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軸擇優生長的ZnO薄膜，深入研究工藝參數對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為生產實踐提供了參考依據。

關鍵詞 磁控濺射 ZnO薄膜 光學特性 c軸擇優生長

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。理想ZnO薄膜具有C軸擇優取向、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、微觀特性和擇優生長幾個方面，對薄膜特性機理進行討論，因此對實際生產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。總氣體流量為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對薄膜性能的影響。

2 光學性質分析

采用橢偏儀測試薄膜的折射率和消光系數，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k減小。

3 X射線衍射分析（XRD）

ZnO具有纖鋅礦結構，其薄膜的壓電特性來源于晶格的c軸擇優取向，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。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測試結果見圖3。

4 形貌分析（AFM分析）

AFM測試結果表明：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，使晶粒的表面形態變差。在薄膜的工作范圍內適當增加氧氣濃度，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化，有利于鍍制出表面更加平整的ZnO薄膜。

5 結論

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，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，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，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.