衍射仪和冷场发射扫描电镜对样品进行了测试。结果表明,在本实验条件下制备的hfo_2薄膜都是无定形结构;残余应力均为张应力,且随退火温度的升高呈先减小后增大现象,在300℃退火条件下具有最小应力;hfo_2薄膜折射率随退火温度的升高而增大,并且色散减小;低温退火可以提高hfo_2薄膜的平整度,高温退火反而会使hfo_2薄膜表面粗糙度增加。这些结果可以为制备高质量hfo_2薄膜提供参考。

关键词：薄膜 hfo2薄膜残余应力退火微结构折射率

脉冲激光沉积制备的hfo2薄膜的结构与电学性能

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功能材料 2007年第A2期38卷 670-672页

作者：王毅王浩张志鹏莫琦冯洁朱建华杨辅军汪汉斌湖北大学物理学与电子技术学院湖北武汉430062 湖北大学材料科学与工程学院湖北武汉430062

采用脉冲激光沉积（PLD）方法在Si（100）基底上制备了有效氧化层厚度为8．6nm，介电常数为29．3的hfo2薄膜．借助C射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、高分辨透射电镜（HRTEM）分析了样品的微观结构，对电容的C-V与I-V电学特性进... 详细信息

采用脉冲激光沉积（PLD）方法在Si（100）基底上制备了有效氧化层厚度为8．6nm，介电常数为29．3的hfo2薄膜．借助C射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、高分辨透射电镜（HRTEM）分析了样品的微观结构，对电容的C-V与I-V电学特性进行了测试。实验结果表明，该方法制得的hfo2薄膜表面光滑，N2500℃下退火30mm后样品表面粗糙度由0．203nm变为0．498nm，薄膜由非晶转变为简单正交结构，界面层得到有效控制，该栅介质电容具有良好的C-V特性，较低的漏电流密度（4．3×10^-7A/cm^2，@-1V），是SiO2栅介质的理想替代物．

关键词：脉冲激光沉积 hfo2薄膜电学特性

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掺镍纳米微粒hfo2薄膜的电荷存储特性

掺镍纳米微粒HfO2薄膜的电荷存储特性

作者：朱华星西南大学

学位级别：硕士

自20世纪90年代中期以来,由互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管结构(MOS)发展起来的纳米浮栅非易失性存储器件(NFG-NVM)已被广泛研究并应用于新一代闪存设备。由于具有较高的功函数和优异的电荷存储性质,相比于半导体(Si,Ge)和有机物... 详细信息

自20世纪90年代中期以来,由互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管结构(MOS)发展起来的纳米浮栅非易失性存储器件(NFG-NVM)已被广泛研究并应用于新一代闪存设备。由于具有较高的功函数和优异的电荷存储性质,相比于半导体(Si,Ge)和有机物(C,graphene)等电荷存储节点候选材料,镶嵌在氧化物介电薄膜(Al2O3,hfox,ZrO2,TiO2,HfAlOx)中的金属纳米微粒(Pt,Au和Ag)呈现出更优异的电荷存储能力,但由于其价格昂贵,所以不适合大规模工业化生产应用。镍纳米晶粒(Ni-NCS)具有高达5.35 eV的功函数,稳定的化学性质。文献报道其电荷存储窗口宽度(平带电压偏移DVFB)涵盖1-20 V,显示出优异的电荷存储特性,但其电荷存储耐受性和稳定性以及在氧化物基质中的抗氧化问题还需要进一步提高和改进。本文利用射频磁控溅射的方法,在n-Si(100)衬底上沉积制备了以镍金属纳米微粒为电荷存储单元,hfo薄膜为栅控/隧穿层的MOS电容器结构。利用原子力显微镜(AFM)、高分辨透射电镜(TEM)和X射线光电子衍射(XPS)观测表征了薄膜的表面形貌,和界面微结构,并分析确定了其化学组成成分;利用安捷伦4294A型高精密阻抗分析仪和Keithley2400数字源表表征了其电容-电压(C-V)和电流-电压(I-V)特性曲线。实验结果表明,掺镍纳米微粒hfo薄膜最大可以获得约1.5V的电荷存储窗口宽度,对应存储电荷密度约为6.0×1012/cm2。持续循环电压扫描4.0×104个周期后,薄膜的电荷存储窗口宽度与累积态电容值无明显衰减,显示出优良的电荷存储耐受性。利用+6V脉冲电压充电10s让电容器处于存储/擦除状态,静候105 s后,电容器结构电子/空穴电荷量仍保持在95%以上,存储窗口宽度无明显衰减。利用外推法可知电容器在10年后依然保持足够的状态辨识度,完全满足下一代非易失存储器对器件耐受性和持久性的要求。对其电流-电压(I-V)特性曲线数据拟合分析表明,在2.5′107 V/m到1.75′108 V/m的电场强度范围内符合肖特基隧穿机制。另一方面,我们还探究了可见光辐照对掺镍纳米微粒hfo薄膜电荷存储特性的影响。对比研究表明,可见光辐照下覆盖自然氧化硅层的Si衬底以及纯hfo薄膜电容器结构依然无存储窗口。而掺镍纳米微粒hfo薄膜电容器在可见光辐照条件下,电荷存储窗口宽度明显增大,在±6V扫描电压下,电荷存储窗口宽度从1.5V增加到了2.76V,对应存储电荷密度约为:9.9×1012/cm2。综上所述,掺镍纳米微粒hfo薄膜具有优良的电荷存储特性,是最有望应用于下一代非易失性存储器件的候选材料之一。同时,其存储特性参数对光辐照的敏感性也为研究新型光敏闪存器件提供了新的研究思路。

关键词：镍纳米微粒 hfo2薄膜微结构电荷存储特性光辐照

原子层沉积结合微波退火制备hfo2薄膜及其光电性能研究

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原子层沉积结合微波退火制备HfO2薄膜及其光电性能研究

作者：李赛云南师范大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断发展,人们对光电子器件、半导体器件在性能和尺寸上要求越来越高,从而引发对纳米薄膜材料的研究热潮。氧化铪(hfo)薄膜因具备透射率高、光学带隙大、介电常数高和热稳定性好等优点,成为人们关注的材料。本文以hfo薄... 详细信息

随着科学技术的不断发展,人们对光电子器件、半导体器件在性能和尺寸上要求越来越高,从而引发对纳米薄膜材料的研究热潮。氧化铪(hfo)薄膜因具备透射率高、光学带隙大、介电常数高和热稳定性好等优点,成为人们关注的材料。本文以hfo薄膜为研究对象,采用原子层沉积(ALD)制备了结构缺陷少和致密性好的薄膜,改善薄膜的光学性能,增加介电性能、减小漏电流密度和介电损耗,再结合微波退火(MWA)热处理的薄膜质量较高,且具有更好的电学性能和稳定性。(1)采用ALD制备hfo薄膜,研究了衬底温度和沉积周期数对薄膜性能的影响。结果表明,衬底温度大于200C时可产生足够的能量使薄膜结晶。所制备的hfo薄膜具有良好的减反射性能;从可见光到近红外光谱范围的折射率随温度的升高而增大,相比非晶态,结晶后的hfo薄膜变得更加致密,290C薄膜的均匀性和致密性最好。随着沉积周期数的增加,薄膜的生长速率基本不变,约为0.13nm/cycles;薄膜粗糙度随沉积周期增加而变大,S从1.85nm到7.93nm;薄膜生长过程有三个过程:聚集生长、岛状生长和成核生长;随着周期数增加,hfo薄膜的折射率逐渐增大,透过率略有降低。带隙随着周期数增加也不断增加,从500周期数的5.56eV增加到2000周期数的5.82eV。薄膜的光致发光的发光带随周期数增加向长波偏移0.01eV。在2000周期数时hfo薄膜有最大介电常数43.8,同时抗击穿电压越大,漏电流密度也小。(2)采用不同氧源制备了hfo薄膜并对其性能进行了表征。结果表明,当周期数大于1000时,同一周期HO作为前驱体氧源比O作为氧源制备出的hfo薄膜的结晶性更好,且表面粗糙度更大。这是由于水作为氧源前驱体时,表面形成结晶颗粒,而臭氧作为氧源前驱体时,表面只出现颗粒聚集而未形成晶体,处于非晶态;由于HO作为氧源前驱体制备的薄膜hfo具有更大的密度和晶粒尺寸、结晶度更高,因此折射率更大;O前驱体制备的hfo薄膜具有更好的透射率,其最大光学带隙为5.9eV。(3)研究了微波退火温度和时间对hfo薄膜性能的影响。结果表明,随退火时间增加,薄膜的结晶度增加,表面粗糙度降低且出现单斜相结构;反射率在可见光区域出现减反射最低点,折射率受微波退火时间影响不大,在近紫外到近红外波段折射率为1.99-2.25。在沉积态时薄膜的最大介电常数14.2,随着微波退火时间增加,离子极化率降低,进而导致薄膜介电常数减小。当退火温度为350C时,开始出现多晶态,升高至450C时,薄膜出现单斜相晶体结构的特征峰,表明薄膜已转变为多晶态。随着微波退火温度增加,折射率增大,透射率降低,带隙从5.76eV降至5.54eV。另外,微波退火还导致hfo薄膜光致发光峰值红移0.03eV。

关键词：原子层沉积微波退火 hfo2薄膜物相结构光学性能电学性能