直流溅射缓冲层生长ZnOSi薄膜
RF溅射钕掺杂ZnO薄膜的结构与发光特性
Ｒ Ｆ溅 射钕掺杂 Ｚ Ｏ 薄膜 的结构 与发光特性 ｎ
文 军 ，陈长乐 ＿
（． １ 西北工业大学 应用物理 系， 陕西 西安 ７０ ７ ； ２ 渭南师范学院 物理 系， １０ ２ ． 陕西 渭南 ７４ ０ ） １０ ０
摘要 ： 通过射频磁控溅射技术在 Ｓ １１衬底上制备了未掺杂 ＺＯ薄膜和 Ｎ 掺杂 ＺＯ薄膜。应用 Ｘ Ｄ分 ｉ １） （ ｎ ｄ ｎ Ｒ
一
应用固相反应法制备了 Ｎ 掺杂 Ｚ Ｏ陶瓷靶 ｄ ｎ 材 。根据摩尔比例在 电子天平上分别称取分析纯 的 Ｚ Ｏ与 Ｎ ， ｎ ｄＯ 粉末 ， 配制不 同名义组分 的 Ｎ ｄ 掺杂 ＺＯ ｎ 。将 称取 的 Ｚ Ｏ和 Ｎ ２ 放 人研 钵 中 ， ｎ ｄＯ 研磨、 细化 ， 充分均匀混合 ， 压成块状靶材， 放入电
析了 Ｚ Ｏ： ｄ薄膜 的晶格 结构 ， ｎ Ｎ 通过 Ａ Ｍ观察 了 Ｚ Ｏ： ｄ薄膜 的表面 形貌 。结果 表 明， ｄ掺入 了 Ｚ Ｏ晶格 Ｆ ｎ Ｎ Ｎ ｎ
中， 由于 Ｎ ｄ原子半径 大于 ｚ 原子半径 ， ｄ以替位原子的形式存在于 Ｚ Ｏ晶格中 。Ｚ Ｏ Ｎ ｎ Ｎ ｎ ｎ ： ｄ薄膜 为纳米多 晶 薄膜 ， 面形貌粗糙 。Ｚ Ｏ Ｎ 表 ｎ ： ｄ薄膜的室温 光致发 光谱表 明 ， 同条 件 下制备 的未掺 杂 Ｚ Ｏ薄 膜和 Ｎ 相 ｎ ｄ掺杂
Ｐ Ｃ： ２ ０ ； ８ ５ ＡＣ ３５ Ｆ ７５ 文献标识码 ： Ａ
中图分类号 ： ４４ １ ４ ８．１ ０ ８ ． ；０ ２ ３
１ 引
言
稀 土掺 杂 Ｚ Ｏ的研 究报 道却很 少 ， ｎ 李键 等 研 究 了 Ｚ Ｏ： ｄ薄 膜 的 气 敏 特 性 ； ｈｎ等 ¨ ｎ Ｎ Ｃｅ 制 备 了
Ｚ Ｏ薄膜都 出现 了 ３ ５ｎ 的强紫光带和 ４ ５ｎ ｎ ９ ｍ ９ ｍ的弱绿光带。我们认为 ， 紫光发射 峰窄而锐且 强度远 大于绿
微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO薄膜
微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO薄膜3汪建华(武汉化工学院) 任兆杏 邬钦崇(中国科学院等离子体物理研究所)摘 要 ZnO薄膜具有强的压电和光电效应,广泛用于制作各种声电和声光器件中.本文报道了用微波ECR等离子体溅射法沉积了ZnO薄膜,并研究了该法制备ZnO膜的工艺.结果表明,所形成的ZnO膜的性质强烈地依赖于溅射沉积条件.关键词 氧化锌薄膜;微波ECR等离子体;溅射分类号 O484;O530 引 言ZnO薄膜具有介电常数低,机电耦合系数大,良好的光学性等特点,是一种十分优良的压电薄膜材料.广泛用于各种频段的声体波、声表面波、压电换能器、声光布喇格偏转器之类的声电和声光器件[1～4].ZnO薄膜的实用价值大大推动了成膜技术的发展.这些技术包括DC溅射、R F溅射、离子束蒸发、溅射外延、磁控溅射和化学气相沉积(CVD).由溅射沉积ZnO膜,其膜的晶体结构,如C轴取向,强烈地取决于溅射条件.采用常规方法溅射沉积,虽然能够生成高度C轴取向ZnO膜,但这些方法都必须在较高的基片温度下成膜,往往不适合耐热性较低的GaA s等基片材料的使用,并且膜的表面易被高能离子轰击,通常会损害膜的表面,改变膜的性能,使膜的重复性和质量都会受到影响.为了避免这些问题,通常采用增加气压,将高能粒子能量转变为碰撞热能.然而,在几个到几十个电子伏特范围内的离子会随着气压的增高也有一定的碰撞能量损失,而该范围内的离子能量是较为适宜沉积结晶性好的薄膜.为了补偿能量的损失,不得不通过增加基片温度来沉积薄膜[5].微波电子回旋共振(ECR)等离子体镀膜是近年来发展起来的成膜技术.ECR等离子体在低气压(10-3～10-1Pa)下形成,等离子体密度(1010～1013c m-3)高,电离度也高(一般在10%以上).在发散磁场的约束和推动下形成有方向性的等离子体流,电子能量高,平均能量4～14 eV,离子能量分布很窄,其高能粒子比M axw ell分布少得多,能大大减少高能粒子对沉积薄膜的辐射损伤[6],并可以通过调节磁场位形来控制沉积粒子的能量在几个到几十个eV,因此,利用ECR溅射法能在低气压下,在较低的基片温度下沉积出结晶性能优良的薄膜.本文将详细报告应用微波电子回旋共振(ECR)等离子体溅射法沉积ZnO膜的成膜过程及其膜的结晶性与工艺参数的关系.1 实验过程图1显示出溅射型微波ECR等离子体沉积装置的原理图.当频率为2.45GH z的微波由收稿日期:1995—11—06;修回日期:1997—03—103国家自然科学基金1997年6月JOU RNAL O F W U HAN I N ST ITU T E O F CH E M I CAL T ECHNOLO GY Jun.1997图1 ECR 等离子体溅射沉积装置矩形波导传播经石英窗进入作为微波共振腔的等离子体发生室,在P A r+O 2=10-3～10-1Pa 的低气压下,等离子体中的电子在共振层从微波获得能量,从而电离中性气体产生高密度、高电离度的氩、氧等离子体.该装置的磁场线圈起到约束等离子体和提供共振磁场(B =875×10-4T )的作用.它是一个典型的磁镜发散场.在从ECR 区到基片架这段距离内磁力线密度逐渐变小,它使得等离子体从等离子体产生室引至沉积室,由于微波等离子体中电子作回旋运动的速度大于离子回旋运动的速度,因而,电子首先到达基片表面,从而在基片表面建立起一个恒定的静电场,它使得等离子体流中的正离子加速具有一定的能量打到基片上.溅射气体(氩气)和反应气体(氧气)分别由质量流量计控制进入等离子体发生室和样品室.在等离子体流引出口放置了内径为90mm 圆筒形状的金属靶,并施加直流负偏置电压.真空抽气系统由机械泵和分子泵组成,本底真空抽至为1×10-4Pa .氧化锌膜的沉积机理是等离子体中的A r +离子在负靶电压的作用下轰击金属靶表面产生溅射.溅射出来的锌原子进入等离子体后又被电离,这些金属离子在磁场约束和基片电场的作用下,在样品室与电离的O 2气发生反应,沉积到基片上,形成ZnO 膜.在该装置中,基片架可以平行移动.使用的基片为玻璃、Si 片、N aC l 单晶.基片的温度可以在40～450℃.沉积的薄膜样品厚度为0.5～3.5Λm .腔体中等离子体参数采用朗谬尔静电探计测量.膜的结构,晶粒度大小,表面表貌,膜截面和透射率的测定,分别由XRD 、T E M 、SE M 和日立(荧光)光度计分析完成.2 结果和讨论2.1 薄膜的性能ZnO 压电薄膜,其电声性能与膜的结构有关.我们采用X 射线衍射分析了沉积在玻璃上的膜.图2显示出了典型的X 射线衍射图形.由图中可以看出,ZnO 薄膜(002)面衍射峰特别强,(004)面衍射峰也清晰可见,这表明ZnO 薄膜具有高度择优取向.ZnO 薄膜(002)峰的半高宽反映了膜结晶颗粒的平均尺寸.衍射峰的宽化度虽然可能是由层错等缺陷引起的,但对ZnO 这类六角结构的晶体而言,层错是不影响衍射宽化度的.薄膜的平均粒度尺寸可由Sgerrer’s 方程估算:d =0.94Κ(B 0co s Η).式中B 0是(002)峰的真空宽化度;Κ为衍射波长;Η为布喇格角.由上式测算出我们制备的ZnO 膜的平均晶粒度为15nm .T E M 的形貌观察也表明薄膜由d =10～20nm 的晶粒组成,晶粒尺寸比较均匀.用光谱仪分析测量了ZnO 玻璃双层结构,光透射率超过80%以上.典型的C 轴取向膜的透射谱,其波长的范围为250～850nm .2.2 工艺条件对薄膜晶体结构的影响ZnO 薄膜的质量强烈依赖于ECR 溅射成膜工艺条件,因此准确掌握溅射条件与薄膜性能的关系,对保证获得优质、高重复性薄膜极为重要.2.2.1 基片温度 基片温度是影响薄膜质量最主要的因素,它可以在很大程度上改变薄膜的结晶结构.因为温度会影响基片表面吸附原子的迁移率和再蒸发,冷的表面吸附原子的迁移率58第2期汪建华等:微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO 薄膜 较低,易凝聚成非晶态结构,生长的膜结晶性不好,透明度差.适当的温度则能增加吸附原子的迁移率,使结合不良的原子再蒸发,促使C 轴垂直的晶粒生长,形成取向好、表面光滑的薄膜.过高的温度,沉积的膜晶粒粗大,表面粗糙,取向变差,甚至会出现混合取向.图2 典型的ZnO 膜X射线衍射峰 图3 靶流和靶压的关系图4 靶流与气压之间的关系 图5 不同基片上的X 射线衍射图图6 基片离靶的不同距离的X 射线衍射图2.2.2 沉积特征 我们知道沉积速率首先取决于靶附近的离子流密度,其次是离子能量.实际上,对ECR 溅射,其速率正比于输入的微波功率.此外,ECR 共振层在腔中的位置,靶与基片的距离,气压等都有影响.图3示出了不同微波功率下靶流和靶压的关系曲线.图4示出了靶流与气压之间的关系.在其它工艺条件不变的条件下,一般都是用增加微波功率来提高沉积速率.适当的沉积速率能使薄膜形成的初期在基片上生成较多的核化中心,易于得到较细的晶粒,生长的薄膜更致密、光滑,取向也好.沉积率太低,薄膜的结晶取向差,表面粗糙,透明度差,呈白雾状.2.2.3 基片的种类及表面状态 生长ZnO 膜,基片类型和表面状态是非常重要的.图5显出了同等条件下不同基片的X 射线衍射图.此外,基片表面的清洁度和完整性对防止薄膜形成68武汉化工学院学报第19卷中的缺陷也是重要的,不仅会影响膜的附着力和早期成核率,而且可能导致不完整的结晶中心,引起点阵的畸变,形成高低不平的小丘,从而使膜的取向变差,针孔增多.2.2.4 基片位置 靶与基片的相对位置也是影响薄膜质量的重要因素,靶基片间距不仅影响沉积速率,而且对膜的质量有明显的影响,图6示出不同靶距的X 射线衍射图,基片为镀铝玻璃片.在ECR 溅射装置中,由于外加磁场的作用,通过改变磁场位形,可以改善等离子体密度N e 的均匀性,从而可以得到厚度均匀的薄膜.3 结 论 用微波ECR 溅射法能够在低气压、低温下制备高度C 轴取向的ZnO 压电薄膜,其晶粒大小为几个至几十个纳米,光透射率80%以上.并且膜的结构致密、膜表面平整.我们的研究还表明,膜的质量强烈依赖于ECR 溅射工艺条件,其沉积速率正比于输入的微波功率,此外还与ECR 共振层在腔中的位置、靶与基片的距离、气压等有关.膜的均匀性,可以在该系统通过调节磁场位形而得到改善.参 考 文 献1 Chernets A N ,Ken igsberg N L .P reparati on and p ropertis of th in fil m s of ZnO fo r hyperson ic tran sducers .T h in So lid F il m s ,1973,(18):247～2552 H ickernell F S .ZnO p rocessing fo r bu lk and su rface w ave deivces .IEEE U ltrason ics Sympo sium P roceed 2ings ,1980.785～7953 M itsuyu T ,Yanzak t O ,W asa K .A 4.4GH z SAW filter u sing a single cristal ZnO fil m on sapp line .IEEEU ltrason ics Sympo sium P roceedings ,1981.74～774 钱振型.ZnO 薄膜的应用.压电与声光,1982,(1):1～95 M o rito M atsuoka ,Ken’ich i O ne .C rystal structu res and op tical p roperties of ZnO fil m s p repared by spu t 2tering -type electron cyclo tron resonance m icrow ave p las m a .J V ac Sci T echno l ,1989,A 7(5):2975～29826 M o rito M atsuoka ,Ken’ch i O ne .M agnetic fileld gradien t effects on i on enery fo r electron cyclo tron reso 2nance m icrow ave p las m a stream .J V ac Sci T echno l ,1988,A 6(1):25～29Z i nc Ox ide Th i n F il m s Prepared Usi ng M icrowaveECR Pla s ma Sputter i ng M ethodW ang J ianhua R en Zhaox ing W u Q inchongAbstract Zinc ox ide (ZnO )th in fil m s w ith strong p iezoelectric and p iezoop tic effects havebeen w idely u sed in acou sto -electric and acou sto -op tic devices.T h is p ap er repo rts on structu ral p rop erties of ZnO fil m s by m icrow ave ECR p las m a sp u ttering depo siti on and stud 2ies ZnO fil m s p rocessed .T he resu lts show that p rop erties of the ZnO fil m s fo rm ed in ou r w o rk strongly rely on the sp u tter depo siti on conditi on .Key words ZnO th in fil m ;ECR p las m a ;Sp u tter78第2期汪建华等:微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO 薄膜 。
Zn-Sn-O系统透明导电薄膜的制备及其性能
Zn-Sn-O系统透明导电薄膜的制备及其性能季伶俐;贺蕴秋;孙芳芳【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2012(030)001【摘要】本文采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）过程和旋涂技术,通过高温烧结,得到了Zn-Sn-O系统的薄膜。
结合干凝胶的差示扫描热分析（TG-DSC）和薄膜的X射线衍射分析（XRD）,研究了干凝胶在烧结过程中发生的反应。
通过控制溶胶的组成和薄膜烧结温度,得到了较纯净的Zn2SnO4晶相薄膜和ZnSnO3晶相薄膜。
ZnSnO3晶体薄膜的电阻率显著低于Zn2SnO4晶体薄膜;N2气氛热处理后,ZnSnO3薄膜的电阻率升高而Zn2SnO4薄膜的电阻率大幅降低;当[Zn]/[Zn＋Sn]=50.3at%时,薄膜的晶相仍为ZnSnO3,其电阻率较[Zn]/[Zn＋Sn]=50.0at%的薄膜降低,约为8.0×102Ω.cm-1。
通过上述两种晶相薄膜的X射线光电子能谱分析（XPS）,探讨了这两种晶体不同的导电机理：Zn2SnO4晶体通过其中的氧空位导电,而ZnSnO3晶体则以间隙阳离子导电。
紫外-可见光透过率（UV-Vis）分析表明：Zn2SnO4和ZnSnO3晶体薄膜在400~900nm的可见光波段的透过率可达80%以上。
【总页数】9页(P63-70,101)【作者】季伶俐;贺蕴秋;孙芳芳【作者单位】同济大学材料科学与工程学院,上海200092;同济大学材料科学与工程学院,上海200092／同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海200092;同济大学材料科学与工程学院,上海200092【正文语种】中文【中图分类】O484.4【相关文献】1.柔性衬底直流磁控溅射ZnO基高性能透明导电薄膜的制备及性能研究 [J], 张涛;洪瑞金;张大伟;陶春先2.铜纳米线柔性透明导电薄膜的制备和性能研究 [J], 梁虹燕;赵乐;李晓鹏;于仕辉3.高长径比银纳米线的制备及其透明导电薄膜性能 [J], 赵玮; 赵春宝; 沈巽; 张亚南4.钛镁共掺氧化锌透明导电薄膜的制备及其光电性能 [J], 钟志有;田雨;龙浩;陈首部;杨春勇5.Ag NWs@SH-GO复合透明导电薄膜的制备与电学性能 [J], 王迪;陈义川;胡跃辉;张志秦;高皓;刘辉文;高友良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
直流反应磁控溅射预制ZnO晶种层工艺参数优化
ｒ ｇ ｐ ｗｅ ｅ ｓｔ ｎ ｎ ｅ ｌ ｇｃ ｎ ｉｉｎ ｒ ｖ ｓｉａ ｅ ． Ｔｈ ｏ ｐ ｏｏ ｙａ ｄ ｓｒ ｃｕ ｅｏ ｎ ｓ ｅ ． ｉ ｏ ｒｄ ｎ ｉ ａ ｄａ ｎ ａｉ ｏ ｄｔｏ ｓｗｅ ｅｉ ｅ ｔｇ ｔ ｄ ｎ ｙ ｎ ｎ ｅｍ ｒ ｈ ｌｇ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｆ ０ ｅ ｄ Ｚ Ｉｙ ｒｗｅ ｅｃ ａ ａ ｔ ｒｚ ｄ ｂ ＥＭ ，ＡＦ ｎ ａ ｅ ｒ ｈ ｒ ｃｅ ｉｅ ｙＳ Ｍ ａ ｄ ＸＲＤ． Ｔｈ ｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｆ ｅ ｃ ｆ ｅｅ ａ ｔ ｒ ｃ ｓ ａａ — ｅｍ ｃ ａ ｉｍ ｆｉ ｌ ｎ ｅｏ ｌｖ ｎ ｏ ｅ ｓｐ ｒｍ ｎ ｕ ｒ ｐ
ｔｉｅ ｔ ４ ０Ｗ ／ ｍ。 ａ ｄ８ ０℃ ｏ ｈ －ｏＡｒｒｔ ，ｓ ｕ ｔｒ ｇｐ ｗｅ．ｅ ｓ ｙ ａ ｄａ ｎ ａｉｇ ａｎ ｄｗｉ １： ，４ ｃ ， ｎ ０ ｈ ｆ ｅ０２ｔ－ ａｉ ｐ ｔｅｉ ｏ ｒｄ ｎ ｉ ， ｎ ｎ ｅｌ ｔ ｏ ｎ ｔ ｎ
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ZnS薄膜的溅射沉积及其XPS研究
与
薄膜很难长 厚
】
长波
器 件 应 用 需要
长 波 器 件 表 面 抗 反 射 薄膜 厚 度 约 为
, 器件工艺线 ’
,
离 子 束溅 射 技术 已 被 成 功 引入 了 合 物 材 料 的 生长 容 易 带 来 组 份 偏 析
但 是溅 射 沉 积 对 于 多组 份 化
·
造成 元素沉积 样品表面的
,
,
影 响 薄膜 性 能 和 应 用
,
】
但是 到 目前为 止
·
,
器 件 的 工 艺 重复 性
成 品 率均 不 理 想
、
成 本居 高不 下
,
待解 决 的 问题很 多
口材
与介质 表 面钝
膜有关的主 要有
器 件 表 面钝 化
表 面 抗 反射
“
,
是 一 种 优 良 的红 外 窗
·
料
,
、
化材料
,
且 还 是 目前 首 选 的 热蒸发
器 件 表面抗反 射光学薄 膜材料
,
. F ig 2 X P S sp eetru m o f th e sP u tterin g Z n S i f lm surf d eP osited on th e H gC d T ee e
,
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: Z nZ;:/2 以看到 各 元素的 X p S 峰 n L (z ( M M )
样 品室 真 空 度
一
,
源
纯度
收 稿 日期 醛金 项 目
射频磁控溅射制备ZnO光波导薄膜
能 够用 于制 备 Ｚ Ｏ薄 膜 的技 术很 多 ， ｎ 常见 的有 磁 控 溅 射 法 ＇Ｊ 化 学 气 相 沉 积 ¨ 溶 胶一 凝 胶 ｍ、 、 法 ］脉冲激 光沉 积 ］ 分 子束 外 延 法 ［ ］金属 有 、 ”、 １、 ４
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
具有 良好 的光 电性 能。近 年来 随 着 Ｚ Ｏ光 泵 浦 紫 ｎ
期 第２ ５卷 第 １
２ １ ０ ０年
山 东 建 筑 大 学 学 报
Ｊ ＵＲＮ Ｏ Ｓ ＮＤＯＮ Ｏ ＡＬ Ｆ ＨＡ Ｇ ＪＡＮ Ｉ ＺＨＵ ＵＮＩ ＥＲ Ｉ Ｙ Ｖ ＳＴ
Ｖ １ ２ Ｎ ． ｏ． ５ ｏ１ Ｆ ｂ ｅ． ２ １ ００
２月
文 章编 号 ：６ ３— ６４ ２ １ ） １ ０ １ ０ １７ ７４ （ ００ ０ — ０ ０— ４
０ 引 言
Ｚ Ｏ是一种 宽禁 带 直接 带 隙 半 导体 材 料 ， ｎ 由于 在室 温下具有 较 高 的激 子束 缚 能 （ ０ ｅ ¨ ， ６ ｍ Ｖ） Ｊ 因此
备工 艺 比较 简单 ， 有助 于降低光 电器件 的制作成本 。 最近 ， 制备 高质量 的外延 性 Ｚ Ｏ薄膜 已经取得 了显 ｎ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ： ｎＯ ｈｎ ｆｌ ；ｒ ｇ ｅｒ ｎ ｓ ｕｔ ｒｎ ｄ Ｚ ｔ ｉ ｍｓ ｆｍａ ｎ ｔｏ ｐ ｔ ｉ ｇ；ｏ ｔ ａ ｖ ｇ ｉ ｅ；Ｘ—ａ ｉ ｒ ｃ ｉｎ ｉ ｅ ｐ ｉ ｌｗａ ｅ ｕ ｄ ｃ ｒｙｄｆ ａ ｔ ｆ ｏ
禁带半 导体 领域 又 一 研究 热 点 。此 外 ， ｎ 薄膜 制 ＺＯ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ｎ ｅ Ｓ ａ ｄ ｎ ｉ ｚ ｕ Ｕ ｉ ｒ ｔ ， ｉ ｎ２ ０ ０ ， ｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ｉ ｃ ， ｈ ｎ ｏ ｇＪ ｎ ｈ ｎ ｅ ｉ Ｊ ａ ５ １ １ Ｃ ｉａ Ｓｅ ａ ｖ ｓｙ ｎ
磁控溅射技术制备ZnO透光薄膜
磁控溅射技术制备ZnO透光薄膜
磁控溅射技术制备ZnO透光薄膜
采用RF磁控溅射方法,在玻璃衬底上制备了择优取向的ZnO薄膜;通过台阶仪、X射线衍射技术、原子力显微镜和分光光度计分别测量了不同溅射功率条件下淀积的ZnO薄膜厚度(淀积速率)、结晶质量、表面形貌与粗糙度、透光光谱,报道了该薄膜结晶质量、薄膜粗糙度与其在可见光区透光率的关系.
作者：俞振南姜乐熊志华郑畅达戴江南江风益 YU Zhen-nan JIANG Le XIONG Zhi-hua ZHENG Chang-da DAI Jiang-nan JIANG Feng-yi 作者单位：南昌大学,教育部发光材料与器件工程研究中心,江西,南昌,330031 刊名：南昌大学学报（理科版）ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF NANCHANG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)：2007 31(5) 分类号：O782+.9 关键词：ZnO 磁控溅射透光光谱粗糙度溅射功率。
直流溅射原理
直流溅射原理直流溅射是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于半导体、光伏、显示器等领域。
它通过在真空环境中利用离子轰击固体靶材，将靶材表面原子溅射到基底上，形成薄膜。
本文将介绍直流溅射的原理及其在工业生产中的应用。
首先，让我们来了解一下直流溅射的原理。
在直流溅射过程中，靶材被连接到负极，而基底则被连接到正极。
当加上足够的电压后，电子从负极流向阳极，同时离子则沿着反方向移动。
这样就形成了一个电场，使得靶材表面的原子被加速并溅射到基底上。
这些原子在基底表面沉积，形成所需的薄膜。
直流溅射的薄膜具有较高的纯度和致密性，因此在微电子器件和光学涂层中得到广泛应用。
直流溅射的工业应用非常广泛。
首先，在半导体制造领域，直流溅射常用于制备金属薄膜、氮化物薄膜和氧化物薄膜等。
这些薄膜在集成电路、太阳能电池和显示器件中起着至关重要的作用。
其次，在光学薄膜领域，直流溅射也被广泛应用于制备反射膜、透射膜和滤光片等。
这些薄膜在激光器、光学仪器和摄像头等光学设备中具有重要作用。
此外，在装饰涂层领域，直流溅射也被用于制备金属薄膜和陶瓷薄膜，用于提高产品的外观质感和耐腐蚀性能。
总的来说，直流溅射作为一种重要的薄膜沉积技术，已经成为现代工业生产中不可或缺的一部分。
它不仅可以制备各种功能性薄膜，还可以提高材料的性能和附加值。
随着科学技术的不断发展，相信直流溅射技术将会在更多领域展现出其巨大的潜力，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
因此，我们需要深入研究直流溅射的原理，不断改进其工艺技术，提高薄膜的质量和生产效率，以满足不断发展的工业需求。
只有不断创新和进步，才能更好地推动直流溅射技术的应用和发展，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
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第35卷第1期 人 工 晶 体 学 报 Vol.35 No.1 2006年2月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS February,2006 直流溅射缓冲层生长ZnO/S i薄膜姚 然,朱俊杰,段 理,朱拉拉,傅竹西(中国科学技术大学物理系,合肥230026)摘要:Zn O是一种新兴的的宽禁带半导体材料,相对于传统的宽禁带材料有很多的优势。
在相对成本低廉的Si衬底上生长Zn O薄膜是现在攻关的热门课题。
目前用缓冲层方法生长Zn O薄膜取得了一些突破。
本文利用直流溅射,先在Si衬底上溅射一层Zn O多晶薄膜,通过对直流溅射时间的控制,可以得到不同厚度的Zn O缓冲层。
再利用MOC VD设备生长高质量的Zn O薄膜。
通过研究发现,直流溅射Zn O薄膜的厚度对于最终的薄膜质量有很大的影响。
随着缓冲层的引入,双晶衍射XRD的摇摆半宽有显著下降,并且随着最终Zn O薄膜质量上升,光致发光也有显著的提升。
可见缓冲层的引入对Zn O/Si薄膜的质量和发光强度有很大的贡献。
关键词:氧化锌;直流溅射;MOC VD;缓冲层中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:10002985X(2006)0120135204 Growth of ZnO Th i n F il m s on S ili con Substra te w ithSputter i n g Buffer Layer by L P2MOCVDYAO R an,ZHU Jun2jie,DUAN L i,ZHU L a2la,FU Zhu2xi(Depart m ent of Physics,University of Science and Technol ogy of China,Hefei230026,China)(Received14July2005)Abstract:Zinc oxide(Zn O)is aⅡ2Ⅵco mpound se m iconduct or material with a wide direct band gap of3.3e V at r oo m temperature.Recently,ZnO fil m s have attracted more attenti on due t o their ultravi oletphot olu m inescence.Gr owing Zn O thin fil m on the Si substrate is a p resent popular t op ic.A t p resent,the technol ogy of gr o wing Zn O thin fil m with buffer layer has made p r ogress.Buffer layers p repared on Si substrates by DC reactive s puttering syste m is reported in this paper.The thickness of buffer layer depends on the s puttering ti m e.Then the high quality Zn O thin fil m s were gr own on the Si substrates by l ow p ressure metal2organic che m ical vapor depositi on(LP2MOCVD)with s puttering buffer layers.The effect of s puttering buffer layer thickness on the structure and lum inescence p r operties was investigated.The full width at half maxi m u m(F WHM)of r ocking curve of ZnO(002)peak was reduced by using s puttering buffer layer and annealing.And the intensity of lu m inescence was als o increased.Key words:Zn O;s puttering;MOCVD;buffer layer1 引 言ZnO是一种微晶结构的半导体材料,具有六角密堆结构。
同时它又是直接带隙宽禁带半导体材料,在室温下的禁带宽度为3.37e V,而且它的束缚激子能高达60me V,比室温热离化能26me V大很多。
所以它收稿日期:2005207214基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.90201038;No.50472009;No.10474091)作者简介:姚然(19802),男,北京市人,博士生。
E2mail:ryao@的应用前景非常乐观,可作为表面声波导,压电材料,太阳能电池的透明电极,太阳能电池等。
而且,Zn O 在真空紫外激发下,与传统激光器相比,能发出更短波长的光,所以它的另一大用处就是成为紫外激光器材料[1,6]。
然而Zn O 单晶衬底制备困难,价格昂贵[2],即便用目前广泛采用的蓝宝石基片也不能降低ZnO 薄膜的价格,对应用起了阻碍的作用,如何用好的方法在Si 衬底上生长ZnO 薄膜成为了现在研究的重点。
然而Zn O 的晶格常数比较大,与一般的Si 衬底失配率较大,所以难以得到性能良好的ZnO 薄膜。
为了改变这一状况,本文着重就生长过程中引入缓冲层[4,5],对改良薄膜性能方面作了一些分析。
图1 MOCVD 系统简明示意图Fig .1 Sche matic drawing forMOC VD syste m 2 实 验实验中所用的Si (111)衬底经过多次有机溶剂清洗,并经稀释过的氢氟酸溶液浸泡,去除Si 表面Si O 2层,然后再用大量去离子水冲洗,最后用氮气吹干。
先进行过渡层Zn O 的生长。
生长的方法是直流溅射,其生长条件为:溅射功率为16W ,衬底温度300℃,A r (50%)与O 2(50%)的混合气氛。
经过对溅射时间的控制我们获得了不同厚度的Zn O 过渡层,再利用这些已生长好过渡层的基片再次生长ZnO 薄膜。
生长使用的设备是如图1所示的MOCVD 系统,实验使用的源为高纯的DEZ 和CO 2,纯度均为99.999%。
生长时,DEZ 使用高纯N 2鼓泡携带,源温控制在10℃,流量为10scc m;同时,为了加快DEZ 的流速,在DEZ 鼓泡瓶的出口处,使用了N 2加速管道,如图1所示。
N 2通过此路的流量为50scc m 。
CO 2的流量控制在80scc m 。
生长时的真空度为266Pa 。
生长时间60m in 。
生长结束后,在氮气中700℃退火1h 。
3 结果及讨论通过控制直流溅射的时间,分别获得了50nm 、100n m 、200n m 及400nm 的Zn O 缓冲层。
在文中分别称为A,B ,C,D,没有缓冲层的样品称为E 。
并利用MOCVD 设备进行了Zn O 薄膜的再次生长。
对于获得的Zn O /Si 薄膜,分别进行了X 射线衍射(XRD );发光光谱的测量及原子力显微镜测量。
本文使用的X 射线衍射(XRD )数据由D /MAX 2RA 衍射仪测量所得。
表面形貌及粗糙度的结果,由上海爱建纳米提供的ⅢA 型原子力显微镜测量而得。
发光光谱的测量,使用325n m 的He 2Cd 激光作为激发光源。
3.1 X 射线衍射测量及分析以下五个X 射线衍射图(图2)分别对应着样品A ,B ,C,D ,E 。
在测量中还利用双晶平行光入射,得到薄膜的摇摆曲线。
通过下面的X 射线衍射图可以看出,没有缓冲层处理的样品E,其X 光衍射图所示除了有Zn O (002)以及很弱的(004)衍射峰出现以外,还出现了Zn O (101)、(102)以及(103)衍射峰,表明此时生长的Zn O 薄膜是取向性比较差的多晶薄膜。
而有直流溅射缓冲层的薄膜只有Zn O (002)和ZnO (004)两个衍射峰出现,其他的衍射峰均已消失,说明此时Zn O 薄膜的取向性比较好。
直流溅射缓冲层的厚度对ZnO /Si 薄膜的质量有很大影响。
其中50nm 缓冲层的ZnO 薄膜的摇摆半宽为7.2度。
随着缓冲层厚度的增加,Zn O 薄膜的摇摆半宽随之减小。
100nm 直流缓冲层的样品摇摆半宽达到了5.2度,而且强度也有提升,CPS 达到了3500。
当直流缓冲层的厚度再次增加,ZnO 的摇摆半宽随之增加,200nm 和400nm 过渡层的样品分别达到了10度和13度,X 光衍射峰强度也随之下降,可以看出此时的Zn O 薄膜质量不高,且随着缓冲层厚度的递增而下降。
这是由于原本ZnO 与Si 之间的晶格失配相当严重,此时生长的ZnO 薄膜由于应力等因素,其质量相对631人工晶体学报 第35卷 较差。
但是当引入了直流缓冲层以后,有效地减少晶格失配带来的影响,薄膜取向性明显提高。
过薄的过渡层不能有效地缓解由于晶格失配带来的影响,界面处晶格失配所产生的应力释放不够完全,所以用过薄的过渡层所生长的薄膜质量相对较差,随着过渡层增厚,晶格失配所带来的应力逐步被释放,结晶质量提高。
但是由于直流溅射所生长的过渡层取向性不好。
随着溅射生长时间的增加,这个负面效应得以积累,体现到后来MOCVD 生长上面,对结晶质量起到负面效应。
只有厚度适合的过渡层才能最有效地缓解晶格失配带来的应力问题,有效地促进Zn O 薄膜的生长。
图2 Zn O 薄膜的X 射线衍射图及摇摆曲线Fig .2 X 2ray diffracti on s pectra and r ocking curves of the Zn O fil m s with different thickness buffer layers图3 325n m 激光P L 谱Fig .3 P L s pectra of the Zn O with 325n m laser excitati on 3.2 室温光致发光谱分别对应样品A ,B ,C,D 进行了室温下的光致发光测试,激发光源为325nm 的He 2Cd 激光。
P L 光谱如图3所示。
对应图中的曲线可以看出,通过直流溅射缓冲层的样品具有相对较强的紫外发光,对应波长为380nm ,这部分发光被认为是激子发光,其强度远大于深能级的绿光部分。
开始阶段,随着过渡层厚度的增加,发光强度有所增加。
其中100n m 过渡层的发光强度最高。