物理法制备ZnO薄膜的方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津工程师范大学电子工程系 作者:张建民

溅射法(Sputtering)

       溅射是带电粒子轰击靶材,使靶材粒子(团)被击溅出来并淀积到衬底上成膜。如果靶材是Zn,沉积过程中Zn与气氛中的O2发生反应生成ZnO,属于反应溅射。若靶材是ZnO,沉积过程中无化学变化则为普通溅射法。溅射法要求较高的真空度,合适的溅射功率及衬底温度。磁控溅射ZnO 薄膜,具有速率高、可有效抑制固相扩散、薄膜与衬底之间的界面陡峭等优点。决定ZnO薄膜微结构的主要因素是衬底温度和溅射粒子的能量分布。保护气一般用超高纯氩气,反应气为氧气。在反应溅射中,可能会有部分Zn与O2没有反应完全,薄膜的特性不够理想,不如用ZnO靶制备的薄膜质量好。

 脉冲激光沉积法(PLD)

        PLD是在超高真空(本底气压10-8Pa)系统中,准分子激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦照射靶面,使靶材瞬时升华、解离,产生高压高温等离子体(T≥104K),这种等离子体局域定向膨胀发射并冷却沉积在衬底上成膜。PLD常用的激光器有波长248nm的KrF和波长193 nm的ArF准分子激光器。衬底温度和反应气氛是决定ZnO薄膜结晶好坏的重要因素。PLD系统示意图示于图1。PLD法制备的ZnO薄膜的结构、光电性质与衬底温度、背景气压、激光能量密度、脉冲宽度和重复频率等因素有关。PLD生长参数独立可调,化学计量比可精确控制,薄膜平整度好,易于实现多层薄膜的生长,而且减少了不必要的玷污。

PLD系统 

图1 PLD系统示意图

分子束外延法(MBE)

        MBE是一种原子级可控的薄膜生长方法MBE生长ZnO需要超高真空条件,本底压强大约为10-7Pa或以上,衬底一般为蓝宝石。在电子回旋共振分子束外延(ECR-MBE)生长中,采用100mW的微波功率,氧气分压为2×10-2Pa,衬底的温度为275℃时,可得到具有高度c轴取向的透明ZnO薄膜,薄膜与衬底之间存在外延关系。生长ZnO单晶薄膜,MBE法是最好的,其工艺可靠性高。但是,MBE法的生长速率很慢,设备昂贵,操作复杂,使许多器件的应用难以满足。

原子层外延生长法(ALE)

       ALE 是将参与反应的蒸汽源(Zn源与氧化物气体)依次导入生长室,使其交替在衬底表面吸附并发生反应,淀积成膜。两个反应源在被引入生长室后发生的反应均发生在气态反应源和表面官能团之间,每个反应发生后产生一个新的官能团,挥发性分子则解吸被抽走。当表面完全变成新的基团后,这个反应就自动停止。这两步反应完成后就生长出一层薄膜,一个循环结束。重复循环直到形成一定厚度的ZnO薄膜。

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