物理法制備ZnO薄膜的方法
濺射法(Sputtering)
濺射是帶電粒子轟擊靶材,使靶材粒子(團(tuán))被擊濺出來并淀積到襯底上成膜。如果靶材是Zn,沉積過程中Zn與氣氛中的O2發(fā)生反應(yīng)生成ZnO,屬于反應(yīng)濺射。若靶材是ZnO,沉積過程中無化學(xué)變化則為普通濺射法。濺射法要求較高的真空度,合適的濺射功率及襯底溫度。磁控濺射ZnO 薄膜,具有速率高、可有效抑制固相擴(kuò)散、薄膜與襯底之間的界面陡峭等優(yōu)點(diǎn)。決定ZnO薄膜微結(jié)構(gòu)的主要因素是襯底溫度和濺射粒子的能量分布。保護(hù)氣一般用超高純氬氣,反應(yīng)氣為氧氣。在反應(yīng)濺射中,可能會(huì)有部分Zn與O2沒有反應(yīng)完全,薄膜的特性不夠理想,不如用ZnO靶制備的薄膜質(zhì)量好。
脈沖激光沉積法(PLD)
PLD是在超高真空(本底氣壓10-8Pa)系統(tǒng)中,準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦照射靶面,使靶材瞬時(shí)升華、解離,產(chǎn)生高壓高溫等離子體(T≥104K),這種等離子體局域定向膨脹發(fā)射并冷卻沉積在襯底上成膜。PLD常用的激光器有波長(zhǎng)248nm的KrF和波長(zhǎng)193 nm的ArF準(zhǔn)分子激光器。襯底溫度和反應(yīng)氣氛是決定ZnO薄膜結(jié)晶好壞的重要因素。PLD系統(tǒng)示意圖示于圖1。PLD法制備的ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、光電性質(zhì)與襯底溫度、背景氣壓、激光能量密度、脈沖寬度和重復(fù)頻率等因素有關(guān)。PLD生長(zhǎng)參數(shù)獨(dú)立可調(diào),化學(xué)計(jì)量比可精確控制,薄膜平整度好,易于實(shí)現(xiàn)多層薄膜的生長(zhǎng),而且減少了不必要的玷污。
圖1 PLD系統(tǒng)示意圖
分子束外延法(MBE)
MBE是一種原子級(jí)可控的薄膜生長(zhǎng)方法MBE生長(zhǎng)ZnO需要超高真空條件,本底壓強(qiáng)大約為10-7Pa或以上,襯底一般為藍(lán)寶石。在電子回旋共振分子束外延(ECR-MBE)生長(zhǎng)中,采用100mW的微波功率,氧氣分壓為2×10-2Pa,襯底的溫度為275℃時(shí),可得到具有高度c軸取向的透明ZnO薄膜,薄膜與襯底之間存在外延關(guān)系。生長(zhǎng)ZnO單晶薄膜，MBE法是最好的,其工藝可靠性高。但是,MBE法的生長(zhǎng)速率很慢,設(shè)備昂貴,操作復(fù)雜,使許多器件的應(yīng)用難以滿足。
原子層外延生長(zhǎng)法(ALE)
ALE 是將參與反應(yīng)的蒸汽源(Zn源與氧化物氣體)依次導(dǎo)入生長(zhǎng)室,使其交替在襯底表面吸附并發(fā)生反應(yīng),淀積成膜。兩個(gè)反應(yīng)源在被引入生長(zhǎng)室后發(fā)生的反應(yīng)均發(fā)生在氣態(tài)反應(yīng)源和表面官能團(tuán)之間,每個(gè)反應(yīng)發(fā)生后產(chǎn)生一個(gè)新的官能團(tuán),揮發(fā)性分子則解吸被抽走。當(dāng)表面完全變成新的基團(tuán)后,這個(gè)反應(yīng)就自動(dòng)停止。這兩步反應(yīng)完成后就生長(zhǎng)出一層薄膜,一個(gè)循環(huán)結(jié)束。重復(fù)循環(huán)直到形成一定厚度的ZnO薄膜。
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