衬底温度对射频磁控溅射制备ZnO薄膜的影响

衬底温度对射频磁控溅射制备ZnO薄膜的影响

王开平

（大连东软信息学院）

摘要：采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备ZnO薄膜.用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)对不同衬底温度下制备薄膜的相结构和表面形貌进行分析.结果表明,在衬底温度为500℃时制备的ZnO薄膜表面光滑,晶粒尺寸均匀,结构致密,且沿c轴择优生长。

关键词：ZnO薄膜；射频磁控溅射；衬底温度

1.引言

ZnO是一种直接宽带隙半导体材料,室温下直接带隙宽度3.37eV,且具有六角纤锌矿晶体结构,激子束缚能60meV,这使得其在表面声波、体声波、压电器件、气敏元件等方面具有广泛的应用前景,特别是沿c轴生长的ZnO薄膜,在此应用领域具有更加优越的表现.因而,如何获得高质量沿c轴生长的ZnO薄膜,一直是其应用领域中的研究热点.目前多种技术已经被应用到制备ZnO薄膜上,如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射(MegnetronSputtering)、分子束外延(MBE)、溶胶-凝胶(Sol-gel)和喷雾热解(Spray)等.其中磁控溅射是一种先进的薄膜制备技术,所制备薄膜的附着性好,薄膜的成分在一定程度上可以控制,且具有低温、低损伤、易于沿c轴生长等优点,所以被广大研究者广泛采用.而该方法所制备的高质量沿c轴生长的ZnO薄膜的性能严重依赖于反应溅射的条件,如衬底温度、溅射气压以及溅射气氛等,其中衬底温度对沿c轴生长的ZnO薄膜的结晶质量有很大的影响,因而有必要探讨其对所制备的高质量沿c轴生长的ZnO薄膜结构的影响.

本文采用射频磁控溅射技术制备高质量沿c轴生长的ZnO薄膜,研究不同的衬底温度对其相结构、表面形貌的影响,并进行了分析获得了制备高质量沿c轴生长的ZnO薄膜的最佳温度.

2.实验

为了考查基底温度对薄膜性能的影响，改变基底温度，在150、175、200、225、250和275℃6个基底温度下制备ZnO薄膜，溅射气压1.1Pa，溅射功率85W，溅射时间80min。

3.结果与分析

图1不同基底温度下ZnO薄膜的XRD图

从图1可看出，基底温度由150℃增加至200℃的过程中，(002)面的衍射峰逐渐增强，并且越来越尖锐，半高宽减小，但是当基底温度高于200℃继续增加时，薄膜的衍射峰减弱，半高宽增加。这是因为随着基底温度的增加，薄膜的晶粒尺寸增大，晶界缺陷密度降低，薄膜的结晶特性得到改善，而当基底温度达到250℃时，薄膜出现大颗晶粒，使薄膜表面粗糙度增加，会形成表面散射，影响薄膜的透过性能。

图2衬底温度为200°C时的扫描电镜图

图2为不同基底温度下沉积ZnO薄膜的扫描电镜(SEM)照片。从图2可看出，随着基底温度的增加，ZnO薄膜的晶粒尺寸逐渐增大，表明基底温度的增加有利于晶粒的长大。基底温度较低时，沉积到基底表面的颗粒能量较小，当晶粒长大到一定程度时，分子所具有的能量不足以使其继续结晶，而是重新形成晶核并开始生长，因此所得到的ZnO薄膜晶粒较小;随着温度的增加，分子可获得足够的能量继续在晶粒上生长，晶粒也不断增大。

4.结语

当基底温度为200℃时制备的ZnO薄膜具有相对较高的透过率和较好的结晶特性。当基底温度较低时，薄膜的结晶状况较差;随着基底温度的升高，薄膜择优生长更明显，晶粒尺寸增大，晶界缺陷减少，缺陷密度降低;当基底温度过高时，薄膜表面变粗糙。

参考文献

[1]ChangJF，WangHL，HonMH．StudyingoftransparentconductiveZnO:AlthinfilmsbyRFreactivemagnetronsputtering[J].JournalofCrystalGrowth.2000，211(1-4):93-97．

[2]CuiXZ，ZhangTC，MeiZX，etal.GrowthofsinglecrystallineZnOfilmwithtwo-dimensionalperiodicstructureonSi(111)substratebymolecularbeamepitaxy[J].JournalofCrystalGrowth，2008，310(24):5428—5431．

[3]方玲.CIS太阳能电池吸收层及相关薄膜制备和

光电性能研究[D].北京:清华大学，2004．

[4]FangLing.StudyonpreparationandphotoelectricperformancesofabsorbersandrelatedfilmsforCISbasedsolarcell[D].Beijing:TsinghuaUniversity，2004．

[5]付恩刚，庄大明，张弓，等．基体温度对磁控溅射沉积ZAO薄膜性能的影响[J].真空科学与技术，2003，1(23):12—15．

[6]FuEn’gang，ZhuangDaming，ZhangGong，etal．EffectofsubstratetemperatureonperformanceofZAOthinfilmsdepositedbymagnetronsputtering[J]．VacuumScienceandTechnology(China)，2003，1(23):12—15