氧氣比例對ZnO薄膜特性影響的機理研究

摘 要 為了制備出具有C軸擇優(yōu)生長的ZnO薄膜，深入研究工藝參數(shù)對ZnO薄膜性能影響的機理。本文采用磁控濺射法在K9玻璃襯底上鍍制了ZnO薄膜。通過光電子能譜儀（XPS）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射分析（XRD）以及橢偏儀分析了薄膜的晶軸特征、形貌特征以及光學特性，最終得出了氧氣與氬氣流量的比例對薄膜特性的影響的機理，給出了一組最佳的工藝參數(shù)為生產(chǎn)實踐提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 磁控濺射 ZnO薄膜 光學特性 c軸擇優(yōu)生長

中圖分類號：G710 文獻標識碼：A

0 引言

ZnO是一種自激活寬禁帶直接帶隙半導體材料，具有壓電和光電特性，可做成透明材料用于液晶投影顯示、太陽能行業(yè)。理想ZnO薄膜具有C軸擇優(yōu)取向、表面平整度好、缺陷少等特征。①但由于制備過程中各個工藝參數(shù)之間對薄膜特性的影響較為復雜，本文對利用磁控濺射法制備ZnO薄膜時，同時從光學、微觀特性和擇優(yōu)生長幾個方面，對薄膜特性機理進行討論，因此對實際生產(chǎn)有著重要的指導意義。

1 制備方法

磁控濺射法制備氧化物薄膜有著成膜速率快、工作氣壓低、純度高等特點。②③該系統(tǒng)中同時引入氬氣和氧氣，濺射靶材為純度99.99%的Zn靶，基片采用€%？0mm2mm的k9玻璃片，用酒精和乙醚（1：1）的混合液擦洗，吹干后放入真空室，工作本底真空3€？03Pa，鍍膜之前通入氬氣用離子束清洗源清洗基片3min?？倸怏w流量為100sccm，靶基距90mm，鍍制時間1min。通過改變工作電流和氣體比例來研究工藝參數(shù)對薄膜性能的影響。

2 光學性質(zhì)分析

采用橢偏儀測試薄膜的折射率和消光系數(shù)，濺射混合氣中氧氣與總氣體流量比分別為30%、40%和50%，由圖1可看出折射率n服從正常色散規(guī)律，而且隨著氧氣比例的增加，折射率呈變大的趨勢。說明氧氣比例增加時，濺射過程中氧化反應更完全，薄膜組分更接近于理想化學計量比，折射率增大。圖2表明消光系數(shù)k隨氧氣比例的增加而減小，說明晶格中有過量的間隙鋅原子，當氧氣比例增加時，薄膜趨向于接近理想配比，由于晶格中缺陷的減少，引起的吸收損耗減少，從而消光系數(shù)k減小。

3 X射線衍射分析（XRD）

ZnO具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其薄膜的壓電特性來源于晶格的c軸擇優(yōu)取向，④其晶格生長特性直接受制備工藝的影響，如工作氣壓，濺射電流，氧氣比例等重要工藝參數(shù)。重點分析氧氣比例對薄膜晶格生長的影響。樣品S2、S5、S7的XRD測試結(jié)果見圖3。

4 形貌分析（AFM分析）

AFM測試結(jié)果表明：氧氣比例的降低，使工作氣體Ar的相對濃度增加，Zn原子的濺射率增加，薄膜表面粒子遷移和團聚加快，碰撞成核的幾率增加，導致了較大的顆粒度，使晶粒的表面形態(tài)變差。在薄膜的工作范圍內(nèi)適當增加氧氣濃度，可以使膜的生長從三維大顆粒生長模式向準二維小顆粒生長模式轉(zhuǎn)化，有利于鍍制出表面更加平整的ZnO薄膜。

5 結(jié)論

注釋

① 陸峰，徐成海，曹洪濤.透明導電ZnO納米薄膜的性能分析[J].真空科學與技術(shù)，2003.23（1）：9-15.

② 朱春燕.磁控反應濺射AlN 薄膜光學特性研究[J].表面技術(shù)，2008.1（1）.

③ 朱春燕.反應磁控濺射法制備二氧化硅薄膜的研究[J].表面技術(shù)，2010.39（4）.

④ W Water，S Y Chu.Physical and Structural Properties of ZnO Sputtered Films[J].Mater. Lett.2002.55（1）：67-72.