发布时间 : 星期六 文章磁控溅射技术进展及应用更新完毕开始阅读
在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面得到应用。特别是透明导电玻璃目前广泛应用于平板显示器件、太阳能电池、微波与射频屏蔽装置与器件、传感器等。透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜。ITO薄膜最低电阻率接近1025Ω·cm量级,可见光范围内平均光透过率在90%以上。在光学存储领域,光盘存储自推出以来技术不断更新,磁控溅射也从镀制CD2ROM的Al及CD2R的Au或Ag的光反射层,到CD2RW中镀制ZnS2SiO2/GeSbTe(或AgInSbTe)/ZnS2SiO2/Al多层结构光记录媒介膜。目前随着对光存储的需求大幅度的增加,磁控溅射在光学存储领域将发挥更大的作用。在现代机械加工工业中,表面功能膜、超硬膜,自润滑薄膜的表面沉积技术自问世以来得到长足发展,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命,应用越来越广泛。溅镀材料包括Ti、Cr、Pt、Cu等金属;TiAl6V4、MCrAlY(M指Ni、Co、Fe等金属)等合金;TiN、TiAlN、TiC、TiCN、CrN、TiAlOX、TiB2、SiC等超硬材料;Al2O3、ZrO2等介质材料薄膜,采用非平衡磁控溅射技术沉积单层、多层或纳米结构薄膜。适合的表面装饰镀膜处理在各种塑料的表面产生优良的金属层,溅射薄膜在光滑的基底表面呈现出金属光泽和良好的附着性,使用多种金属元素可以得到种类繁多、不同金属色泽的镀层,镀层的丰满度、光亮度与传统电镀相近。
磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。
薄膜发光材料的一个重要的研究方向,是在Si衬底上实现高效率电致发光和电泵激光,进而运用成熟的硅电路工艺技术,实现全硅的光电子集成。北京大学物理学院秦国刚小组运用磁控溅射技术,沉积纳米材料发光薄膜,系统研究纳米硅/氧化硅体系光致发光和电致发光。在实际研究中采用复合靶共溅射技术,淀积不同成分含量的薄膜以及多层和超晶格结构。
在纳米Si、Ge/SiO2薄膜发光研究方面,使用Si2SiO2复合靶RF磁控溅射淀积三种不同Si含量的富Si2SiO2薄膜,X射线光电子谱测量显示SiO2薄膜中存在纳米Si粒,用高分辨率透射电镜和电子衍射研究高温退火纳米Si粒的析出和结晶。Si靶30%面积比及900℃退火的样品可观察到其中少量的纳米Si粒。随
SiO2薄膜中富Si量的增加和退火温度的增加,SiO2薄膜中的纳米Si粒的密度和尺寸显著增加。
使用Si2SiO2复合靶硅片与总靶面积比为0%、7%、10%、20%和30%,用RF磁控溅射方法在p2Si衬底上淀积了五种不同富Si量的SiO2薄膜,样品在300℃下退火。通过X射线光电子能谱、光吸收和光致发光测量确定出:随着Si在溅射靶中面积比的增加,所制备的氧化硅薄膜中纳米硅粒的量在增加,尺寸也在增大。不同富硅量的二氧化硅膜的光致发光谱峰都接近于119eV,其中Si靶面积比10%的样品光致发光峰最强。峰位不随纳米硅粒的平均光学带隙减小而明显改变。近紫外至近红外光吸收谱测量结果显示,其光吸收边随着硅在溅射靶中面积比的增加而明显红移。
SiO2∶Ge薄膜的研究使用Ge2SiO2复合靶以射频共溅射技术在p2Si衬底上淀积含Ge的SiO2薄膜,厚度约为112μm,改变Ge片的相对面积来改变SiO2膜中Ge的含量,锗与总靶面积比0%、5%、10%。分别经过300℃、600℃、800℃及900℃退火。通过对样品Raman散射光谱测量,确定出SiO2薄膜中纳米Ge粒的平均尺寸,发现随着Ge在溅射靶中面积比的增加或退火温度的升高,所制备的含Ge的SiO2薄膜中纳米Ge粒的尺寸均在增大。测量薄膜光致发光谱峰位于580 nm,位置几乎不随锗在溅射靶中面积比或退火温度而改变。上述SiO2薄膜中纳米Si粒和纳米Ge粒实验结果和光致发光机制可以用量子限制/发光中心模型解释。
用磁控溅射淀积掺Er的SiO2、掺Er富Si的SiO2、掺Er的SiN和掺Er富Si的SiN薄膜,这些薄膜在各种温度下进行退火,室温下测量其光致发光(PL)谱,观察到这四种薄膜都有1154μm的荧光峰,其中两种富Si薄膜的1154μm峰强度明显比两种不富硅薄膜强,且强度还与薄膜的退火温度有关,进而分析了两种富Si薄膜中纳米Si粒对增强发光效率的作用及机理,确定800℃退火的掺Er富Si2SiO2薄膜的1154μm峰强度是最强的,比不富Si的强约20倍。
进一步系统研究Er3+1154μm光致发光峰强度与富Si程度及退火温度间的依赖关系。以p2Si为衬底使用SiO22Si2Er复合靶,Er片占靶面积的1%,而Si片在复合靶中的面积比为0%、10%、20%和30%,共溅射方式淀积不同Si含量的掺Er富Si的SiO2薄膜,在600℃、700℃、800℃、900℃和1000℃的温度中进行退火处理。X射线光电子谱仪研究证实富Si的SiO2中Si含量随着Si片的面积
增加而增加;室温下测量光致发光谱,观察到各谱中都含有1154μm和1138μm两个荧光峰,其中1154μm荧光峰来自Er3+发光,且掺Er富Si的SiO2薄膜的1154μm的峰强度比掺Er的SiO2薄膜的大得多;不同Si含量的掺Er富Si的SiO2薄膜会有不同的最佳退火温度,也发现富Si程度为20%的掺Er富Si的SiO2薄膜800℃退火后,1154μm的PL峰强度是所有薄膜中最强的。在样品背面用光刻和蒸发技术制备带有窗口的Al电极,前面对应窗口制备半透明Au电极,测量电致发光谱,研究半透明Au/SiO2:Si:Er/n+2Si结构发光二极管电致发光谱特性,以及不同富Si含量和退火温度对电致发光谱的影响。半透明Au/SiO和半透明Au/SiO2:Er/n+2Si发光二极管的反向开通电压分别约为4V和6V。测量结果显示半透明Au/SiO2:Si:Er/n+2Si发光二极管的1154μm的发光峰强度,比半透明Au/SiO2:Er/n+2Si发光管大,富Si程度为20%的Au/SiO2:Si:Er/n+2Si发光二极管,在800℃退火后,1154μm的PL峰强度是所有结果是最强的,与上述光致发光谱的结果相似。但纳米Si粒对电致发光的强度增强作用没有光致发光明显。
另外还对双势垒单量子阱和四层超晶格结构的纳米Si/SiO2光致发光和电致发光进行深入研究。在p2Si衬底上,分别使用Si和SiO2两个靶,磁控溅射方法交替沉积SiO2/Si/SiO2,Si层有从110～510nm一系列不同的厚度,顶部和底部的SiO2厚度为310nm和115nm,形成双势垒单量子阱结构。测量电致发光谱发现,峰值强度和发光峰波长随Si层的厚度增加而摆动。实验结果表明电致发光来源于SiO2层的发光中心,纳米Si层的电子空穴隧道效应和量子限制起着重要的作用。进一步的研究证实,不同厚度纳米Si层的Au/SiO2/Si/SiO2/p2Si双势垒单量子阱结构发光二极管电致发光谱,都能够用两个峰值为1182eV和2125eV的高斯带拟合,对应的半高宽分别为0138eV和0169eV。发现恒定正向工作电压下,电流、光致发光谱的发光峰波长和高斯带拟合峰的强度,随纳米Si层的厚度增加而摆动。显示电致发光的主要来源于SiO2势垒中能量为1182eV和2125eV的两类发光中心。另外对于半透明Au/SiO2:Er/Si/SiO2:Er/n+2Si纳米双势垒单量子阱结构发光二极管的研究也表明电致发光和光致发光谱谱形和峰位随纳米Si层的增加而改变,每个电致发光谱可以3个高斯带拟合,3个峰值分别为01757eV、01806eV和01860eV,半高宽分别为01052eV、01045eV和01055eV。
以Si和SiO2两个靶,磁控溅射方法交替淀积四层(Si/SiO2)结构超晶格,其中Si层从110～312nm一系列的厚度,SiO2的厚度是115nm,对比管的结构中没有Si层,只是在p2Si衬底上沉积910nm厚的SiO2层。研究四层(Si/SiO2)超晶格结构(ASSOSL)的半透明Au/(Si/SiO2)/SiO2/p2Si发光二极管的光电性质,测量(Si/SiO2)超晶格中不同厚度Si层二极管的伏安特性和电致发光谱。在正向电压5V下观察到可见光,测量电致发光谱显示,超晶格结构的电致发光谱随超晶格中Si层的厚度变化而改变,电致发光谱都有118eV与210eV之间的峰和一个212eV的侧峰,发光谱可以由两个分别为1182eV和2122 eV高斯带拟合而成,对应的半高宽分别为014eV和0165eV。还发现电流大小和电致发光强度,随超晶格结构中的Si层厚度的增加而摆动。根据测量结果,文章分析和详述了(Si/SiO2)超晶格结构的载流子传输和辐射复合的过程。同样对四层(Ge/SiO2)超晶格结构的Au/(Ge/SiO2)/SiO2/p2Si发光二极管,以及发光二极管的电致发光谱、强度和电流与Ge层厚度变化的相互依赖关系,也进行了系统的研究。