[发明专利]一种采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种制备碲化铋合金薄膜的方法，特别是一种采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法。

(二)背景技术

用半导体热电材料制备的热电器件，具有小型化、重量轻、无噪声、不使用传热介质、无污染等优点，在热电发电及制冷领域具有巨大的应用前景。碲化铋(Bi₂Te₃)化合物及其固溶体合金是研究最早也是最成熟的热电材料之一，室温下其块体材料的最佳热电优值约为1，目前大多数热电致冷元件均采用这类材料。由于碲化铋块体材料热电优值较低，所以热电材料的热电转化效率较低；而其低维结构则具有更高的热电优值，热电转换效率更高，所以碲化铋薄膜材料的研究成为当前热电研究领域的热点。

制备碲化铋薄膜的方法很多，如真空蒸发沉积法、脉冲激光沉积法、金属有机物气相沉积法、电沉积法、溶胶凝胶法、分子束外延法和溅射沉积法等，其中由于溅射沉积法工艺简单、没有废液废气排放、薄膜质量高、易于大规模生产等优点，成为一种优选的碲化铋薄膜制备方法。然而在采用碲化铋作为溅射靶材时，由于铋(Bi)和碲(Te)的溅射率不同，以及Bi和Te的饱和蒸气压相差4-5个数量级，以至于溅射沉积的薄膜成分与靶材成分出现较大的偏差；而碲化铋的热电性能与成分密切相关，所以在使用碲化铋靶溅射沉积薄膜时往往得不到符合化学计量比的薄膜，因而不能满足生产的需要。

(三)发明内容

本发明的目的是针对上述制备技术中的缺点，提供一种操作简单且质量可靠的采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法。

本发明的技术方案：

一种采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法，在磁控溅射仪上实施，其特征在于：将高纯碲片作贴片靶，用导电胶粘贴于高纯铋标准靶上，以此复合靶作为溅射靶材进行共同溅射；高纯碲片为园形，直径为标准靶材半径的30-50％，数量3-6片，均布于标准靶上；以单晶硅片作为薄膜衬底，置于溅射靶台对面；其工艺参数为：本底真空度高于1.0×10^-3Pa、工作氩气压力0.2-3 Pa、靶基距4-10 cm、基片台旋转每分钟5-15圈、薄膜衬底温度100-300℃、溅射电源功率20-100 W、退火温度200-300℃、退火时间0.5-2小时。

一种上述采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法，其特征在于：高纯碲片为方形，边长为标准靶材半径的30-50％，数量3-6片，均布于标准靶上。

一种上述采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法，其特征在于：用高纯碲片作标准靶，用高纯铋片作贴片靶。

一种上述采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法，其特征在于：以石英片或玻璃片作为薄膜衬底。

本发明的优点是：通过改变标准靶材上贴片靶的面积大小和数量多少，可以很容易地调整沉积薄膜的成分；逐渐增加或者减少贴片靶材覆盖在标准靶材上的面积，即可实现沉积薄膜成分的连续变化，而不必每改变一次成分都重新制作一个相应成分的标准靶；尤其对于溅射化合物靶沉积的薄膜成分有较大差别，以及探索最佳成分掺杂量来说，该方法简单、可操作性强、产品质量可靠、重现性好。

(四)具体实施方式

实施例：一种采用共溅射沉积法制备碲化铋合金薄膜的方法，在磁控溅射仪上实施，其工艺步骤如下：

1)将4个直径12mm、厚1mm的高纯碲片，均布粘贴于直径60mm的高纯铋靶上，并且使碲片中心位于以铋靶圆心为圆心，直径30mm的圆环上，上述粘贴形成的复合靶作为共溅射靶材，并以碲片面向基片台固定于溅射靶台之上；

2)以单晶硅片(100)作为薄膜衬底；

3)将真空室抽真空至真空度高于3×10^-5Pa，调整闸板阀，然后向真空室中充入高纯氩气，并维持氩气在1.0Pa，将Si基片置于反溅台上进行反溅清洗10分钟；

4)反溅清洗完成后关闭氩气，将基片重新置于样品台上并打开加热电源，将基片加热至200℃；

5)重新向真空室充入氩气，调节气体流量计使氩气压力稳定在0.5Pa；调整溅射模式至正溅，调整靶基距为7cm；打开射频溅射电源，溅射输出功率为30W，预溅射15min；打开基片台旋转电源，调节旋转速度为10rpm；然后打开基片台与溅射靶台之间的挡板开始正式溅射沉积薄膜；30分钟后关闭溅射电源和氩气，继续保温一小时；然后以3-5℃/min的速度降至室温；