[发明专利]一种磁控溅射用复合靶材的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁控溅射用复合靶材的设计方法，属于磁控溅射技术及无机化合物功能薄膜制备技术领域。

背景技术

赫斯勒（Heusler）及半赫斯勒（half Heusler）系列材料包含1500多种不同的化合物，其中包含半导体、拓扑绝缘体、超导体、磁性材料、形状记忆材料、半金属材料等，具有广泛的应用领域，是材料领域持续的研究热点之一。他们的结构通式分别为X₂YZ和XYZ，材料的性能对其组元的成分非常敏感。在这些材料的研究中一般对体材料的研究较多和较深入，而对薄膜研究较少，特别是其中的热电材料和拓扑绝缘体，目前对其薄膜的制备研究非常缺乏。赫斯勒及半赫斯勒薄膜通常可由分子束外延（MBE）和磁控溅射来获得，但分子束外延法因产量、效率和成分控制问题而受到限制。溅射法在沉积通常的合金薄膜时效率是被广泛认可的，然而，一方面很多赫斯勒合金具有脆性，难以将其制成大面积的合金靶形式；另一方面这些材料的某些组成元素熔点相差过大，或者在制备过程中易于挥发或偏析，从而难以形成符合化学计量比的化合物靶材。另外，对于磁控溅射法制备薄膜，溅射得到的薄膜成分一般不同于其所用靶材的成分，因此精确调节成分比较困难。在这些情况下共溅射是比较好的选择。

在具有多个靶的传统共溅射法中，所需的靶的个数由欲制备的化合物薄膜的组成元素个数决定，但靶的个数及其位置在设备定制的时候就已经确定了，难以增减和调节。虽然也可以选用某两种组分的合金靶和其他组元的单质靶进行共溅射，不过这又给成分调节带来困难。在一般的共溅射法中，如中国专利申请号02128681《用共溅射法沉积赫斯勒合金薄膜的方法》虽然薄膜的成分可以通过改变各个阴极靶的溅射速率来调节，但由于其固有的倾斜溅射设置，即使衬底在成膜过程中可以旋转，所制备薄膜的局部成分总是不均匀的。为了得到均匀的薄膜，阴极靶必须尽量彼此靠近，倾斜角必须尽量地小。这种共溅射系统一般是比较昂贵和复杂的。

发明内容

发明目的

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种磁控溅射用复合靶材的设计方法，使得在一般的非共溅射系统上可以获得成分均匀、化学计量比易于控制调节赫斯勒及半赫斯勒化合物薄膜，且有利于降低成本。

技术方案

为了解决上述问题，权利要求1记载的设计方法，利用磁控溅射法分别制备单质薄膜并利用台阶仪测出其厚度，获得每种靶材的生长参数曲线，从而计算出不同功率下各组元的溅射速率。综合考虑选定某合适的溅射功率和气压，根据该条件下各元素的溅射速率分别计算出制备一定化学计量比的化合物薄膜所需的面积或扇形段的角度，并依据此角度对单质靶进行切割，分别切割成一定数量的5^o、10^o、30^o、60^o的扇形段。按照计算出的所需单质靶材面积或角度分别选用合适数量的扇形段，清洗干净后用导电胶将它们粘贴到与靶材相同尺寸的薄铜片上，作为初始成分试用复合靶。在拼接复合靶时，要尽量使得每种组元的扇形段都能均匀地交替分布。

用初始成分试用复合靶在合适的衬底温度、工作气压和溅射功率条件下制备出化合物薄膜，进行元素成分分析。根据分析结果重新调节复合靶材中各组成元素的面积比或扇形段角度比，重复上述制备薄膜、成分分析结果反馈的过程，最终得到所需成分比例的复合靶材。根据多次反复实验，第三次成分分析结果已经很接近设定的化学计量比，可以得到符合要求的化合物薄膜。

本设计方法中各个组元扇形段是可更换调节的，这为化学计量比的改变提供了非常便捷可行的途径。

发明效果

如上所述，本发明的复合靶材设计方法是一种不需要使用多靶材共溅射法、但能取得共溅射生长化合物薄膜或复合薄膜效果的新型复合靶材设计方法，其所得薄膜成分均匀，化学计量比易于控制调节，且有利于降低薄膜制备成本，特别适用于如赫斯勒及半赫斯勒系化合物这样难以制备合金靶材薄膜材料。

附图说明

图1是溅射气压0.7 Pa下不同溅射功率下Ti、Co和Sb单质膜的沉积速率曲线。

图2是本发明的单质靶材切割示意图，图中的数字为扇形段的角度。

图3（a）是一个三元复合靶结构示意图，其中三种不同的颜色代表不同的组元单质A、B、C。图3（b）是利用不同角度扇形段进行成分调节的示意图。