（大连东软信息学院）
摘要：采用X射线衍射分析(XRD)测试分析了多晶ZnO薄膜的晶格结构和力学性能。薄膜的制备采用了射频(RF)磁控溅射方法,并分别在不同温度下进行了退火处理。XRD分析显示随着退火温度的上升,薄膜的晶粒尺寸逐步增大,且C轴取向显著增强。测试结果表明适当的退火处理对ZnO薄膜的结晶品质有明显的改善。
关键词：X衍射分析；RF磁控溅射；退火
1 引言
ZnO室温禁带宽度为3.37eV，发射波长相应于近紫外368nm，且激子束缚能高达60me V，比室温热离化能26meV大很多，非常适合用于制作短波长发光器件以及紫外探测器。ZnO和GaN具有相同的晶体结构、相近的晶格常数和禁带宽度，而且具有更高的熔点（1975℃），高热稳定性及化学稳定性等优点。ZnO单晶薄膜可以在低于500℃的生长温度下获得，比GaN等其他宽禁带半导体材料的制备温度低很多，因此可以大大减少高温制备所产生的缺陷。另外，ZnO原材料资源丰富、价格低廉，无毒无污染，是一种绿色环保型材料。ZnO在纳米领域也表现优异，拥有各式各样的纳米结构，如量子点、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米环以及量子阱等等。在低维体系中，ZnO纳米材料具有量子约束效应，特别是ZnO量子点，它是一种三维限制的体系，量子约束效应十分显著，因而具有更加优异的光电特性。因此，ZnO被人们认为是一种新一代的半导体光电材料，它可以作为GaN的替代材料应用于短波长光电器件领域，如发光二极管（LEDs）、激光器（LDs）、紫外探测器等，具有十分广阔的应用前景。
相对于GaN系列材料而言，ZnO系列材料的研究还处于起步阶段，要实现ZnO基光电器件，在许多方面需要展开深入的工作，如：如何制备完美的ZnO体单晶；如何优化生长工艺，提高薄膜的质量，得到ZnO单晶薄膜；如何有效实施掺杂，获得性能良好和稳定的p型ZnO；如何制备性能良好的低维纳米材料，包括ZnO纳米薄膜等等。
2 实验
（1）开启电源，打开真空控制，开启冷却水和空气压缩机。
（2）打开V2、V9进气阀，两腔室通入氮气。待气压平衡后，方可打开真空室，放入样品（佩戴手套进行操作）。
（3）再次检查真空室内无杂物之后，开始打开进样室的机械泵，打开进样室和主溅射室之间的连通阀，打开进样室旁抽V8。
（4）打开进样室的分子泵，抽到20Pa时，打开进样室的电磁阀，打开主溅射室的机械泵，打开分子泵的主电源，开启分子泵的旁抽V1，关闭机械泵预抽阀V8。
（5）打开气路的电源，进行预加热，分子泵抽10分钟后打开DL-7程控真空计，当真空度达到10-4Pa时进行通入氩气。（DL-7量程不能常开，看一下示数后立即关上）
（6）开启射频电源，调整C2至合适的功率参数。
（7）溅射完毕后，依照顺序关闭进样室的机械泵，关闭分子泵旁抽，按下分子泵停止键，分子泵频率为0时关闭电磁阀，关闭机械泵，待温度降低后通入氮气，取出样品。
实验溅射功率120W，衬底温度120°C，将沉积好的ZnO薄膜切割成小片，退火炉中通氧气，将样品放入退火炉中，然后让样品随炉分别升温至600℃、800℃和1000℃，保持该温度30分钟后，自然冷却炉温到室温，然后取出样品。
3 结果与讨论
图1是ZnO薄膜分别在600℃、800℃、1000℃下退火后的XRD图谱。可以看到，所有样品的XRD图谱中均只出现一个衍射峰，对应于ZnO的（002）晶面，溅射态的ZnO薄膜的（002）衍射峰强度较弱，随着退火温度的升高，该衍射峰的强度显著增强。
图1 不同退火温度下ZnO薄膜的XRD图谱
原位生长的ZnO薄膜存在较大的张应力，在低温下退火时，随着退火温度的升高，张应力逐渐减小，直至一个温度下，薄膜沿c轴的张应力减小到零，即沿c轴不受应力，然后随着退火温度的继续升高，应力变成压应力，并且压应力随着退火温度的升高逐渐增大。ZnO薄膜退火过程中沿c轴应力变化的主要原因可能是由晶体内缺陷的变化引起的，而间隙或空位原子起到决定性的作用。我们认为原位生长的ZnO薄膜存在大量的间隙原子，使得晶格原子远离平衡位置，晶面间距较大，从而产生沿c轴的张应力。在退火情况下，原子具有较高的能量，间隙原子在晶体内部复合、扩散或迁移使得间隙为主的点缺陷减少；同时由于氧在较高能量下发生解吸，容易产生较多的氧空位，这样晶体内的空位缺陷的存在，使得晶面间距减小，从而使应力方向发生改变，即c轴受到压缩作用，产生了沿c轴的压应力。
4.结语
本文采用了XRD衍射分析对不同退火温度下的RF磁控溅射ZnO薄膜的微结构进行了测试分析研究。随着退火温度的增加,薄膜的晶粒尺寸逐步增大,c轴取向显著增强,结晶品质提高。因此,适当的退火处理对薄膜结晶品质和力学性能有明显的改善。
参考文献
[1]H．Wong，I．Hiroshi．On the scaling issues and high-k replacement of ultra-thin gate dielectrics for nanoscale MOS transistors [J]，Microelectron Eng，2006，83（10）：1867-1904
[2]Mueller．S，Mueller．J，Singh．A，et al．Incipient Ferroelectricity in AL-Doped HfO2 Thin Films [J]，Advanced Functional Materials，2012，22（11）：2412-2417
[3]Khomenkova．L，Dufour．C，Coulon．PE，et al．High-k Hf-based layers grown by RF magnetron sputtering[J]，Nanotechnology，2010，21（9）：1021-1024.
论文作者:李恩成
论文发表刊物:《知识-力量》2019年6月中
论文发表时间:2019/3/14
标签：薄膜论文; 应力论文; 温度论文; 晶格论文; 磁控溅射论文; 量子论文; 纳米论文; 《知识-力量》2019年6月中论文;