化學法制備ZnO薄膜的方法

2008-12-23 鄭宏興天津工程師范大學電子工程系

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。

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。實驗中等離子體的產生是非常重要的,因為CO2在等離子體作用下使氧解離出來,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法的優點是生長速率較快,薄膜表面平整,有利于在SAW器件的應用;但缺點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量。

SSCVD法

SSCVD 法(固態源化學氣相沉積)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,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,隨H2O分壓的增大,ZnO取向性提高,雜質與缺陷的濃度降低。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膜有自組織生長的特性。當襯底溫度為400℃,H2O分壓為10-2Pa時,薄膜厚度達到5nm后開始出現自組織生長,有利于高質量ZnO膜的形成。由于SSCVD是低能沉積,沉積速率高,薄膜質量較好,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,簡化了工藝,有望用于工業生產,但其超高真空的要求則使大腔體的應用不經濟。

MOCVD法

MOCVD法(金屬有機物化學氣相沉積)是一種異質生長薄膜的常見方法。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做鋅源時反應比較劇烈,ZnO膜的生長較快,難于控制,且生成的膜中碳雜質較多,因此常采用DEZ。MOCVD系統的示意圖如圖3所示。用MOCVD生長ZnO薄膜時,對襯底溫度的要求較高,約為300~650℃。