论文部分内容阅读
采用多靶磁控溅射共沉积获得不同原子比例，不同晶相的Nb-Ge薄膜，并分析了Nb/Ge原子比、沉积温度、沉积气压、退火温度等不同沉积条件对薄膜物相组成、表面形貌的影响，并测试了薄膜的低温电阻性质。为制备Nb-Ge薄膜提供了必要的前期基础研究，并为Nb-Ge薄膜应用于器件后，对温度传感器的性能和可靠性提供前期的基础研究。 沉积气压对薄膜的原子比有很大影响，在溅射功率较小时，高气压下沉积的薄膜的原子比小于低气压的薄膜;溅射功率升高后，情况相反。原子比对薄膜物相有很大影响，由于A15结构的Nb3Ge是高温亚稳相、H-Nb5Ge3、T-Nb5Ge3和Ge2Nb都是稳定相，在沉积气压较低时，原子比例低就容易形成H-Nb5Ge3和T-Nb5Ge3，随着原子比的增大，物相开始向Ge2Nb、A15Nb3Ge过渡，最终只剩下A15 Nb3Ge和Ge2Nb相;而在沉积气压较高时，溅射粒子、溅射粒子与Ar+之间的碰撞概率增大，溅射粒子在到达基片的时候已经热化(Thermalized)，更容易形成A15相。在高低气压下都能制备出A15相Nb3Ge，但是在低气压下制备的薄膜含有较大量的杂质相，而在高气压下可以制备单一A15相Nb3Ge。 沉积温度对薄膜的结晶性有很大的影响。在400℃时薄膜表面非常平坦，但到沉积温度上升至500℃后，薄膜表面开始出现数百纳米大小的晶粒，温度达到700℃以上后，薄膜中几乎全部出现类似于碎石状的结晶颗粒。在高沉积气压下，在沉积温度只有400℃时，可以发现在38°附近有一个非晶包，说明沉积温度太低，薄膜的结晶质量差。当沉积温度升高到500℃以上，可以发现薄膜结晶程度变好，薄膜中有H-Nb5Ge3、T-Nb5Ge3和Ge2Nb三种晶相共存，但是没有发现A15相的形成，温度进一步升高后，A15相开始形成。 偏压对薄膜的表面形貌、致密度及晶型都有非常重要的影响。由于Ar+轰击薄膜会使得薄膜中的Ge原子又重新溅射出来，当偏压很小时，薄膜表面的晶粒很小，只出现了极少量的大晶粒;但是随着偏压的增大，晶粒尺寸也逐渐增大，小尺寸晶粒所占比例也越来越小;当偏压高于96V后，就从薄膜中几乎观察不到小晶粒的出现。对单一相的Nb3Ge薄膜还进行退火处理，发现薄膜的表面形貌并没有发生明显的变化，表面都是尺寸和形态相近的晶粒，但结晶性变好。 经过低温电阻测试发现，一些薄膜表现出金属态，还有一些薄膜表现出半导体性质，并且这种性质与Nb/Ge原子比例没有直接关系，比较晶格参数发现单一A15相的Nb-Ge薄膜的晶格常数较大，影响Nb原子链中Nb原子之间的耦合关联，这可能就是薄膜没有出现超导的原因。 为研究Nb3Ge表面的氧化研究，运用密度泛函理论计算了氧(O)在Nb3Ge表面的吸附，结果表明O倾向于吸附在Nb原子周围，并与Nb的电子轨道发生了明显的交叠，O与Nb形成兼具共价键和离子键特性的化学键。利用X射线光电子能谱对自然氧化的Nb3Ge表面进行成分分析发现:氧化层中只存在Nb的氧化物，理论计算结果与实验结果一致。由于O容易与Nb结合，最外层的Nb因逐渐氧化而耗尽，在接触势的驱使下，内部的Nb原子与最外层的Ge原子交换，最终使得Nb与O的形成氧化物在Nb3Ge表面聚集，在该氧化层下面是由于Nb的耗尽而形成的Ge聚集层。 在实际的多靶磁控溅射系统中，溅射靶与基片通常会存在一定的偏心距和倾角。因此，在考虑薄膜均匀性时，除了靶基距还必须同时考虑偏心距和倾角的影响。数值模拟结果表明，适当增大靶基距、偏心距和靶-基片倾角，可获得厚度均匀性良好的薄膜，同时薄膜厚度也会减小的;但是合理配置偏心距和靶-基片倾角，可以获得均匀性高、厚度又不会显著降低的薄膜。