硅基底和金剛石基底上沉積ZnO薄膜工藝研究*

陳穎慧，高 楊 ，席仕偉，趙興海

(1.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽621900;2.中國工程物理研究院北京研究生部，北京100088)

ZnO薄膜具有優異的光電特性和壓電特性，在發光器件、太陽能電池和聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件等領域有著廣泛的應用。隨著微電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技術的發展，ZnO薄膜已被大量地應用于各種MEMS傳感器和執行器中。ZnO是一種具有六角纖鋅礦結構的半導體材料，其密度為5.67 g/cm，在室溫下具有3.37 eV的禁帶寬度和60 meV的高激子束縛能。對于應用于SAW濾波器中的ZnO薄膜，控制薄膜的c軸(002)擇優取向性非常重要，因為只有聲表面波沿著具有高度c軸晶格取向性的ZnO薄膜表面傳播時才具有最快的速度，同時薄膜表現出最好的壓電性能。ZnO薄膜的晶格取向性對聲表面波濾波器的中心頻率和機電耦合系數均有很大的影響。為了制備高性能的SAW濾波器，還需要ZnO薄膜表面盡可能光滑致密、無裂紋，以免影響在其上制作的金屬叉指電極的質量。為了獲得高質量的ZnO薄膜，需要了解影響薄膜生長行為的因素，并控制薄膜的生長過程［1－3］。

金剛石是一種具有獨特物理和化學性能的優良材料，包括機械特性、熱學特性、光學特性、縱波聲速、半導體特性及化學惰性等。金剛石具有1 200 GPa的楊氏模量，是自然界所知物質中最高的;其熱傳導率也是所知材料中最高的，室溫下為硅的15倍、銅的5倍;金剛石具有5.5 eV的帶隙，106V/cm～107V/cm的高擊穿電壓，特別是空穴遷移率比單晶硅、GaAs高很多［4］。具有一系列優良特性的金剛石薄膜被公認為是極具應用潛力的新型電子材料。金剛石薄膜用于高頻大功率聲表面波器件，具有以下優勢:①金剛石具有所有物質中最高的彈性模量，能夠有效地提高SAW濾波器的中心頻率;②金剛石擁有其它材料無法比擬的熱傳導率，能夠有效提高SAW濾波器的散熱效率;③金剛石是優秀的絕緣材料，可以保證SAW器件在長時間工作過程中保持著良好的絕緣性，避免電子擊穿，提高SAW器件的功率耐久性［5－7］。

ZnO薄膜的制備方法有很多種，有射頻磁控濺射法、離子束濺射法、化學氣相沉積法、噴霧熱分析法以及溶膠－凝膠法等［3］。同其他方法相比，利用射頻磁控濺射法更容易獲得高度的晶格取向和致密的膜層結構，并且沉積速度較快。因此本文采用射頻磁控濺射方法在(001)硅片和金剛石兩種不同類型的襯底上沉積了ZnO薄膜，研究了氬氧比和退火溫度對ZnO薄膜微觀結構及性能的影響，對比分析了Si基底和金剛石基底對ZnO薄膜結晶質量的影響。應用X射線衍射分析(XRD:X-Ray Diffraction)和原子力顯微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)對不同條件下生長的ZnO薄膜結構、形貌和界面狀態進行了表征。其中XRD測試壓電薄膜的c軸擇優取向的生長情況，AFM測試壓電薄膜的表面形貌和粗糙度［8－10］。

1 實驗原理

實驗采用的基片分別為(001)硅片和金剛石基片;濺射靶材為純度99.99%的ZnO靶，靶的直徑約為105 mm，基片與靶的間距約為67 mm。在生長ZnO薄膜之前，要對硅片和金剛石基片進行精細的清洗，首先分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中依次超聲5 min，去離子水沖洗干凈，經氮氣吹干在烘箱烘干之后放入濺射臺中。濺射功率為350 W，基片溫度為350℃，以氬氣和氧氣的混合氣體作為濺射氣體，為分析工藝參數氬氧比對薄膜質量的影響，調整氧氣的流量為40 sccm，選取了三個氬氧比值分別為 1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1。硅基底沉積薄膜時間為 1 h，金剛石基底沉積薄膜時間為20 min。根據XRD和AFM對參數氬氧比的測試結果，選取最優的氬氧比在硅基底上制備出ZnO薄膜，然后對該薄膜進行退火工藝的處理，選取退火溫度分別為450℃、600℃、750℃、900℃，保溫時間為1 h，退火氣氛為純氮氣。氬氧比和退火溫度的參數值如表1所示。退火后的ZnO薄膜同樣應用XRD和AFM測試［11－12］。

表1 氬氧比和退火溫度的參數值

2 實驗結果和討論

圖1顯示了硅襯底上在不同氬氧比的情況下沉積薄膜的XRD圖像，圖2顯示了金剛石襯底上、不同氬氧比沉積得到的ZnO薄膜的XRD圖像，其中34.52°對應的縱軸強度表征的是ZnO薄膜的c軸晶格取向性，其他峰值表征的是襯底材料的晶向。從圖1和圖2的34.52°對應的峰值強度隨氬氧比的變化情況均可看出:在設定的氬氧比范圍內，ZnO薄膜晶格取向強度隨著氬氧比的增加而增強。在氬氧比一致的情況下對比硅襯底和金剛石襯底上34.52°對應的峰值強度，金剛石襯底上薄膜的晶格強度低于硅襯底上薄膜，這是因為:ZnO在兩種襯底上沉積的時間不同，硅基底沉積薄膜時間為1 h，而金剛石基底沉積薄膜時間僅為20 min，沉積時間越長薄膜厚度越大，從而測得的XRD強度也越高。

圖1 硅襯底上ZnO薄膜的XRD圖像

圖3顯示了硅襯底上以不同氬氧比沉積得到的ZnO薄膜的AFM圖像。圖4顯示了金剛石襯底上以不同氬氧比沉積得到的ZnO薄膜的AFM圖像。從圖3和圖4中可看出:在設定的氬氧比范圍內，氬氧比為2∶1時ZnO薄膜的表面形貌最為平坦。

圖2 金剛石上ZnO薄膜的XRD圖像

圖3 硅襯底上ZnO薄膜的AFM圖像

圖4 金剛石上ZnO薄膜的AFM圖像

綜合考慮XRD和AFM的測試結果，得到生長ZnO薄膜的最佳氬氧比值為2∶1，因為在氬氧比為2∶1時ZnO薄膜c軸取向的強度已經滿足要求。氬氧比為3∶1時，ZnO的薄膜的表面狀態太差，達不到實際器件的應用要求。在氬氧比一致的情況下對比硅襯底和金剛石襯底上薄膜的AFM測試結果，可看到金剛石襯底上的薄膜表面形貌特征遠遠優于硅襯底上的薄膜，表面光滑致密，在氬氧比為2∶1時粗糙度達到了0.7 nm，顆粒度十分細密。這是由金剛石優異的材料性能決定的，金剛石具有很高的熱傳導率，非常有利于熱應力的釋放，使得在其表面生長的薄膜與金剛石基底具有更佳的結合。為了改善硅襯底上沉積薄膜的質量，對氬氧比為2∶1的情況下沉積的薄膜進行了退火處理。

圖5展示了硅襯底上、氬氧比為2∶1的工藝條件下下沉積得到的ZnO薄膜，經不同退火溫度的退火處理后的XRD測試結果。圖6展示了硅襯底上、氬氧比為2∶1的工藝條件下下沉積得到的ZnO薄膜，經不同退火溫度的退火處理后的AFM圖像。

圖5 硅襯底上ZnO薄膜的XRD圖像

圖6 硅襯底上ZnO薄膜的AFM圖像

對比圖1和圖5中34.52°對應的峰值強度可看出:退火前氬氧比為2∶1時對應的強度是294 143，退火后的峰值強度等數據在表2中列出，晶格強度明顯增強，說明退火工藝能夠有效地改善晶格取向。

觀察圖6的AFM圖像，發現退火對薄膜表面形貌和粗糙度的改善輕微，溫度過高時甚至會對表面形貌造成某種程度的損傷。綜合考慮，在本文的試驗條件下，750℃的快速退火能夠極大地提高薄膜的c軸取向，并且對薄膜的表面粗糙度有輕微的改良效果。

表2 不同的退火溫度下ZnO薄膜的c軸峰值強度

3 結論

在(001)硅片和金剛石基片上采用射頻磁控濺射法制備了ZnO薄膜，并在不同的溫度下進行了退火處理。XRD和AFM的測試結果表明，不同的襯底材料、不同的濺射氬氧比和不同的退火溫度對薄膜的生長取向和表面粗糙度有明顯的影響。硅和金剛石襯底材料特性的差異導致其上生長的ZnO薄膜應力狀態也有所不同，具有高熱傳導率的金剛石基底上沉積的ZnO薄膜表面形貌狀態非常優異。在設定的氬氧比工藝參數范圍內，同種基片類型上生長ZnO薄膜的晶格強度正比于氬氧比。對于硅襯底而言，適當的退火能夠成倍地提高ZnO薄膜的c軸取向性，但退火改善薄膜表面粗糙度的效果不明顯。能不能通過退火工藝繼續提高和改善金剛石襯底上ZnO薄膜的晶格取向將在后續研究工作中繼續探討。

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