磁控反应溅射制备GexC1—x薄膜的结构

刘正堂 耿东生
西北工业大学材料科学与工程学院

文章摘要:利用射频磁控反应溅射以Ａｒ、ＣＨ４为原料气体，在较宽的工艺参数范围内制备出了ＧｅｘＣ１－ｘ薄膜。利用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、Ｘ射线光电子谱（ＸＰＳ）对制备的薄膜进行了分析。结果表明，ＧｅｘＣ１－ｘ薄的结构强烈领事于制备的工艺参数。当沉积温度较低、射频功率不大时，ＧｅｘＣ１－ｘ薄膜主要为非晶态结构。随着沉积温度升高、射频功率增大，薄膜中出现Ｇｅ微晶相。ＧｅｘＣ１－ｘ薄膜中Ｇｅ与Ｃ发生电荷的转移，形成化
文章主题:GexC1－x薄膜 磁控反应溅射 薄膜结构

文章内容：第21卷第2期2000年6月金属热处理学报1.21.22000摘要:利用射频磁控反应溅射以,为原料气体.在较宽的工艺参数范国内翻备出了一薄膜.利用射线衍射(),射线光电子谱()对毒备的薄膜进行了分析.结果表明..】一薄膜的结构强烈依赖于制备的工艺参数.当沉积温度较低,射频功率不大时.】一薄膜主要为非晶态结构.随着沉积温度丹高,射频功率增大.薄膜中出现微晶相.薄膜中与发生电荷的转移,形成化学键.关键诃:.一薄膜;磁控反应溅射;薄膜结构,————～一,———一碳化锗(～)薄膜所具有的独特性能引起了人们的极大关注.首先,它是一种颇为理想的新型红外薄膜材料1-5],具有低应力和低光吸收系数,折射率可根据组分的不同在较宽的范围内变化,这些特性十分有利于多层膜系的设计与制备.其次+一薄膜还具有在较宽范围内光学带隙的可调与高温稳定性_6对光伏和光热应用有十分重要的意义,是很有发展前景的半导体薄膜材料.尽管与之间原子半径失配而难以形成稳定的二元化台物,但可以形成坚固的亚稳精细颗粒的陶瓷.材料的性能很大程度上取决于其结构.而一薄膜的结构至今尚不大清楚.本文主要利用,分析的结果来讨论射频磁控反应溅射的一薄膜的结构.1试验方法采用射频磁控反应溅射法制备1一薄膜.射频功率输出端经匹配网络后接于溅射靶极.溅射靶材为65×4的单晶锗,衬底材料为单晶片.制备过程中优化的工艺参数范围为:气体流量比4:=0%～30%,射频功率100～300,衬底温度25～400℃,工作气压,极板间距40～60.这些工艺参数的改变对薄膜的结构都产生一定的影响.在一12型射线衍射仪上对1一薄膜进行结构分析,发射源为,电压40,电流100.在一5400型射线光电子谱仪(,)上对1一薄膜的成分及结构进行分析.分析用的光源为,光子能量1486.6.用60型收藕日期:2000—0306:修订日期:2000—04—15基盒项目航空科学基盒贷助(9353120)作者薪开:剂正堂(195一),男.西北工业大学材事科学与工程学院教授,博士生导师,主要研究方向为薄膜材料与技术厦红外光学材料金属热处理学报第21卷傅立叶变换红外光谱(.)对样品在4000～400渡数范围进行透射曲线的测量.结果与分析讨论2.1分析图1是一薄膜的典型谱.工艺参数为:流量(标准太气压下)5.0/.-流量1.3/,射颡功率150,衬底温度200℃.工作气压0.7,极板间距40.20/)图1.一.薄膜的典型谱_岖1-一20/(.)图2不同衬底温度下沉积的一薄膜的谱2-一似图1)中2口为28.4'的尖锐峰是衬底的(111)峰,镀膜样品(图)的该峰强度明显下降,在28'附近出现具有非晶特征的渡包.因此,衍射峰实际上是(111)峰与非晶渡包的叠加.结果说明,所制备的】一薄膜具有非晶态结构.利用等离子体增强化学气相沉积(),溅射等非平衡等离子体反应制备非晶半导体薄膜已普遍见于国内外报道,图1中非晶渡包的出现意味着本实验装置及工艺参数满足了制备非晶材料的条件.射颡溅射镀膜时.射频功率越小,村底温度越低.越有利于形成非晶薄膜.这是因为在低的功率与温度下.到达衬底的吸附原子释放的凝聚热不足以使衬底温度明显上升,使得吸附原子在衬底表面的迁移率较小,不利于原子的规则排列,于是得到非晶结构.图2为不同衬底温度沉积样品的谱.可见随村底温度的升高渡包逐渐变尖.400℃沉积的薄膜中存在明显的晶体相.由此可见.衬底温度对1一薄膜的结构有重要影响.改变沉积温度等工艺条件可使一薄膜的结构在非晶与晶态之间变化.等人[】对反应溅射沉积的1一薄膜扫描电镜观察时发现,村底温度高时相会以岛状分离,造成对红外光的散射.因此,通过控制沉积温度,射频功率等工艺参数以保证得到非晶结构的一薄膜对于增透保护膜的应用是必要的.2.2分析图3为某典型1一薄膜沉积态及用离子溅射5后的全扫描谱由图可见,2.结合能出现双峰,这是它的特征现象.沉积态薄膜的谱峰比较明显,定量分第2期刘正堂等:礁控反应溅射制备一薄膜的结构/囝3典型一薄膜沉积态()和离子束溅射后()的垒扫描谱.3-一()5一(()析其浓度为原子分数26%.当用离子束对该样品原位溅射5后,01峰强度明显减弱,但仍有少量氧存在.这说沉积态表面大量氧的存在主要是沉积样品暴露于空气中被枵染.另外,薄膜制备中背景真空度不高或原料气体不纯可能是导致薄膜中少量氧存在的主要原因.从图中也可以看出,溅射后】.峰强度亦有所减弱,说明沉积态表面也有污染碳.图4示出了沉积态薄膜3/2的窄扫描谱.可见3,2峰左右不对称,表面处于不同的化学状态.对这一谱线进行退卷积处理分离为两个峰,对应的结合能峰值为1219.61和1217.83,前者接近的2.3峰(1220).后者结合能高于元素的23/2峰(1217.1).,和的电负性分别为3.5,2.5和2.0.,的电负性差为1.5,而,的电负性差只有0.5.因此,薄膜表面,结合发生电荷转移的可能性大于,之间的结合.图5为离子溅射5后薄膜2.3/2的窄扫描谱,谱峰也不对称,结合能峰值为217.5,与元素的结合能相比向高能方向移动了0.4.这说明不是以元素形式存在,而是发生了电荷转移./图4沉积态一薄膜峰窄扫描谱4-≈-一222222202】2】月21726251214/囝5溅射后一薄膜电.3峰窄扫描谱.5—2一图6为薄膜沉积态和溅射后.的窄扫描谱,沉积态薄膜1的结合能为284.4,与石墨(或污染碳)的结合能一致.定量分析结果表明,沉积态薄膜表面有大量氧存在.优先与结合,而碳主要石墨碳(或污染碳)形式存在.溅射后1.结合能向低能方向漂移.3.即被还原.溅射后薄膜内氧含量较少.很可能是与之间发生了电荷转移.但转移程度小于,之间发生作用时的电荷转移..等人[对活性反应蒸镀的非晶薄膜进金属热处理学报第21卷287286285284283282/图61一薄膜沉积态()和离子溅射后,峰窄扫描谱()6+:)0...//()-0()[日3结论行分析,得到了与我们用磁控溅射制备的一薄膜的类似结果.他们也发现膜中,的