銻基二元相變薄膜的製作方法

2023-05-15 19:33:36 1

專利名稱：銻基二元相變薄膜的製作方法
技術領域：
本發明涉及相變信息存儲領域，特別是一種銻基二元相變薄膜。可用於高密度、高速可擦重寫相變光碟和相變隨機存儲器等，可用來提高介質的相變速率，進而提高器件的數據傳輸速率。
背景技術：
相變信息存儲的基本概念最初由S. R. Ovshinsky在1968年提出(S. R. Ovshinsky, Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures, Phys. Rev. Lett. 21，1450(1968))，主要是利用相變材料晶態時的高反射率以及低電阻和非晶態時的低反射率以及高電阻之間的可逆變化來實現信息的存儲。信息存儲基本可分為寫、讀、擦三個過程在晶態的薄膜上面利用短脈寬、高功率的雷射或者電脈衝作用，使薄膜迅速升溫到熔化溫度以上，然後迅速冷卻得到非晶態的數據記錄點；這些記錄點可以用低功率的連續雷射或者電流，利用晶態和非晶態之間足夠大的反射率或者電阻值差別進行數據的讀出； 利用相對較長的脈寬、中等功率的雷射或者電脈衝作用於非晶態記錄點上，使其溫度上升到晶化溫 度以上進行晶化，進而擦除記錄點。相變材料是相變信息存儲器件中的關鍵，由於在器件應用中相變材料都是以薄膜形式出現，發展性能優異的相變材料薄膜及其製備方法顯得至關重要。目前的相變材料主要有Ge2Sb2Te5和AgInSbTe等硫系半導體材料(含Te元素)， 已經做為存儲介質成功應用於可擦重寫光碟以及相變隨機存儲器中。然而由於傳統相變材料的晶化時間比較長(一般約為200ns，參見Y. Fukuyama et. al.，Time-resolved investigation of nanosecond crystal growth in rapid—phase—change materials correlation with the recording speed of digital versatile disc media, Applied Physics Express 1，045001 (2008))，制約著相變光碟以及相變存儲器的數據擦除速率，進而影響傳輸速率，需要發展新型快速相變材料。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提出一種銻基二元相變薄膜，該銻基相變薄膜具有較高的相變速度。本發明的解決方案如下一種銻基二元相變材料薄膜，包括鋁銻二元相變薄膜和鋅銻(ZnxSby) 二元相變薄膜。一種鋁銻二元相變薄膜，其特點在於利用磁控濺射設備，經過金屬鋁靶和銻靶共濺在清潔的基片上製備出鋁銻相變薄膜層，通過改變濺射條件控制薄膜的成分和厚度， 該鋁銻相變薄膜層的結構為AlxSby，其中Al的原子百分比χ在3. 8-14. 6%之間，所述基片為厚度為0. 6或1. 2mm的聚碳酸酯(PC)；所述的鋁銻相變薄膜層為厚度為20 200nm的 AlSb0
一種鋅銻(ZnxSby) 二元相變薄膜，其特點在於利用磁控濺射設備，經過金屬鋅靶和銻靶兩靶共濺在清潔的基片上製備出鋅銻相變薄膜層，通過改變濺射條件控制薄膜的成分和厚度，其中Zn的原子百分比在7. 8-45. 5%之間，所述基片為厚度為0. 6或1. 2mm聚碳酸酯；所述的鋅銻相變薄膜層為厚度為20-200nm的ZnSb。

本發明的技術效果與現有的相變材料Ge2Sb2Te5以及AgInSbTe等相比，此種銻基二元相變薄膜 (AlSb、ZnSb)的晶化速率得到明顯提高(晶化時間一般小於150ns)，有望應用於更高傳輸速率的相變信息存儲。


圖1為本發明銻基二元相變薄膜的一個實施例的多層膜結構示意圖。圖2為由泵浦_探測裝置所得到的Al3.8Sb96.2薄膜歸一化反射率隨時間的變化曲線。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖1，圖1為本發明銻基二元相變薄膜的一個實施例的多層膜結構示意圖。本發明銻基二元相變材料薄膜包括鋁銻二元相變薄膜和鋅銻二元相變薄膜兩種，鋁銻二元相變薄膜中=AlSb中Al的原子百分比在3. 8-14. 6%之間；鋅銻二元相變薄中=ZnSb中 Zn的原子百分比在7. 8-45. 6%之間。除了相變薄膜單層結構，通過在相變層兩側加入介質層以及反射層可以製備多層膜結構，包括I.單層結構，即相變層3直接沉積在基片1上面；II.三層結構，即在基片1上先後沉積下介質層2、相變層3和上介質層4 ；III.四層結構，S卩在基片1上先後沉積下介質層2、相變層3、上介質層4和反射層5，如圖1所示。所述的基片1為厚度為0. 6或1. 2mm的聚碳酸酯(PC)；下介質層2和上介質層 4為厚度為IOnm的ZnS-SiO2 (ZnS原子百分含量為80%，SiO2原子百分含量為20 % )或 SiN,上下介質層的加入使得相變薄膜更加穩定，起到保護相變層的目的；相變層3為厚度為10-200nm的AlSb或ZnSb ；反射層5為厚度為50nm的Ag或Au或Al。基片對於薄膜來說起到支撐作用；上下介質層對於薄膜起到保護作用，對相變薄膜的性質並不造成影響。反射層在具體應用時起到快速散熱的作用。下面以AlSb 二元相變材料薄膜為實施例1，說明其具體製備步驟如下(a)基片採用乾淨的聚碳酸酯(PC)盤基，盤基的直徑和厚度分別為120_和 1. 2mm，把盤基裁成40X40mm的基片，以便輕鬆放入鍍膜機設備的託盤上。組後用高壓氮氣 (純度"·9% )吹乾。(b)把裁好的基片用鑷子固定在磁控濺射儀的樣品託上，然後把樣品託夾持在濺射真空腔裡的基片座上。把需要濺射的介質靶材(ZnS-SiO2)和共濺靶材(Sb或Al)放到相應的靶基座上固定好。不同的磁控濺射儀器具有不同的靶材直徑和厚度，本發明濺射所用靶材直徑均為60mm，調節靶材與基片之間的距離為60cm。然後關閉真空腔蓋開始抽真空， 首先利用機械泵抽真空至5Pa以下，然後開分子泵，約Ih後開 高真空計，查看濺射腔內真空度，直至腔內真空度優於4X 10_4Pa，且真空度越小，成膜質量越高，接著關閉高真空計，開始材料薄膜濺射過程(c)首先進行下層介質膜層(ZnS-SiO2)的濺射工作，採用Ar作為濺射氣體。打開Ar閥門開關向腔內充Ar，通過流量計控制Ar的通入量為80sCCm，同時調節磁控濺射儀閘板閥至工作氣壓為0. SPa ；接著打開射頻電源，調節至靶材濺射所需功率 100W，待功率穩定後，利用電腦程式把裝有基片的樣品託轉移至將要濺射的介質靶材上方，進行下介質層的濺射，採用電腦程式控制濺射時間為20min，濺射完成後，關閉射頻電源，關閉Ar閥門，打開閘板閥抽氣5min以去除腔內雜質；(d)接著進行共濺相變材料膜層(AlSb)的濺射工作，採用Ar作為濺射氣體，打開 Ar閥門開關向腔內充Ar，通過流量計控制Ar的通入量為SOsccm，同時調節磁控濺射儀閘板閥至工作氣壓為0. SPa ；接著打開Al和Sb靶材的直流電源，固定Sb靶材的濺射功率為 27W，調節Al靶材的濺射功率為10W，待功率穩定後(約5min)，利用電腦程式把裝有樣品的樣品託轉移至預製好的共濺靶位上，進行相變層的濺射工作，採用電腦程式控制濺射時間為8min，濺射完成後，關閉直流電源，關閉Ar閥門，打開閘板閥抽氣5min以去除腔內雜質；(e)然後進行上層介質膜層(ZnS-SiO2)的濺射工作，採用Ar作為濺射氣體，打開 Ar閥門開關向腔內充Ar，通過流量計控制Ar的通入量為SOsccm，同時調節磁控濺射儀閘板閥至工作氣壓為0. 8Pa，接著打開射頻電源，調節至靶材濺射所需功率100W，待功率穩定後，利用電腦程式把裝有樣品的樣品託轉移至將要濺射的介質靶位上，進行上介質層的濺射工作，採用電腦程式控制濺射時間為20min，濺射完成後，關閉射頻電源，關閉Ar閥門，打開閘板閥抽氣5min以去除腔內雜質；最後利用電腦程式使樣品託恢復到原來位置，然後關閉磁控濺射儀，放氣，開腔取出AlSb 二元相變薄膜。測量該AlSb 二元相變薄膜，結果是相變材料層(AlSb)成分為Al3.8Sb96.2(原子百分比，at % )，相變層厚度約為lOOnm，上下介質層(ZnS-SiO2)厚度約為lOnm。通過原位皮秒脈衝光泵浦，連續光探測的方法測量得到材料的晶化時間為113ns，反射率對比度為32%， 如圖2所示。其它實例中相變薄膜的成分及厚度用下表給出
權利要求
1.一種鋁銻二元相變薄膜，其特徵在於利用磁控濺射設備，經過金屬鋁(Al)靶和銻(Sb)靶共濺在清潔的基片(1)上製備出鋁銻相變薄膜層(3)，通過改變濺射條件控制薄膜的成分和厚度，該鋁銻相變薄膜層(3)的結構為AlxSby，其中Al的原子百分比χ在 3. 8-14. 6%之間，所述基片(1)為厚度為0. 6或1. 2mm的聚碳酸酯(PC)；所述的鋁銻相變薄膜層⑶為厚度為20 200nm的AlSb。
2.一種鋅銻(ZnxSby) 二元相變薄膜，其特徵在於利用磁控濺射設備，經過金屬鋅(Zn) 靶和銻(Sb)靶兩靶共濺在清潔的基片上製備出鋅銻相變薄膜層(3)，通過改變濺射條件控制薄膜的成分和厚度，其中Zn的原子百分比在7. 8-45. 5%之間，所述基片(1)為厚度為 0. 6或1. 2mm聚碳酸酯(PC)；所述的鋅銻相變薄膜層(3)為厚度為20-200nm的ZnSb。
全文摘要
一種銻基二元相變薄膜，包括鋁銻二元相變薄膜和鋅銻(ZnxSby)二元相變薄膜。該銻基二元相變薄膜(AlSb、ZnSb)的特點是利用磁控濺射設備，經過金屬(Al、Zn)靶和Sb靶兩靶共濺，在清潔的基片上製備出銻基二元相變材料薄膜，通過改變濺射條件可以控制薄膜的成分，本發明銻基二元相變薄膜具較快的相變速度和較高的反射率對比度。
文檔編號G11B7/242GK102332275SQ20111022922
公開日2012年1月25日 申請日期2011年8月11日 優先權日2011年8月11日
發明者吳誼群, 梁廣飛, 王陽 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所