专利名称：一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及光电子学领域，尤其是涉及一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法。
背景技术：
光子代替电子作为信息的载体是历史发展的必然趋势，但现阶段光信息处理的核心仍然依赖于微电子技术。光电信号转换能力的滞后和电子线路速度的限制已成为信息传输容量的瓶颈，因此，当务之急是要开发新型光器件以推动光信息处理进入全光时代。然而，随着非线性光学的研究逐渐由基础转向应用，利用非线性波导制成的全光器件将在未来光通信领域中起着举足轻重的作用。近年来，Ge-Sb-Se非晶薄膜在光波导器件上的应用备受关注。该类材料具有极高的三阶非线性系数，适中的双光子吸收，而且由于其可以忽略的自由载流子吸收可以得到超快的响应时间，因而成为超高速全光通信器件的理想材料。磁控溅射是目前应用最广泛的一种溅射沉积方法，它是在二极直流溅射的基础上，在靶表面附近增加一个磁场。电子由于受电场和磁场的作用，做螺旋运动，大大提高了电子的寿命，增加了电离产额，从而放电区的电离度提高，即离子和电子的密度增加。放电区的有效电阻变小，电压下降。另外放电区集中在靶表面，放电区中的离子密度高，所以入射到靶表面的离子密度大大提高，因而溅射产额大大增加。磁控溅射技术是目前公认成熟的镀膜工艺，常用于工业化大规模生产，然而由于大尺寸Ge-Sb-Se玻璃靶材在溅射镀膜过程中易损坏等缺点，使溅射技术在该领域不能广泛应用。目前Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备主要依靠真空热蒸发法技术，该方法制备非晶薄膜具有设备简单、操作方便、成膜面积大等特点，但也存在致密性差，组分偏差不可控等不足，尤其是在室温沉积条件下，薄膜与衬底之间的附着力较差，这严重影响了后期的波导加工以及光器件的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低，工艺可控性强，且易于工业化大规模生产的用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法,该Ge-Sb-Se非晶薄膜组分偏差小、附着强度高、膜质均匀致密。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为
一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法，采用纯度为5N的高纯圆块状 GexSbySe1^y (其中0〈x ( O. 38，O. 05〈y ( O. 3)玻璃作为靶材，采用磁控溅射装置，以高纯氩气为溅射工作气体，采用石英片或硅片为衬底材料进行表面沉积，具体步骤如下
(1)在GexSbySei_x_y(其中0〈x ( O. 38，O. 05〈y ( O. 3)圆块状玻璃靶材背面，完全贴合一块与玻璃靶材直径相同，厚度为Imm的铜片，制得磁控溅射镀膜靶材；解决靶材在溅射过程中散热而导致的靶材碎裂问题；
(2)将衬底材料放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中，超声清洗15分钟，然后放入无水乙醇中超声清洗15分钟，最后用去离子水多次超声清洗，取出后用5N级氮气吹干，放入溅射腔室，其中浓硫酸与双氧水混合体积比为1:4 ；
(3)将溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度达到2XKT4Pa以下时，向室内充入氩气至真空度为3 X 10_2Pa，然后开启考夫曼离子枪，轰击衬底材料表面3分钟，对衬底材料进行等离子体清洗；
(4)继续向溅射腔室内充入氩气，控制溅射腔室内的工作气压为O.05Pa-3Pa，开启射频电源，待辉光稳定后，调节射频功率20W-60W，预溅射10分钟；
(5 )将衬底材料移至溅射靶位正上方，开启衬底转盘自转并将自转速率设定为5rpm，溅射沉积Ge-Sb-Se薄膜，沉积2_3小时后，制得Ge-Sb-Se非晶薄膜。步骤(4)中所述的工作气压为O. 26Pa，射频功率45W。步骤(5)溅射沉积结束后，向所述的溅射腔室内缓慢地充入5N级氮气破除真空后，从溅射腔室内取出Ge-Sb-Se非晶薄膜。与现有技术相比，本发明的优点在于本发明一种用于全光器件的Ge-Sb-Se 非晶薄膜的制备方法，在传统的磁控溅射基础上，通过对溅射的GexSbySe1^ (其中 0<x ( O. 38，O. 05〈y ( O. 3)圆块硫系玻璃靶材进行导热化设计与处理，实现了由硫系玻璃直接溅射沉积高品质的Ge-Sb-Se非晶态薄膜。同时，通过对溅射镀膜工艺进行精细的控制与调节，实现优化薄膜组分、膜层厚度、均匀性等参数可控，制备得到的用于光器件的Ge-Sb-Se硫系薄膜具备以下技术指标薄膜厚度(d) : d>0. 8 m、薄膜表面粗糙度 RMS<0. 5nm、薄膜与靶材的组分差异控制在原子百分数±2at%内，本发明具有工艺可控性强，生产成本低，重复性好，制备得到的Ge-Sb-Se非晶薄膜具有组分偏差小、附着强度高、 膜质均匀致密的优点，可以用于工业化规模制备大面积的硫系非晶薄膜，从而满足未来光通信器件薄膜材料的应用需求。
图I为实施例I的Ge2tlSb15Se65薄膜X射线衍射图2为采用不同溅射工作气压与溅射功率获得的Ge2tlSb15Se65系列薄膜在通信波段 1550nm处的折射率。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例本发明以下实施例所用的磁控溅射装置由中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司制造的JGP-450磁控派射沉积系统,该装置装配了 Advanced Energy公司Cesar 136型射频电源，因而可对Ge-Sb-Se硫系玻璃靶材进行溅射沉积。采用的溅射靶材均为纯度99. 999%，尺寸Φ 50mm X 2mm，组分配比分别为
Ge20Sb15Se65, Ge27Sb10Se63^ Ge28Sb12Se60的硫系玻璃，由宁波大学红外材料及器件实验室生产。在圆块状Ge-Sb-Se玻璃背面粘贴Imm厚的直径相同的铜片，以解决玻璃靶材在派射过程中散热问题。(圆块状硫系玻璃的直径和厚度除Φ50ι πιΧ2πιπι外，还可以为其他任意值；Ge-Sb-Se的组分配比除上述三种外，GexSbySei_x_y组分配比只要满足 0<x ^ O. 38，O. 05〈y彡O. 3，都在本发明的保护范围内)
将衬底材料(石英片或硅片)放入浓硫酸与双氧水按体积比1:4混合的溶液中，超声清洗15分钟，然后放入无水乙醇中超声清洗15分钟，最后用去离子水多次超声清洗，取出后用5N级氮气吹干。实施例I
采用Ge2tlSb15Se65硫系玻璃作为溅射靶材。对溅射腔室进行抽真空处理，当室内真空度达到2X 10_4Pa以下时，向室内充入氩气至真空度为3X 10_2Pa，开启考夫曼离子枪，轰击衬底材料表面3分钟。继续向溅射腔室内充入氩气，控制溅射工作气压为O. 26Pa。开启射频电源，待辉光稳定后，调节射频功率45W，预溅射10分钟；之后将衬底材料移至溅射靶位正上方，开启衬底转盘自转并将自转速率设定为5rpm，溅射沉积Ge2tlSb15Se65薄膜，沉积2小时后得到得到Ge2tlSb15Se65非晶薄膜。溅射沉积结束后，向溅射腔室内缓慢地充入5N级氮气破除真空后，使内外气压平衡，即可从溅射腔室内取出Ge2tlSb15Se65非晶薄膜。测试上述实施例I制备得到的Ge2tlSb15Se65非晶薄膜与靶材玻璃的组分偏差，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为Ge22.42Sb15.62Se61.96，与靶材组分偏差<2at%，薄膜厚度为O. 85um，表面粗糙度为O. 18nm。实施例2
同实施例1，其区别点在于，控制溅射工作气压为O. 53Pa，调节射频功率为45W，沉积时间为2小时。测试上述实施例2制备得到的Ge2tlSb15Se65非晶薄膜与靶材玻璃的组分偏差，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为Ge2a72Sb1471Se6456，与靶材组分偏差<lat%，薄膜厚度为O. 928um，表面粗糙度为O. 16nm。实施例3
同实施例1，其区别点在于，控制溅射工作气压为O. 66Pa，调节射频功率为30W，沉积时间为2小时。测试上述实施例3制备得到的Ge2tlSb15Se65非晶薄膜与靶材玻璃的组分偏差，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为Ge2ai7Sb15.38Se64.46，与靶材组分偏差<lat%，薄膜厚度为O. 989um，表面粗糙度为O. 15nm。实施例4
同实施例1，其区别点在于，控制溅射工作气压为O. 8Pa，调节射频功率为30W，沉积时间为2小时。测试上述实施例4制备得到的Ge2tlSb15Se65非晶薄膜与靶材玻璃的组分偏差，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为Geiatl9Sb15JSe65.n，与靶材组分偏差<2at%，薄膜厚度为I. 089 m，表面粗糙度为O. 21nm。实施例5
同实施例1，其区别点在于，控制溅射工作气压为IPa，调节射频功率为30W，沉积时间为2小时。测试上述实施例5制备得到的Ge2tlSb15Se65非晶薄膜的组分，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为Ge18.54Sb15.85Se65.51，与靶材组分偏差<2at%，薄膜厚度为I. 218 m，表面粗糙度为O. 26nm。实施例6
同实施例1，其区别点在于，控制溅射工作气压为IPa，调节射频功率为30W，沉积时间为3小时。测试上述实施例6制备得到的Ge2tlSb15Se65非晶薄膜的组分，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为Ge17.98Sb16.43Se65.59，与靶材组分偏差<2at%，薄膜厚度为2. 12 m，表面粗糙度为O. 417nm。实施例7
同实施例1，其区别点在于，采用Ge27SbltlSe63硫系玻璃作为溅射靶材。控制溅射工作气压为O. 5Pa，调节射频功率为30W，沉积时间为2. 5小时。测试上述实施例7制备得到的Ge27SbltlSe63非晶薄膜与靶材玻璃的组分偏差，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为Ge25.92Sbn.55Se62.53，与靶材组分偏差<2at%，薄膜厚度为I. 618 m，表面粗糙度为O. 317nm。实施例8
同实施例1，其区别点在于，采用Ge28Sb12Se6tl硫系玻璃作为溅射靶材。控制溅射工作气压为3Pa，调节射频功率为20W，沉积时间为2. 5小时。测试上述实施例8制备得到的Ge28Sb12Se6tl非晶薄膜与靶材玻璃的组分偏差，膜层厚度以及薄膜表面粗糙度，得到测试结果为薄膜组分为GeU23Sb1U6Se6U1，与靶材组分偏差<2at%，薄膜厚度为I. 524 m，表面粗糙度为O. 274nm。对制备的Ge-Sb-Se薄膜进行性能测试，测试结果如图I和图2所示。从图I中可以看出实施例I利用磁控溅射技术制备的Ge-Sb-Se薄膜属于非晶态结构；从图2中可以看出实施例I、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6的Ge2tlSb15Se65系列薄膜在通信波段1550nm处的折射率随着溅射工作气压的升高而降低，对比Ge2tlSb15Se65靶材玻璃的折射率(2. 6514)，可以得出实施例I中制备的薄膜与靶材的折射率偏差最小。上述实施例是对本发明作出的详细说明，但本发明的保护范围不仅限于上述实施例，而以权利要求书的内容为准。
权利要求
1.一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法，其特征在于采用纯度为5N 的高纯圆块状GexSbySei_x_y (其中0〈x ( O. 38，O. 05〈y ( O. 3)玻璃作为靶材，采用磁控溅射装置，以高纯氩气为溅射工作气体，采用石英片或硅片为衬底材料进行表面沉积，具体步骤如下(1)在GexSbySe1^(其中0〈x ( O. 38，O. 05〈y ( O. 3)圆块状玻璃靶材背面，完全贴合一块与玻璃靶材直径相同，厚度为Imm的铜片，制得磁控溅射镀膜靶材；(2)将衬底材料放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中，超声清洗15分钟，然后放入无水乙醇中超声清洗15分钟，最后用去离子水多次超声清洗，取出后用5N级氮气吹干，放入溅射腔室，其中浓硫酸与双氧水混合体积比为1:4 ；(3)将溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度达到2XKT4Pa以下时，向室内充入氩气至真空度为3 X 10_2Pa，然后开启考夫曼离子枪，轰击衬底材料表面3分钟，对衬底材料进行等离子体清洗；(4)继续向溅射腔室内充入氩气，控制溅射腔室内的工作气压为O.05Pa-3Pa，开启射频电源，待辉光稳定后，调节射频功率为20W-60W，预溅射10分钟；(5 )将衬底材料移至溅射靶位正上方，开启衬底转盘自转并将自转速率设定为5rpm，溅射沉积Ge-Sb-Se薄膜，沉积2_3小时后，制得Ge-Sb-Se非晶薄膜。
2.根据权利要求I所述的一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的在Ge-Sb-Se玻璃背面完全贴合一块与玻璃靶材直径相同，厚度为 Imm的铜片,制得磁控派射镀膜祀材。
3.根据权利要求I所述的一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的工作气压为O. 26Pa，射频功率45W。
4.根据权利要求I所述的一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法，其特征在于步骤(5)溅射沉积结束后，向所述的溅射腔室内缓慢地充入5N级氮气破除真空后，从溅射腔室内取出Ge-Sb-Se非晶薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种用于全光器件的Ge-Sb-Se非晶薄膜的制备方法，特点是采用纯度为5N的高纯圆块状GexSbySe1-x-y玻璃作为靶材，采用磁控溅射装置，以高纯氩气为溅射工作气体，采用石英片或硅片为衬底材料，包括在靶材背面贴合铜片的步骤；将衬底材料放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中预处理并轰击衬底材料表面3分钟，对衬底材料进行等离子体清洗的步骤；控制溅射腔室内的氩气工作气压为0.05Pa-3Pa，调节射频功率20W-60W，预溅射10分钟的步骤；最后溅射沉积2-3小时制得Ge-Sb-Se非晶薄膜的步骤，优点是工艺可控性强，生产成本低，重复性好，非晶薄膜组分偏差小、附着强度高、膜质均匀致密。
文档编号C23C14/35GK102605334SQ20121006505
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者张巍, 徐铁峰, 戴世勋, 李军, 杨燕, 沈祥, 王国祥, 王训四, 陈昱, 陈芬 申请人:宁波大学