潘兴浩等：非晶半导体薄膜用T系化合物靶材制备 ·227· 材密度为5.02gcm-3,为理论密度的91.4%：方案 表面平整，200倍率下形貌不见孔洞.方案一非晶态 二制备靶材密度为5.46g·cm-3,达到理论密度的 粉体的结构复杂，非晶物质在温度达到熔点前颗粒 99.5%.方案二明显提高了靶材的致密度，对粉体 间无法紧密结合，而靶材只能通过热压法制备，所以 和靶材做进一步检测分析，以了解致密度差异的 其压制的靶材结合情况较差，内部残留孔洞和缺陷. 原因 此外，热压过程生成化合物也会造成化合物周围出 图4为两种方案制备的靶材形貌照片，可看出 现化合反应留下的孔洞.孔洞较多的靶材致密度 两种方案均使靶材较为致密，对比分析可知，方案一 低，其制备的薄膜成分、厚度不均，使用性能 制备靶材表面较为粗糙，存在较大孔洞，方案二靶材 较差[4 (a) (b) 100m 100m 图4靶材电子显微镜下形貌.(a)方案一：(b)方案二 Fig.4 Morphology of target:(a)scheme 1;(b)scheme 2 对靶材和原料粉体进行1CP-MS成分分析，结 元素的挥发损失.方案一靶材的As含量低于方案 果如表1.在制备合金粉体到压制靶材过程中，As 二，是因为其原料粉体中晶态化合物含量较少，单 含量逐步降低，其他元素含量则相对有少量的提 质As的含量更高，造成其在加工过程中挥发量 高，但基本与目标含量相符，表明加工过程存在As 更多 表1原料粉体及靶材ICP-MS分析结果 Table 1 Results of ICP-MS analysis of raw powder and target 原子数分数/% 元素 目标含量 方案一粉体 方案一靶材 方案二粉体 方案二靶材 Te 33 33.15 34.76 33.04 33.97 40.5 40.25 37.43 40.45 38.68 Ge 6 7.93 8.17 7.96 8.09 Si 18.5 18.67 19.63 18.55 19.26 对两块靶材进行成分面扫描，亮点表示此处相 为进一步分析两种靶材致密度、形貌和元素分 应元素富集，黑色区域表示此处相应元素含量较少 布差异的原因，对靶材进行物相检测.如图6所示， 结果如图5，可看出方案一制备靶材As、i、Te元素 将两种方案靶材X射线衍射谱线进行对比，可发现 分布不均，Ge元素分布较均匀.方案二只有As分 两种方案制备的靶材相成分种类相同，都包含R- 布不均，有少量富集.图4中只有方案一靶材有较 3m空间群结构的As,GeTe,和R-3m空间群结构的 多孔洞，而两块靶材Ge元素都均匀分布，说明结果 As、GeTe,尖晶石结构的Si单质.但方案一的谱线 中黑色区域不是孔洞造成的.所以元素分布不均的 峰强不高，分峰不明显：方案二缓冷工艺制备的靶材 原因可能为压制过程中形成化合物使元素在特定的 谱线峰更尖锐，各特征峰峰强更高更明显.所以方 区域偏聚富集.ICP-MS分析结果显示，靶材相比于 案二靶材物质结晶度更高，晶格形态更好[15)] 粉体只有少量As损失，不会形成明显的挥发损失现 对比图6和图2可知，靶材和原料粉体的主要 象.因此元素分布差异的原因应为方案一靶材压制 物相成分基本无差别，压制过程没有新的物相生成， 过程中形成了更多化合物，对靶材物相检测可得到 Sⅰ继续以单质形式存在.但两种方案的靶材的X射 具体化合物种类 线衍射谱图都显示其衍射峰强度相比粉体增强，非潘兴浩等: 非晶半导体薄膜用 Te 系化合物靶材制备 材密度为 5郾 02 g·cm - 3 ,为理论密度的 91郾 4% ;方案 二制备靶材密度为 5郾 46 g·cm - 3 ,达到理论密度的 99郾 5% . 方案二明显提高了靶材的致密度,对粉体 和靶材做进一步检测分析,以了解致密度差异的 原因. 图 4 为两种方案制备的靶材形貌照片,可看出 两种方案均使靶材较为致密,对比分析可知,方案一 制备靶材表面较为粗糙,存在较大孔洞,方案二靶材 表面平整,200 倍率下形貌不见孔洞. 方案一非晶态 粉体的结构复杂,非晶物质在温度达到熔点前颗粒 间无法紧密结合,而靶材只能通过热压法制备,所以 其压制的靶材结合情况较差,内部残留孔洞和缺陷. 此外,热压过程生成化合物也会造成化合物周围出 现化合反应留下的孔洞. 孔洞较多的靶材致密度 低,其 制 备 的 薄 膜 成 分、 厚 度 不 均, 使 用 性 能 较差[14] . 图 4 靶材电子显微镜下形貌. (a) 方案一; (b) 方案二 Fig. 4 Morphology of target: (a) scheme 1; (b) scheme 2 对靶材和原料粉体进行 ICP鄄鄄MS 成分分析,结 果如表 1. 在制备合金粉体到压制靶材过程中,As 含量逐步降低,其他元素含量则相对有少量的提 高,但基本与目标含量相符,表明加工过程存在 As 元素的挥发损失. 方案一靶材的 As 含量低于方案 二,是因为其原料粉体中晶态化合物含量较少,单 质 As 的含量更高,造成其在加工过程中挥发量 更多. 表 1 原料粉体及靶材 ICP鄄鄄MS 分析结果 Table 1 Results of ICP鄄鄄MS analysis of raw powder and target 元素 原子数分数/ % 目标含量 方案一粉体 方案一靶材 方案二粉体 方案二靶材 Te 33 33郾 15 34郾 76 33郾 04 33郾 97 As 40郾 5 40郾 25 37郾 43 40郾 45 38郾 68 Ge 8 7郾 93 8郾 17 7郾 96 8郾 09 Si 18郾 5 18郾 67 19郾 63 18郾 55 19郾 26 对两块靶材进行成分面扫描,亮点表示此处相 应元素富集,黑色区域表示此处相应元素含量较少. 结果如图 5,可看出方案一制备靶材 As、Si、Te 元素 分布不均,Ge 元素分布较均匀. 方案二只有 As 分 布不均,有少量富集. 图 4 中只有方案一靶材有较 多孔洞,而两块靶材 Ge 元素都均匀分布,说明结果 中黑色区域不是孔洞造成的. 所以元素分布不均的 原因可能为压制过程中形成化合物使元素在特定的 区域偏聚富集. ICP鄄鄄MS 分析结果显示,靶材相比于 粉体只有少量 As 损失,不会形成明显的挥发损失现 象. 因此元素分布差异的原因应为方案一靶材压制 过程中形成了更多化合物,对靶材物相检测可得到 具体化合物种类. 为进一步分析两种靶材致密度、形貌和元素分 布差异的原因,对靶材进行物相检测. 如图 6 所示, 将两种方案靶材 X 射线衍射谱线进行对比,可发现 两种方案制备的靶材相成分种类相同,都包含 R鄄鄄 3m 空间群结构的 As2GeTe4 和 R鄄鄄3m 空间群结构的 As、GeTe,尖晶石结构的 Si 单质. 但方案一的谱线 峰强不高,分峰不明显;方案二缓冷工艺制备的靶材 谱线峰更尖锐,各特征峰峰强更高更明显. 所以方 案二靶材物质结晶度更高,晶格形态更好[15] . 对比图 6 和图 2 可知,靶材和原料粉体的主要 物相成分基本无差别,压制过程没有新的物相生成, Si 继续以单质形式存在. 但两种方案的靶材的 X 射 线衍射谱图都显示其衍射峰强度相比粉体增强,非 ·227·