优化薄膜厚度的调控方法

厚度是影响薄膜质量的一个重要参数，对薄膜材料的性能有着一定的影响；另外，利用微加工工艺制造薄膜器件时，功能材料的厚度对器件的性能也有着显著的影响。本节采用射频磁控溅射法分别在硅基片和玻璃基片上沉积Sb2Te3薄膜，探索厚度对Sb2Te3薄膜结构和热电性能的影响。实验时，保证其他工艺参数不变，在沉积过程中，薄膜沉积的时间分别调整为40 min、60 min、85 min、100 min、120 min。为了优化薄膜的性能，对制备的样品进行后退火处理。由于退火温度为250℃时Sb2Te3薄膜具有较好的热电性能，因此对不同厚度的Sb2Te3薄膜样品进行后退火处理时，选择退火温度为250℃，退火时间为6 h，最后研究厚度对其性能的影响。

5.1.3.1　厚度对其结构和表面形貌的影响

通过调节薄膜沉积的时间来控制薄膜的厚度，所得薄膜的厚度及原子含量与沉积时间之间的关系如表5-2所示。从表5-2可知，薄膜的厚度与沉积时间近似呈线性关系；另外，薄膜中Te的原子含量与沉积时间之间无明显规律。考虑测试误差的情况下，室温下沉积的薄膜的Te原子含量约为66%，薄膜成分富Te，偏离化学成分比，这可能是由室温下Te的溅射产额比Sb的溅射产额高造成的。同时还可以看出，随着薄膜厚度的增加，薄膜的晶粒尺寸逐渐增大。

表5-2　室温下Sb2Te3薄膜的厚度及原子含量与沉积时间的关系

图5-10是室温下沉积的不同厚度的Sb2Te3薄膜的SEM图。可以看出，随着薄膜厚度的增加，薄膜表面的晶粒增多且尺寸增大。薄膜沉积初始时，由于基片处于较低温度（室温）下，从靶材表面溅射到基片上的原子扩散能力较弱，形成如图5-10（a）所示的大量微晶粒，薄膜表面平整致密。随着溅射时间的延长，在溅射辉光的照射下，基片的相对温度有所提高，薄膜受热，原子获得足够的能量和时间进行扩散重结晶，薄膜内的小晶粒间相互融合长大，薄膜晶粒尺寸略有增大。

5.1.3.2　厚度对其热电性能的影响

退火前后Sb2Te3薄膜的电学性能与薄膜厚度之间的关系如图5-11所示。由图5-11（a）可知，当薄膜厚度从90 nm增加到230 nm时，薄膜的电阻率由27.25 mΩ·cm降低到8.66 mΩ·cm；随着厚度的增加，薄膜的电阻率逐渐降低；厚度进一步增加时，电阻率降低的趋势减缓，当厚度为270 nm时电阻率达最小值8.38 mΩ·cm。另一方面，经过后退火（250℃）处理后，不同厚度的Sb2Te3薄膜的电阻率均显著降低，且退火后的Sb2Te3薄膜的电阻率随着厚度的增加仍有所降低。厚度为270 nm的Sb2Te3薄膜经过退火处理后，薄膜的电阻率达最小值0.77 mΩ·cm。室温下沉积的薄膜的电阻率比退火后的高，这主要有三个方面的因素，即表面散射、内部微晶晶界的散射以及缺陷（点缺陷、线缺陷）。薄膜厚度较薄时，除了薄膜内部微晶晶界和缺陷对载流子强烈的散射外，薄膜的表面散射较强，因而薄膜的电阻率较高。随着厚度的增加，沉积较长时间的薄膜在溅射辉光长时间的照射下，原子获得足够的能量和时间进行扩散，薄膜致密程度增加，晶粒长大且晶界密度减小，同时薄膜的表面散射减弱，从而使电阻率降低。而在退火过程中，原子发生扩散再结晶和晶粒长大的过程显著增强，同时薄膜内部的缺陷（空位、位错等）程度也显著降低，引起载流子散射的因素减少，从而使薄膜的电阻率在退火处理后显著降低。(www.xing528.com)

图5-10　室温下沉积的不同厚度的Sb2Te3薄膜的SEM图

（a）90 nm；（b）140 nm；（c）190 nm；（d）230 nm；（e）270 nm

如图5-11（b）所示为退火前后Sb2Te3薄膜的塞贝克系数与薄膜厚度之间的关系。由图5-11（b）可以看出，不同厚度下薄膜的塞贝克系数基本一致，没有较为明显的变化规律。退火（250℃）处理后，薄膜的塞贝克系数随薄膜厚度的增加略有减少。值得注意的是，退火后薄膜的塞贝克系数较室温下沉积的偏低。退火后薄膜的塞贝克系数显著降低，主要是由于Sb2Te3薄膜由非晶向多晶态的转变。

图5-11　退火前后Sb2Te3薄膜的热电性能与厚度之间的关系

（a）电阻率；（b）塞贝克系数；（c）功率因子

图5-11（c）是退火前后Sb2Te3薄膜的功率因子与厚度之间的关系。可以看出，室温下沉积的薄膜的功率因子随着厚度的增加逐渐增加。当薄膜厚度从90 nm增加到270 nm时，薄膜的功率因子由0.82μW·cm-1·K-2增加到2.60μW·cm-1·K-2。经过退火（250℃）优化后，不同厚度的Sb2Te3薄膜的功率因子均显著提高。厚度为270 nm的薄膜经过250℃退火处理后功率因子达到最大值19.55μW·cm-1·K-2。可见，相对于退火处理，薄膜厚度对材料热电性能的影响较弱。