磁控溅射ZnO薄膜的成核机制及表面形貌演化动力学研究

利用原子力显微镜分析了ZnO薄膜在具有本征氧化层的Si(100)和Si(111)基片上的表面形貌随沉积时间的演化.通过对薄膜生长形貌的动力学标度表征,研究了射频反应磁控溅射条件下,ZnO薄膜的成核过程及生长动力学行为.研究发现,ZnO在基片表面的成核过程可分为初期成核阶段、低速率成核阶段和二次成核阶段.对于Si(100)基片,三个成核阶段的生长指数分别为β1=1·04,β2=0·25±0·01,β3=0·74;对于Si(111)基片,β1=0·51,β2=0·08±0·02,β3=0·63.在初期成核阶段,ZnO薄膜的成核密度可能与Si基片表面的本征缺陷有关,薄膜的生长过程除扩散效应影响以外,还可能存在着比较强的晶粒择优生长和晶格错配应力粗化机制.在低速率成核阶段,薄膜的生长行为主要受沉积速率所支配,而扩散效应的影响相对弱化,错配应力得以进一步释放.在二次成核阶段,载能粒子对基片表面的轰击是导致ZnO薄膜再次成核的重要原因,同时阴影效应也可能对薄膜的生长有一定的影响.在薄膜生长后期的稳定生长阶段,薄膜的表面粗糙度明显降低,具有典型的柱状晶生长特征.

磁控溅射ZnO薄膜生长的等离子体发射光谱研究

通过反应磁控溅射过程中的等离子体发射光谱,研究了制备ZnO薄膜的沉积温度、氧气流量比例R=O2(O2+Ar)对Zn和O原子发射光谱的影响,并结合ZnO薄膜的结构和物理性能,探讨了沉积温度在ZnO薄膜生长中的作用.研究结果显示:当R≥0.75%时,Zn的溅射产额随R的增加基本呈线性下降规律.当R介于10%—50%时,氧含量的变化相对平缓,有利于ZnO薄膜生长的稳定性控制.Zn原子发射光谱强度随沉积温度的变化可以分为三个阶段.当沉积温度低于250℃时,发射光谱强度基本保持不变;当沉积温度介于250—550℃时,光谱强度随沉积温度的增加呈线性增加的趋势;当沉积温度大于550℃以后,光谱强度随沉积温度的增加而迅速增加.通过沉积温度的控制可以实现满足或接近化学计量配比的ZnO薄膜的生长,适合高质量ZnO薄膜沉积的温度介于650—800℃,750℃下沉积的ZnO薄膜具有比较低的缺陷密度和明显的室温紫外光致荧光发射.

Si(001)基片上反应射频磁控溅射ZnO薄膜的两步生长方法

利用反应射频磁控溅射技术,采用两步生长方法制备了ZnO薄膜,探讨了基片刻蚀时间和低温过渡层沉积时间对ZnO薄膜生长行为的影响.研究结果表明,低温ZnO过渡层的沉积时间所导致的薄膜表面形貌的变化与过渡层在Si(001)表面的覆盖度有关.当低温过渡层尚未完全覆盖基片表面时,ZnO薄膜的表面岛尺度较小、表面粗糙度较大,薄膜应力较大;当低温过渡层完全覆盖Si(001)基片后,ZnO薄膜的表面岛尺度较大、表面粗糙度较小,薄膜应力较小.基片刻蚀时间对薄膜表面形貌的影响与低温过渡层的成核密度有关.随着刻蚀时间的增加,ZnO薄膜的表面粗糙度逐渐下降,表面形貌自仿射结构的关联长度逐渐减小.