射頻反應磁控濺射制備ZnO薄膜的工藝研究

常 鴻,許紹俊

(1.核工業西南物理研究院,四川 成都 610041;2.川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院,四川 成都 610051)

隨著通信技術的快速發展,對器件的工作頻率、體積等要求越來越高,基于MEMS技術的薄膜體聲波器件(FBAR)的優勢越來越顯著。ZnO作為一種六方纖鋅礦結構的寬禁帶半導體材料(3.37eV),具有較高的激子結合能,化學性能穩定,同時擁有良好的光學性能和壓電性能,因而在太陽能電池[1]、熱屏蔽涂層[2]以及體聲波器件[3]等領域具有重要應用。在體聲波器件中,金屬電極上壓電薄膜的質量會影響體聲波器件的性能[4],本文就此研究了制備工藝參數對在金電極上沉積ZnO壓電薄膜的影響。

ZnO薄膜的制備方法主要包括射頻反應磁控濺射法[5]、金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)[6]、脈沖激光沉積法(PLD)[7]、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)[8]等。射頻反應磁控濺射法可沉積較大面積的薄膜,沉積速率快,薄膜均勻性和取向性好,且相較于PLD和MOCVD,設備簡單,參數容易控制,所以本文采用該法制備ZnO薄膜。

射頻反應磁控濺射中,濺射功率、濺射氣壓和氧氬體積流量比都對ZnO薄膜的生長有較大影響[5,9-10],因此本文分別研究了濺射功率、濺射氣壓和氧氬體積流量比對金電極上制備ZnO薄膜的影響,并通過X射線衍射儀、原子力顯微鏡和臺階儀對ZnO薄膜的晶體取向、表面形貌和薄膜厚度進行分析。

1 實驗

本實驗采用射頻反應磁控濺射法生長ZnO薄膜,襯底采用的是已制備了金電極的硅(100)襯底,靶材為純度 99.99%的金屬鋅靶(直徑為101.6mm),金電極厚度為300nm。基片分別依次在丙酮、酒精、去離子水中超聲清洗處理,去除襯底上的污染物,最后用干燥氮氣吹干。抽真空至5.0×10-4Pa以下,再通入一定量的高純氮氣和氧氣,調節濺射氣壓、氧氬體積流量比、襯底溫度和濺射功率至設定值,待氣壓和襯底溫度穩定后再進行濺射。濺射過程中,保持靶材和基片旋轉以利于薄膜均勻性。具體工藝參數如表1所示。

表1 ZnO薄膜的制備工藝參數Tab.1 Process parameters of ZnO films

采用X射線衍射儀(XRD)表征薄膜樣品的晶體結構,原子力顯微鏡(AFM)對薄膜的表面形貌進行分析,臺階儀分析薄膜樣品厚度。

2 結果與討論

2.1 濺射工藝對薄膜結構的影響

圖1為功率200W,氣壓0.8Pa時,不同氧氬體積流量比下ZnO薄膜的XRD譜。由圖可以看出,薄膜在 2θ為 33.1°和 34.4°分別存在(100) 和(002)衍射峰,且(002)衍射峰強于(100)衍射峰。隨著氧氬體積流量比的增大,兩個峰的強度不斷減弱,氧氬體積流量比為0.6時,(002)峰幾乎完全消失,氧氬體積流量比為0.8時,(100)峰消失。

圖1 不同氧氬體積流量比下氧化鋅薄膜XRD譜;Fig.1 XRD spectra of ZnO films with different O2 ∶Ar

氧氬體積流量比含量是反應濺射中的重要參數,會影響薄膜的結晶質量[9]。當氧含量相對較低時,工作氣體氬氣比例較高,濺射速率大,濺射出來的Zn原子與氧氣反應充分,薄膜的缺陷較少,薄膜的結晶質量較好。隨著氧含量的增加,Zn靶表面有可能被氧化而出現 “中毒”現象,造成濺射效率下降,薄膜結晶質量變差。另外,氧含量的增加,較高的氧氣氛可能會阻礙大量濺射原子的運動,使它們在到達襯底表面時速度降低,動能減少,沒有足夠的能量擴散和遷移到晶格平衡位置,從而導致結晶性能變差。

圖2 不同濺射氣壓下氧化鋅薄膜XRD譜Fig.2 XRD spectra of ZnO films with different sputtering pressure

圖2為在功率200W,氧氬體積流量比0.4時,不同濺射氣壓下ZnO薄膜的XRD圖譜。從圖譜中可以看到,薄膜存在(100)和(002)衍射峰,且隨著濺射氣壓的增大, (100)衍射峰峰強逐漸變大,而(002)衍射峰的峰強變小。

濺射氣壓主要是通過影響氣體分子平均自由程的大小,進而改變入射粒子的能量來影響薄膜的結晶取向。當氣壓較低時,腔室中的氧氣和氬氣較少,氣體分子的平均自由程較大,濺射出來的原子與真空腔體內氣體的碰撞概率較低,由于碰撞損耗能量較少,所以濺射原子到達襯底時能量較高,表面擴散和遷移能力較強,濺射原子可以移動到晶格平衡位置,(002)晶體取向較好。隨著氣壓升高,氣體分子數量增多,分子平均自由程減小,濺射原子會與氣體分子發生多次碰撞,導致到達襯底時的能量較低,濺射原子的表面遷移能力變弱,所以c軸取向變差。

圖3為在氧氬體積流量比0.4,濺射氣壓0.8Pa時,不同濺射功率對薄膜結構的影響。從圖中可以看出,隨著濺射功率的增加,薄膜的(100)衍射峰峰強持續下降,(002)衍射峰峰強先增大,到200 W時,峰強最大,然后隨著功率增大而減小。

隨著濺射功率的增加,靶材的濺射率上升,濺射原子數量增多,另外功率增加后,濺射原子的能量也會隨之增強,使其有足夠的能量晶格重排,利于形成優異的c軸結晶取向。當濺射功率過高時,從靶材濺射出的高能原子會轟擊破壞已生成的ZnO薄膜,造成晶體取向變差,結晶質量下降。

圖3 不同濺射功率下氧化鋅薄膜XRD譜Fig.3 XRD spectra of ZnO films with different sputtering powers

圖4為金電極的二維原子力顯微鏡圖,觀察區域為2μm×2μm。從中可以看出,金的晶粒均勻致密,經分析計算,每個晶粒直徑約為90nm,金電極RMS表面粗糙度為2nm左右。該電極層為ZnO薄膜的良好生長提供了有利條件。

2.2 濺射功率和沉積速率的關系

圖5為濺射時間10 min時,不同濺射功率對ZnO薄膜沉積速率的影響,相關數據見表2,可以看出,ZnO的成膜速率與濺射功率成正比。

圖4 Au電極二維AFM圖Fig.4 Planar AFM image of Au electrode

圖5 濺射功率對沉積速率的影響Fig.5 The effect of sputtering power on deposition rate

表2 不同濺射功率下的膜厚和沉積速率Tab.2 Film thickness and deposition rate under different sputtering power

在射頻反應磁控濺射制備薄膜時,工作氣體氬氣被高強電場電離為高能的氬離子并轟擊靶材,因此,單位時間內靶材被轟擊的次數決定了濺射原子的數量。當濺射功率增大時,靶材的濺射率和濺射產額隨之增加,濺射原子的數量和能量上升,從而加快了濺射原子擴散、吸附、凝結成核、島形成、連續薄膜形成過程,因而薄膜沉積速率隨著濺射功率的增加而上升。

2.3 濺射功率對薄膜表面形貌的影響

根據以上研究結果,選取濺射氣壓0.8Pa,氧氬體積流量比為0.4的工藝參數制備ZnO薄膜,研究濺射功率對薄膜形貌的影響。圖6為不同濺射功率下制備的ZnO薄膜的表面形貌圖。從圖中可以看出,不同濺射功率對薄膜的表面形貌影響很大。結合圖7,當濺射功率從100 W升到200 W時,薄膜晶粒平均直徑愈來愈小,晶粒逐漸變得均勻致密,RMS表面粗糙度也越來越小。當濺射功率繼續增加后,晶粒直徑開始異常變大,RMS表面粗糙度也隨之上升。

濺射功率主要影響靶材的濺射率和濺射原子的能量大小。當功率較小時,靶材濺射率較小,濺射原子的數量較少,同時,氬離子轟擊靶材產生的濺射原子的動能也較小,導致其到達襯底表面后,表面擴散和原子遷移能力下降,濺射原子無法遷移到合適晶格位置,表面粗糙度較高。隨著濺射功率的增加,濺射原子的能量得以提高,使得其表面擴散和遷移能力增強,有利于實現晶格重排,從而晶粒變得均勻致密,表面粗糙度下降。然而,當濺射功率過高時,過快的薄膜沉積速率會導致濺射原子來不及有效遷移形成擇優取向的薄膜,晶粒會異常長大出現團簇現象,RMS表面粗糙度也會隨之變大。

圖6 不同濺射功率的氧化鋅薄膜AFM照片Fig.6 AFM images of ZnO films with different sputtering powers

圖7 不同濺射功率的ZnO薄膜粗糙度和晶粒直徑Fig.7 RMS roughness and grain diameter of ZnO films with different sputtering powers

3 結論

利用射頻反應磁控濺射法在鍍有金電極的硅襯底上制備出了具有c軸取向的ZnO薄膜。制備的工藝參數對ZnO薄膜具有重要影響。

(1)隨著氧氣含量的增加,ZnO薄膜的晶體取向下降。

(2)隨著濺射氣壓增大,ZnO薄膜的(002)取向愈來愈差,(100)取向愈來愈好。

(3)當濺射功率增加時,ZnO薄膜的(002)峰峰強先增大后減小,在功率為200 W時,峰強最強,而(100)峰峰強隨著功率的增大持續減小。

(4)在其他工藝參數一定時,薄膜沉積速率與濺射功率成正比。

(5)隨著濺射功率的增大,薄膜的RMS表面粗糙度先減小后增大。