磁控溅射法制备zno薄膜及其特性研究

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1、磁控溅射法制备ZnO薄膜及其特性研究作者：万仁刚院系：物理02级四班引言1842年格洛夫（Grove）在实验室中发现了阴极溅射现象。迄后70年中，由于实验条件的限制，对溅射机理的认同长期处于模糊不清状态。1970年后出现了磁控溅射技术。最近15年来，进一步发展了一系列新的溅射技术，使得磁控溅射技术从实验室应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域。ZnO是一种半导体发光材料，由于它的禁带宽度较大（3.37ev）,决定了它的发光特性：发光的峰值波长和光谱能量分布都在紫外区。在紫外激光器和发光二极管，短波光通讯，光记录等方面有着重要的应用前景，成为近

2、年来材料学和光学中很热门的研究方向。真空溅射原理及方法原理：真空镀膜是借助高能粒子轰击所产生的动量交换，把镀膜材料的原子从固体（靶）表面撞出并放射出来。放在靶前面的基材拦截溅射出来的原子流，后者凝聚并形成镀层。阴极发射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与溅射气体原子发生碰撞，电离出大量的正离子和电子,电子飞向基片,正离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。方法：①直流溅射：溅射沉积各类金属薄膜②射频溅射：溅射沉积非金属材料（导电性差）③磁控溅射：提高沉积速率④反应溅射：在溅射过程中实现物

3、质之间的化学反应制备所需要的物质薄膜。本实验采用射频磁控溅射法在石英衬底上沉积ZnO（靶材）薄膜。射频溅射沉积装置示意图磁控溅射原理磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内。F=－q(E+v×B)电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。

4、磁控溅射靶表面的磁场和电子运动的轨迹实验用射频磁控溅射法在加热温度为240℃的石英衬底上制备ZnO薄膜，并于800℃进行退火处理。通过对光致发光光谱和X射线衍射谱的分析，研究ZnO薄膜发光特性和退火前后的结构特点。实验仪器：JGP450型多靶磁控溅射仪实验参数：基底温度：240℃基底压强：5.0×10-4Pa工作压强（氮气）：1.0Pa氮气流量：34励磁电源：30V×26A溅射时间：1h退火温度：800℃X射线波长：0.15405nmJGP450型多靶磁控溅射仪（控制箱）真空溅射室及氮气等离子体辉光放电图磁控溅射装置示意图实验样品在加热温度为24

5、0℃的石英衬底上制备的ZnO薄膜实验得到桔黄色透明的薄膜样品（纯ZnO薄膜是无色透明），桔黄色是由于氮原子掺杂进入ZnO薄膜中所致。样品的XRD曲线图a用氮气为溅射体，以ZnO为靶材，石英衬底制备的氮原子掺杂的ZnO：N薄膜的X射线衍射图。图b经800℃等温退火1h的ZnO：N薄膜的XRD图X射线衍射（XRD）曲线图的分析现象：在图a中，（002）晶面的衍射峰强度最大，其它晶面，如（103），（112）的衍射峰强度较弱。而在图b中，出现其它方向的晶面，（101）晶面的衍射峰为极强，其它晶面的衍射峰也较强。较之图a，谱线变窄。图a与图b都有一个较宽

6、的衍射包(2θ=22°左右)，为石英（非晶体）衬底的衍射峰。实验制备的ZnO薄膜为六角晶系结构。分析：对于图a，衬底温度240℃，沉积到基底上的Zn原子与O原子具有一定的能量在基底表面运动扩散，于是趋向吉布斯自由能小的排列方式。由于（002）晶面的表面能最低，生长较快，因此体系沿着（002）晶面的方向生长，而其它方向则受到抑制。表现为具有（002）晶向的择优取向。对于图b，样品于800℃退火处理，基底上的Zn原子与O原子具有更多的能量扩散，于是各晶粒随机取向，出现各方向的衍射峰。退火对样品结构特性的影响退火前薄膜的主要缺陷为O原子空位，产生压应力

7、，晶面间距变小。退火过程中，原子通过晶格振动交换能量，使位置畸变的原子得到恢复，消除薄膜的O原子缺陷，晶粒增大，晶界减小，应力降低，因此表现为谱线变窄。理论上，薄膜为多晶体，其平均晶粒尺寸L由下式确定L=0.94λ/Bcosθ其中λ是X射线波长，B是衍射峰半高宽，θ为衍射角。由于退火后衍射峰变细锐，即半高宽减小，所以加热后晶粒长大。ZnO薄膜的光致发光光谱如左图为：氮掺杂的ZnO：N薄膜的光致发光谱样品光致发光谱的分析由上图可知，ZnO薄膜在390nm附近有一个强紫外发射峰，它是由激子中的电子与空位的复合发出的光。此外，在绿光区还有一个强度较低的

8、较宽的发射峰。这于薄膜中O原子的空位有关系。由于O的空位导致施主深能级缺陷，O缺位中的电子向价带跃迁时发出波长为510nm左右的绿光。因