濺射壓強對射頻磁控濺射制備ZnO薄膜的影響

摘要：采用射頻磁控濺射法在玻璃襯底上制備ZnO薄膜，我們利用X射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）對不同濺射壓強下制備薄膜的相結構和表面形貌進行分析，結果表明：在濺射壓強1Pa及1Pa以下時制備的ZnO薄膜表面光滑，結構致密，晶粒尺寸均勻，且沿c軸擇優生長。

關鍵詞：ZnO薄膜;射頻磁控濺射;濺射壓強

一、 引言

ZnO是一種直接寬帶隙半導體材料，且具有六角纖鋅礦晶體結構，激子束縛能60meV，ZnO材料豐富并且便宜，室溫下直接帶隙寬度3.37eV。具有良好的導電性性和透光性。ZnO薄膜是直接帶隙半導體，具有很好的光電性質，是理想的透明導電材料，可見光透射率可達90%，電阻率可低至10-4Ω·cm。AZO（ZnO：Al。此外，對紫外光有較為強烈的吸收。ZnO薄膜具有優良的壓電性能，因具有c軸擇優取向，電阻率高，從而有高的聲電轉換效率;且要求晶粒細小，表面平整，晶體缺陷少，以減少對表面聲波的散射，降低損耗，是一種用于體聲波尤其是表面聲波的理想材料。具有良好的導電性性和透光性，這使得其在表面聲波、體聲波、壓電器件、氣敏元件等方面具有廣泛的應用前景，特別是沿c軸生長的ZnO薄膜，在此應用領域具有更加優越的表現。因此，研究如何獲得高質量沿c軸生長的ZnO薄膜，開發ZnO作為功能薄膜材料，已經成為科研工作者的研究熱點問題之一。

目前多種技術已經被應用到制備ZnO薄膜上，如金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、脈沖激光沉積（PLD）、磁控濺射（MegnetronSputtering）、分子束外延（MBE）、溶膠—凝膠（Sol-gel）和噴霧熱解（Spray）等。其中磁控濺射是一種先進的薄膜制備技術，濺射是帶電粒子轟擊靶材，使靶材粒子（團被擊濺出來并淀積到襯底上成膜。若靶材是Zn，沉積過程中Zn與環境氣氛中的氧氣發生反應生成ZnO則是反應濺射;若靶材是ZnO陶瓷沉積過程中無化學變化則為普通濺射法。磁控濺射法是目前其是國內研究最多、最成熟的一種ZnO薄膜制備方法，具有速率高、可有效抑制固相擴散、薄膜與襯底之間的界面陡峭等優點，此法適用于各種壓電、氣敏和透明導體用優質ZnO薄膜的制備。所制備薄膜的附著性好，薄膜的成分在一定程度上可以控制，且具有低溫、低損傷、易于沿c軸生長等優點，所以被廣大研究者廣泛采用。而該方法所制備的高質量沿c軸生長的ZnO薄膜的性能嚴重依賴于反應濺射的條件，如襯底溫度、濺射壓強以及濺射氣氛等，其中濺射氣壓對沿c軸生長的ZnO薄膜的結晶質量有很大的影響，因而有必要探討其對所制備的高質量沿c軸生長的ZnO薄膜結構的影響。

本文采用射頻磁控濺射技術及TRP450三靶磁控濺射系統制備高質量沿c軸生長的ZnO薄膜，研究對于在其他條件相同時，不同的濺射壓強對其相結構、表面形貌的影響，并進行了分析獲得了制備高質量沿c軸生長的ZnO薄膜的最佳濺射壓強。

二、 實驗

為了分析濺射壓強對薄膜性能的影響，改變濺射壓強，在1Pa、1.5Pa、2Pa、2.5Pa。4個濺射壓強下制備ZnO薄膜，基層溫度為300℃，濺射功率70W，濺射時間40min，氬氧比：20∶10。如表1所示。

三、 結果與討論

圖1為不同壓強條件下制得的ZnO薄膜的X射線衍射圖譜，濺射氣壓分別為：1Pa，1.5Pa，2Pa，2.5Pa。從樣品XRD圖譜中可以看到薄膜均有兩個晶面衍射峰，說明在四個氣壓中ZnO薄膜都不具有很高c軸擇優取向。通過XRD圖譜我們可以看出隨著氣壓的增加第二個衍射峰越來越突出，因此在其他條件不變時，更好選擇1Pa以下的氣壓。在其他條件不變時，隨著氣壓的逐漸減小，ZnO（002）衍射強度減弱，半峰寬減小，說明ZnO薄膜尺度變大，結晶度提高。其原因是X射線衍射峰峰強與單位體積內的晶胞數成正比例關系，晶粒尺寸較大時，被X射線照射的體積內晶粒數少，總的晶胞數就少，衍射峰就弱。

四、 結論

采用射頻磁控濺射法在普通的玻璃襯底上制備出沿C軸擇優生長的ZnO薄膜，得到結論：共濺射壓強對薄膜有明顯的影響。隨著濺射氣壓的減小，晶粒尺寸變大，結晶度提高。上述結論說明，減少濺射壓降有利于提高薄膜的結晶度，但是壓強不能太低，否則會造成薄膜中缺氧。因此制備ZnO薄膜時，應該選擇合適的壓強。

參考文獻：

[1]方玲.CIS太陽能電池吸收層及相關薄膜制備和光電性能研究[D].北京：清華大學，2004.

[2]趙夢瑤，李明標.濺射氣壓對射磁控射制備ZnO薄膜結構的影響[J].自然科學，2011.

作者簡介：

王開平，遼寧省大連市，大連東軟信息學院。