化学法制备ZnO薄膜的方法(1)

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:郑宏兴

PECVD法

      PECVD装置是在普通CVD反应腔中增加了一对等离子体离化电极板,如图2所示。

PECVD装置图 

图2 PECVD装置示意图

      PECVD一般用有机锌与稳定的含氧气体(如NO2,CO2或N2O等)反应沉积。有机锌多采用二甲基锌(DMZ)或二乙基锌(DEZ)。用DEZ与CO2反应的较多,这是因为这两种化合物反应比较稳定。实验中等离子体的产生是非常重要的,因为CO2在等离子体作用下使氧解离出来,与DEZ反应生成ZnO沉积到衬底上。影响薄膜的主要因素是衬底温度、反应气压和等离子体电离电压。衬底温度一般在200~400℃之间,反应压强约为102Pa,电离电压约为1.8~4.5kV。PECVD法的优点是生长速率较快,薄膜表面平整,有利于在SAW器件的应用;但缺点是薄膜的缺陷密度较高,一般需要后续的热处理以提高薄膜的质量。

SSCVD法

       SSCVD 法(固态源化学气相沉积)是近几年出现的制备ZnO薄膜的方法,它是一种真空度高(本底压强达10-6Pa)、能量较低的沉积过程。使用的单一反应源多为碱性醋酸锌(BZA)。BZA在温度可调的Knudsen腔中升华。升华后的压强一般为10-3Pa 或更低。SSCVD法沉积ZnO薄膜很重要的一点就是要使沉积腔内存在适量的水蒸气。水蒸气的存在有利于ZnO膜的c轴取向生长,这可能是基于水蒸气提供了氧,填充了ZnO中的氧空位(VO)。Knudsen腔与衬底的温度分别稳定在200℃和450℃时,随H2O分压的增大,ZnO取向性提高,杂质与缺陷的浓度降低。当H2O分压为1×10-1Pa结果最佳,继续增加H2O分压则效果不太明显。在SSCVD法中,ZnO膜有自组织生长的特性。当衬底温度为400℃,H2O分压为10-2Pa时,薄膜厚度达到5nm后开始出现自组织生长,有利于高质量ZnO膜的形成。由于SSCVD是低能沉积,沉积速率高,薄膜质量较好,可用于声光调相调幅器件。与溅射法相比,不需要部件的旋转就可获得均匀薄膜,简化了工艺,有望用于工业生产,但其超高真空的要求则使大腔体的应用不经济。

MOCVD法

       MOCVD法(金属有机物化学气相沉积)是一种异质生长薄膜的常见方法。用该法沉积ZnO薄膜,常用的Zn源是DMZ、DE和醋酸丙酮锌(Zn(C5H7O2)2), 反应气体多用O2,H2O+O2,D2O。用DMZ做锌源时反应比较剧烈,ZnO膜的生长较快,难于控制,且生成的膜中碳杂质较多,因此常采用DEZ。MOCVD系统的示意图如图3所示。用MOCVD生长ZnO薄膜时,对衬底温度的要求较高,约为300~650℃。

MOCVD法 

图3 MOCVD 设备示意图

      在MOCVD中,衬底对膜的生长状况有较大的影响。衬底温度与表面结构是影响ZnO薄膜结构的重要因素。随衬底温度的升高,取向性变好,但不同的衬底会使ZnO的c轴垂直或平行于衬底表面,甚至无法产生取向性。与SSCVD类似,水蒸气( 尤其是D2O)的加入有利于ZnO 薄膜取向生长和结晶的完善。

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