溅射功率对掺镁氧化锌薄膜结构及厚度的影响

成桢

(西安文理学院应用物理研究所，西安710065)

溅射功率对掺镁氧化锌薄膜结构及厚度的影响

成桢

(西安文理学院应用物理研究所，西安710065)

采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备掺镁氧化锌薄膜，利用SEM(扫描电镜)、XRD(X射线衍射)和椭偏仪等设备研究薄膜的表面形貌、成分、结构和厚度.结果表明，溅射功率没有对薄膜的生长方向产生较大影响，当溅射功率在40W到100 W之间变化时，随着溅射功率的增大薄膜的结晶状况变好，晶粒尺寸变大，薄膜的厚度增加.

掺镁氧化锌薄膜;磁控溅射;溅射功率;薄膜形貌;薄膜厚度

1 实验部分

采用JGP450型超高真空磁控溅射设备，使用射频磁控溅射方法在玻璃基底上制备掺镁氧化锌薄膜，对不同溅射功率下的薄膜运用扫描电子显微(SEM)、X射线衍射(XRD)和椭偏仪等分别进行了薄膜的形貌、结构和厚度表征.

实验所使用基底为普通玻璃，玻璃基底在溅射前经过丙酮，无水乙醇和去离子水超声清洗;靶材为ZnO和Mg的摩尔百分数分别为75%和25%的掺镁氧化锌陶瓷靶材，靶材纯度达到99.99%;靶基距设为70 mm，通过改变溅射功率，使用射频磁控溅射的方法在普通玻璃基底上制备了掺镁氧化锌薄膜.其他工艺参数如下:基底温度为300℃，本底真空为2×10－4Pa，氧气和氩气的气体流量控制为2∶1，溅射时间为4 h，溅射气压为3 Pa.

2 结果与讨论

2.1 掺镁氧化锌薄膜的SEM(扫描电镜)表面形貌分析图1所示为相同放大倍数下的薄膜SEM图谱.

图1 不同溅射功率下掺镁氧化锌薄膜的SEM图谱(a)40W (b)60W (c)80W (d)100W

从图1中可以看出，玻璃表面均有颗粒状薄膜生长，但不同溅射功率下薄膜的表面形貌有所不同，随着溅射功率的增加，薄膜颗粒变大，表面也越来越疏松粗糙.

2.2 掺镁氧化锌薄膜的SEM(扫描电镜)成份分析

通过对不同溅射功率下掺镁氧化锌薄膜的EDS能谱进行比较分析可以得出下表:

表1 不同溅射功率下掺镁氧化锌薄膜中的Mg含量

由表1可得，在其他条件不变的情况下，薄膜中Mg的含量随着溅射功率的增加在不断地增大，由于靶材中Mg和Zn的含量保持不变，Mg含量的增加必然引起其他成份含量的减小，说明溅射功率对薄膜成份具有一定的影响.

2.3 掺镁氧化锌薄膜的XRD(X射线衍射)分析

XRD是X射线对材料进行衍射分析，获得成分、内部原子或分子结构等信息的重要研究手段［10］.图2所示为不同溅射功率下掺镁氧化锌薄膜的X射线衍射图谱.

图2 不同溅射功率下掺镁氧化锌薄膜的X射线衍射图谱(a)40 W (b)60 W (c)80W (d)100 W

由图2可知不同溅射功率下的掺镁氧化锌薄膜在31.8°、36.0°和56.2°的位置上均出现了衍射峰，对应的生长方向为(100)、(101)和(110)，说明该薄膜并没有呈现C轴择优生长.对XRD中(100)面的数据进行拟合处理，并利用谢乐公式对实验数据进行分析计算，得出了表2.

表2 掺镁氧化锌薄膜晶粒尺寸

由表2可知，改变溅射功率虽然不会对薄膜的生长方向产生影响，但当功率从40W增大到100W时，薄膜在该方向上的生长强度逐渐增强，并且薄膜的晶粒尺寸也在变大.

2.4 掺镁氧化锌薄膜的厚度分析

椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量仪器.由椭偏仪测得薄膜平均厚度如表3所示.测试结果表明，随着溅射功率的增大，薄膜的厚度显著增加.

表3 不同溅射功率下掺镁ZnO薄膜的平均厚度

3 结论

采用射频磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了不同溅射功率下的掺镁氧化锌薄膜，利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)及椭偏仪等设备对掺镁氧化锌薄膜进行了形貌、成分和结构进行了研究，得出以下结论:1)采用射频磁控溅射的方法，在玻璃衬底上可以制备致密、平整的掺镁氧化锌薄膜. 2)薄膜中Mg的含量随溅射功率的增加而增大，但薄膜中Mg的含量仍不能与靶材中Mg的含量一致. 3)改变溅射功率对薄膜的生长方向不会产生较大影响，薄膜沿(100)、(101)和(110)面生长.4)随着溅射功率的增加，薄膜的结晶状况改善，晶粒尺寸增大.5)薄膜的厚度随溅射功率的增加而增加，可达到300 nm以上.

［1］ 徐毓龙.氧化物与化合物半导体基础［M］.西安:西安电子科技大学出版，1991:18－20.

［2］ 赖发春.反应磁控溅射制备氧化物光学薄膜和光学性质的研究［D］.中国科技大学博士学位论文，2005.

［3］ 郭瑞.ZnMgO薄膜与ZnMgO/ZnO异质结的制备及其性能研究［D］.北京化工大学，2010.

［4］ 张锡键.MgZnO薄膜的制备及特性研究［D］.山东大学，2006.

［5］ 张德恒，王卿璞，薛忠营.不同衬底上的ZnO薄膜紫外光致发光［J］.物理学报，2003，52(6):1484－1487.

［6］ 魏伟.ZnO薄膜在不同衬底上的生长及其应用［D］.河北工业大学，2009.

［7］ 赵懿琨.新型宽禁带半导体MgxZnl－xO薄膜光学性质的研究［D］.山东大学，2006.

［8］ 朋兴平，王志光，宋银，等.射频反应溅射制备的ZnO薄膜结构和发光特性［J］.中国科学辑，2007，37(2):218－222.

［9］ 程守洙，江之永.薄膜物理学［M］.北京:高等教育出版社，1982:263－266.

［10］王晓春，张希艳.材料现代分析与测试技术［M］.北京:国防工业出版社，2009:82.

［11］杨邦朝，王文生.薄膜物理与技术［M］.成都:电子科技大学出版社，1994.

［12］王云飞，陈学康，郑阔海，等.射频反应溅射制备的ZnO－xO薄膜光学性质［J］.真空科学与技术学报，2009，29(2): 51.

［责任编辑 王新奇］

The Effect of Sputtering Power on the Structure and Thickness of M g-doping ZnO Thin-Film

CHENG Zhen

(Research Institute of Applied Physics，Xi'an University，Xi'an 710065，China)

Mg－doping ZnO thin－film is prepared on the substrate of glass by RFmagnetron sputtering.The shape，components，structure and thickness of the thin－film is studied by means of SEM，XRD and ellipsometer.The result shows that the sputtering power has little effect on the growth of thin－film.When the sputtering power varies between 40W and 100W，the crystallization of thin－film improveswith the increase of sputtering power，the crystal grain largens and the film thickness increases.

Mg－doping ZnO thin－film;magnetron sputtering;sputtering power;thin－film shape;thin－film thickness

1008－5564(2015)01－0060－03

TN304

A

氧化锌是一种新型的Ⅱ－Ⅵ族宽带隙半导体材料，在室温下的带隙宽度约为3.3 eV，呈六角纤锌矿结构.氧化锌具有良好的化学稳定性，且材料丰富、价格低廉;在可见光波长范围内的透射率可达90%以上;特别是进行Mg掺杂可以使氧化锌薄膜的禁带宽度在3.3 eV到7.9 eV范围内可调，从而使其对紫外光的探测范围可以扩大到200 nm到280 nm.现已被广泛用于各类光电探测器件，成为最有潜力的光电器件新材料.［1－8］

氧化锌薄膜有多种制备方法，如脉冲激光沉积法(PLD)、化学气相沉积法(CVD)、磁控溅射法、分子束外延法(MBE)、溶胶凝胶法等，本文讨论的薄膜是采用射频磁控溅射法制备的，该方法具有溅射速度快，薄膜均匀等特点.［9－12］

2014－10－18

西安市科技计划创新基金项目(CXY1352WL31)

成 桢(1978—)，女，陕西西安人，西安文理学院应用物理研究所讲师，硕士，主要从事光学薄膜研究.