专利名称：一种取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料制备技术，特别是一种取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法。
背景技术：
2007年的诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert !^ert和Peter Grunberg两位教授。现在，如何获取高自旋极化的电流仍然是自旋电子学领域的热点问题之一。获得高自旋注入的办法主要有选择高自旋极化率的电极材料和制备稀磁性半导体材料。稀磁半导体是指由磁性过渡族金属元素或者稀土金属元素部分替代半导体中的非磁性元素后形成的一类新型半导体材料。目前，广泛研究的稀磁半导体主要包括II -VI 族稀磁半导体，如(Cd，Mn) 1Te等；III-V族稀磁半导体，如(Gei，Mn)As和(Gei，Mn)N等； 金属氧化物稀磁半导体，如Mn:ZnO和Co = TiO2等。由于氧化物的电阻率比较高所以在实际应用中存在困难。氮化钛晶体属立方晶系，面心立方结构，其晶格常数a=0. 42173 nm。氮化钛薄膜具有优异的机械、热、电和防腐性能，由于硬度高、摩擦系数低，被广泛用作模具、刀具等的耐磨改性层；由于抗磨损、防腐性能好、熔点高、高温稳定性好，被广泛用于飞行器和火箭等航空航天零部件；由于导电、导热性能好，在微电子领域中常用作阻挡层。如果将磁性元素掺杂到氮化钛体系中，如能获得即具有磁性有导电的材料，将会推动氮化钛材料的新用途。迄今为止，并没有人通过将狗掺入TiN薄膜中来获得具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，本发明专利采用磁控溅射共沉积的方法制备了具有室温铁磁性和半导体特性的不同狗含量的不同取向的TiN薄膜。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，即采用磁控溅射法制备掺杂含量调控取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜，该薄膜材料同时具备室温铁磁性和半导体两种属性。本发明的技术方案
一种取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，采用超高真空三靶共沉积磁控溅射镀膜机制备，本步骤如下
1)在镀膜机对向的靶头上安装一对Ti靶，一端作为N极，另一端为S极，在Ti靶的表面固定狗片，两个靶之间的距离为100 mm，靶的轴线与样品架之间的距离为100 mm；
2)将玻璃基底用酒精进行超声处理后，采用手搓的方式将其表面杂质清除后，放入酒精中浸泡，吹干后安装在对向靶连线的中垂线上；
3)开对向靶磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度为!ΧΙΟ"4 Pa；4)向真空室通入Ar和N2的混合气体，将真空度保持在11 ；
5)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加电流和电压，预溅射20分钟，等溅射电流和电压稳定；
6)打开基片架上的档板开始溅射镀膜，镀膜过程中基片位置固定；
7)镀膜时间为30分钟，镀膜结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ai^P N2，完全打开闸板阀，继续抽真空，然后关闭真空系统，待系统冷却后，向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，待真空式的气压与外界大气压相同时，开真空室，打开真空室取出制得的目标产品。所述Ti靶的纯度为99. 99%，靶材的厚度为5 mm,直径为100 mm ；Fe片的纯度为 99. 99%, Fe 片的面积为 1-2 cm2。所述Ar和N2的混合气体中，Ar和N2的纯度均为99. 999%，Ar和N2的流量均为 15 seem。所述溅射直流电源在Ti靶上施加0. 3 A的电流和500V的电压。本发明的优点是本发明采用磁控溅射法制备掺杂含量调控取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜，该薄膜材料同时具备室温铁磁性和半导体两种属性，在电子学器件上具有潜在的应用价值；该制备方法工艺简单、易于实施，靶材使用率高、生产成本低，适于大规模推广应用。
图1为制备的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的扫描电子显微镜图，其中!^e含量含量分别为(a) 2%, (b) 4%, (c) 9%, (d) 15%, (e) 28%, (f) 43%。图2为制备的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的X射线衍射图。图3为制备的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的室温磁滞回线，其中狗含量含量分别为 (a) 2%, (b) 4%, (c) 9%, (d) 15%, (e) 28%, (f) 43%。图4为制备的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的电阻率随温度的变化关系曲线。
具体实施例方式实施例
根据我们对本发明中所制备的样品进行的结构和性质分析，下面将对向靶反应溅射方法制备狗掺杂多晶TiN薄膜的最佳实施方式进行详细地说明，实施例采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-I型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机。一种取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，本步骤如下
1)在超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，在对向的靶头上安装一对纯度为99.99%的Ti 靶，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；靶材的厚度为5 mm，直径为100 mm ；在Ti靶的表面固定99. 99%的纯!^e片；两个靶之间的距离为100 mm，靶的轴线与样品架之间的距离为 100 mm ；
2)将玻璃基底材料放入盛有酒精的器皿中进行超声处理，之后采用手搓的方式将表面杂质清除后，将清洗后的样品放入酒精中浸泡，最后用吹风机将样品吹干；再将样品放到样品架上，安装在对向靶连线的中垂线上；3)开启DPS-I对向靶磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度为1X10_4 Pa ；
4)向真空室通入纯度为99.999%的Ar (15 sccm)和N2 (15 sccm)的混合气体，将真空度保持在1 1 ；
5)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加0.3A的电流和500 V左右的直流电压，预溅射 20分钟，等溅射电流和电压稳定；
6)打开基片架上的档板开始溅射，基片位置固定；溅射过程中，基底不加热；
7)溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和 N2，完全打开闸板阀，继续抽真空，然后关闭真空系统；待系统冷却后，向真空室充入纯度为 99. 999%的氮气，打开真空室取出样品即可。为了在制备薄膜中的!^e原子分布均勻，薄膜样品中的!^e含量通过改变！^片的面积和数量来改变。按照上述制备方法中相同的步骤和条件，狗片的面积分别选取为1 cm2、 1.5 cm2、2 cm2。当采用1片面积为1 cm2的狗片时，通过X射线能量色散谱测量得到制备的样品中的狗原子百分为1 ；当采用1片面积为1. 5 cm2的!^e片时，样品中的！^原子百分为4% ；当采用1片面积为2 cm2的!^e片时，样品中的！^原子百分为9% ；当采用2片面积为1. 5 cm2的!^e片时，样品中的狗原子百分为15% ；当同时采用1片面积为1. 5 cm2的!^e 片和1片面积为2 cm2的!^e片时，样品中的!^e原子百分为观％ ；当采用2片面积为2 cm2 的狗片时，样品中的！^原子百分为43%。为确认本发明最佳的实施方案，我们对本发明所制备的薄膜进行了扫描电子显微镜、X射线衍射，磁性质和电输运特性的测量。图1给出了本发明中制备的狗掺杂多晶TiN薄膜的扫描电子显微镜图，其中狗含量含量分别为(a) 2%, (b) 4%, (c) 9%, (d) 15%, (e) 28%, (f) 43% 图2给出了本发明制备的Fe掺杂多晶TiN薄膜的X射线衍射图，其中Fe含量见图中标示。从图中可以看出，衍射峰均来自于面心立方结构的TiN，说明!^e掺入TiN晶格。 当狗原子百分含量小于4%时，样品为<200>取向生长；当!^e原子百分含量大于4%时，样品为<111>取向生长。图3给出了本发明中制备的狗掺杂多晶TiN薄膜的室温磁滞回线，其中狗含量见图中标示。从图中可以看出，在室温下，样品均表现为铁磁特性。图4给出了本发明中制备的狗掺杂多晶TiN薄膜的电阻率随温度的变化关系曲线，其中1 含量见图中标示。从图中可以看出，样品的电阻率随着温度的降低而升高，表现为类似于半导体的导电行为。本发明提出通过改变!^e掺杂含量来调控<200>和<111>取向生长的的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，即当狗原子百分含量小于4%时，样品为<200>取向生长；当 Fe原子百分含量大于4%时，样品为<111>取向生长。已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的内容进行改动或适当变更与组合，来实现本发明。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明的精神、范围和内容中。
权利要求
1.一种取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，其特征在于采用超高真空三靶共沉积磁控溅射镀膜机制备，本步骤如下1)在镀膜机对向的靶头上安装一对Ti靶，一端作为N极，另一端为S极，在Ti靶的表面固定狗片，两个靶之间的距离为100 mm，靶的轴线与样品架之间的距离为100 mm；2)将玻璃基底用酒精进行超声处理后，采用手搓的方式将其表面杂质清除后，放入酒精中浸泡，吹干后安装在对向靶连线的中垂线上；3)开对向靶磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度为IXlO-4 Pa；4)向真空室通入Ar和N2的混合气体，将真空度保持在11 ；5)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加电流和电压，预溅射20分钟，等溅射电流和电压稳定；6)打开基片架上的档板开始溅射镀膜，镀膜过程中基片位置固定；7)镀膜时间为30分钟，镀膜结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ai^P N2，完全打开闸板阀，继续抽真空，然后关闭真空系统，待系统冷却后，向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，待真空式的气压与外界大气压相同时，开真空室，打开真空室取出制得的目标产品。
2.根据权利要求1所述取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，其特征在于所述Ti靶的纯度为99. 99%，靶材的厚度为5 mm，直径为100 mm Je片的纯度为99. 99%， Fe片的面积为1-2 cm2。
3.根据权利要求1所述取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，其特征在于所述Ar和N2的混合气体中，Ar和N2的纯度均为99. 999%，Ar和N2的流量均为15 Sccm0
4.根据权利要求1所述取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，其特征在于所述溅射直流电源在Ti靶上施加0. 3 A的电流和500 V的电压。
全文摘要
一种取向生长的铁掺杂氮化钛铁磁性薄膜的制备方法，采用超高真空三靶共沉积磁控溅射镀膜机制备，本步骤如下1)在镀膜机对向的靶头上安装一对Ti靶，在Ti靶的表面固定Fe片；2)将玻璃基底安装在对向靶连线的中垂线上；3)对溅射室抽真空；4)向真空室通入Ar和N2的混合气体；5)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加电流和电压；6)打开挡板溅射镀膜；7)镀膜结束后停止溅射，继续抽真空，关闭真空系统，冷却后充入氮气，即可制得的目标产品。本发明的优点是该薄膜材料同时具备室温铁磁性和半导体两种属性，在电子学器件上具有潜在的应用价值；该制备方法工艺简单、易于实施，靶材使用率高、生产成本低，适于大规模推广应用。
文档编号H01F41/18GK102360944SQ20111029530
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者王晓姹 申请人:天津理工大学