化學(xué)法制備ZnO薄膜的方法

2008-12-23 鄭宏興 天津工程師范大學(xué)電子工程系

PECVD法

      PECVD裝置是在普通CVD反應腔中增加了一對等離子體離化電極板,如圖2所示。

PECVD裝置圖 

圖2 PECVD裝置示意圖

      PECVD一般用有機鋅與穩定的含氧氣體(如NO2,CO2或N2O等)反應沉積。有機鋅多采用二甲基鋅(DMZ)或二乙基鋅(DEZ)。用DEZ與CO2反應的較多,這是因為這兩種化合物反應比較穩定。實(shí)驗中等離子體的產(chǎn)生是非常重要的,因為CO2在等離子體作用下使氧解離出來(lái),與DEZ反應生成ZnO沉積到襯底上。影響薄膜的主要因素是襯底溫度、反應氣壓和等離子體電離電壓。襯底溫度一般在200~400℃之間,反應壓強約為102Pa,電離電壓約為1.8~4.5kV。PECVD法的優(yōu)點(diǎn)是生長(cháng)速率較快,薄膜表面平整,有利于在SAW器件的應用;但缺點(diǎn)是薄膜的缺陷密度較高,一般需要后續的熱處理以提高薄膜的質(zhì)量。

SSCVD法

       SSCVD 法(固態(tài)源化學(xué)氣相沉積)是近幾年出現的制備ZnO薄膜的方法,它是一種真空度高(本底壓強達10-6Pa)、能量較低的沉積過(guò)程。使用的單一反應源多為堿性醋酸鋅(BZA)。BZA在溫度可調的Knudsen腔中升華。升華后的壓強一般為10-3Pa 或更低。SSCVD法沉積ZnO薄膜很重要的一點(diǎn)就是要使沉積腔內存在適量的水蒸氣。水蒸氣的存在有利于ZnO膜的c軸取向生長(cháng),這可能是基于水蒸氣提供了氧,填充了ZnO中的氧空位(VO)。Knudsen腔與襯底的溫度分別穩定在200℃和450℃時(shí),隨H2O分壓的增大,ZnO取向性提高,雜質(zhì)與缺陷的濃度降低。當H2O分壓為1×10-1Pa結果最佳,繼續增加H2O分壓則效果不太明顯。在SSCVD法中,ZnO膜有自組織生長(cháng)的特性。當襯底溫度為400℃,H2O分壓為10-2Pa時(shí),薄膜厚度達到5nm后開(kāi)始出現自組織生長(cháng),有利于高質(zhì)量ZnO膜的形成。由于SSCVD是低能沉積,沉積速率高,薄膜質(zhì)量較好,可用于聲光調相調幅器件。與濺射法相比,不需要部件的旋轉就可獲得均勻薄膜,簡(jiǎn)化了工藝,有望用于工業(yè)生產(chǎn),但其超高真空的要求則使大腔體的應用不經(jīng)濟。

MOCVD法

       MOCVD法(金屬有機物化學(xué)氣相沉積)是一種異質(zhì)生長(cháng)薄膜的常見(jiàn)方法。用該法沉積ZnO薄膜,常用的Zn源是DMZ、DE和醋酸丙酮鋅(Zn(C5H7O2)2), 反應氣體多用O2,H2O+O2,D2O。用DMZ做鋅源時(shí)反應比較劇烈,ZnO膜的生長(cháng)較快,難于控制,且生成的膜中碳雜質(zhì)較多,因此常采用DEZ。MOCVD系統的示意圖如圖3所示。用MOCVD生長(cháng)ZnO薄膜時(shí),對襯底溫度的要求較高,約為300~650℃。

MOCVD法 

圖3 MOCVD 設備示意圖

      在MOCVD中,襯底對膜的生長(cháng)狀況有較大的影響。襯底溫度與表面結構是影響ZnO薄膜結構的重要因素。隨襯底溫度的升高,取向性變好,但不同的襯底會(huì )使ZnO的c軸垂直或平行于襯底表面,甚至無(wú)法產(chǎn)生取向性。與SSCVD類(lèi)似,水蒸氣( 尤其是D2O)的加入有利于ZnO 薄膜取向生長(cháng)和結晶的完善。