专利名称：一种在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法
技术领域：
本发明专利涉及半导体材料制备技术，特别是一种在玻璃基底上制备取向生长多
晶氧化锌薄膜的方法。
背景技术：
ZnO是一种新型的II-VI族半导体材料，与GaN具有相近的晶格常数和禁带宽度。 在常温下，它的稳定相是六方纤锌矿结构，禁带宽度为3. 37eV，激子束缚能为60meV，是一 种典型且性能优良的宽禁带半导体材料。ZnO晶格常数为a = 0. 32533nm，c = 0. 52073nm， Z = 2。其晶格结构为每个Zn原子与4个0原子相连，形成四面体结构。
ZnO薄膜是一种具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料。ZnO薄膜可以应 用在太阳能电池、表面声波器件、气敏元件、压敏器件、发光二极管，光电检测器和激光半导 体等领域。其中应用于声表面波器件的氧化锌薄膜应满足具有高度的c轴取向、组成均匀、 结晶性好、表面粗糙度小等条件。 实验室中制备ZnO薄膜的方法主要有射频溅射法、化学气相沉积法、脉冲激光沉 积等方法，而工业化生产薄膜的制备手段主要采用溅射法。目前获得c轴取向的ZnO薄膜 的方法主要是在特定的基底和适当的温度下生长。比如，T.0hnishi等人在Appl.Phys. Lett. 1998年72巻第824页中报导的采用脉冲激光沉积法在(a-A1203) (0001)基底上在加 热温度为55(TC的情况下制备出了 c轴取向生长的ZnO薄膜。D. H. Bao等人在Thin Solid Films 1998年312巻第38页上报导的采用溶胶凝胶法在适应基地上制备出的c轴取向生 长的ZnO薄膜。S. Choopun等人在Appl. Phys. Lett. 1999年75巻第3947页中报导采用脉 冲激光沉积法在(a-Al203) (0001)基底上在加热温度为75(TC的情况下制备出了 c轴取向 生长的ZnO薄膜。Y. Kashiwaba等人在Thin Solid Films 2002年411巻第87页上报导 的采用有机物金属化学气相沉积的方法在玻璃基底上在52(TC的情况下的情况下制备出了 c轴取向生长的Zn0薄膜。W. T. Lim等人在Thin Solid Films 1999年353巻第12页上报 导的采用反应溅射法在Ru/Si衬层上基地加热温度为35(TC的情况下制备了 c轴取向生长 的ZnO薄膜。综合来看，采用溅射法在不用基底加热的情况下在玻璃基底上制备出c轴取 向生长的ZnO薄膜仍然是技术难题。本专利通过实验探索，采用市售的超高真空磁控溅射 镀膜机首次在不用基底加热的情况下在玻璃基底上成功制备了 c轴取向生长的ZnO薄膜。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种利用磁控溅射法而在不用基底加热
的情况下在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法。 本发明的技术方案 —种在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法，采用磁控溅射镀膜法制 备，步骤如下 1)在磁控溅射镀膜机的靶头上安装一对ZnO陶瓷靶；
3
2)将基底材料表面杂质清除后，将基底安装基底架上，基片与靶的距离为10cm ; 基片在上方，耙在下方； 3)开启磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室 的背底真空度优于8X 10—6Pa ; 4)向真空室通入02和Ar的混合气体，使得真空室中的真空度为1Pa ;
5)开启溅射电源在Zn0陶瓷靶上进行预溅射； 6)打开基片的挡板，同时使基片架转动，每分钟2转；此时在基片上生长ZnO薄 膜； 7)溅射结束后，关闭基片的挡板、基片架转动系统，然后关闭溅射电源，停止通入 溅射气体Ar和02，继续抽真空，半小时后关闭真空系统，向真空室充入纯度为99. 999 %的 氮气，打开真空室，取出成品即可。所述ZnO陶瓷靶的纯度为99. 99%，耙材的厚度为5mm，直径为60mm。所述02和Ar混合气体中，02和Ar的纯度均为99. 999% ，其中02的流量为6sccm，
Ar的流量为lOOsccm。 所述开启溅射电源在ZnO陶瓷靶上进行预溅射的参数为电流0. 2A、电压1200V、
预溅射时间为20分钟。 本发明的优点是 1.制备工艺简单，不需要基底加热，不需要特殊的基底材料，在玻璃基底上就可以 实现，不仅从工业上更为容易实现，同时应用范围亦较广； 2.制备的c轴取向生长的多晶ZnO薄膜平均表面粗糙度低，仅为0. 419nm，且薄膜 的电阻率高； 3.本方法与常用制备c轴取向的ZnO薄膜的脉冲激光沉积法和有机物金属化学气 相沉积法相比，在工业化生产上具有明显成本和技术优势，在各种光、电、声学器件的制备 上具有广泛的应用价值。
图1为采用本发明制备的c轴取向生长的多晶ZnO薄膜的原子力图像。 图2为采用本发明制备的c轴取向生长的多晶ZnO薄膜的X射线衍射谱。 图3为采用本发明制备的c轴取向生长的多晶ZnO薄膜的紫外-可见光透射光谱。
具体实施方式
实施例 —种在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法，采用磁控溅射镀膜法制 备，磁控溅射设备为中科院沈阳科学仪器研制中心生产的超高真空三靶共沉积磁控溅射镀 膜机，步骤如下 1)在镀膜机的靶头上安装一对纯度为99. 99%的ZnO陶瓷靶，靶材的厚度为5mm， 直径为60mm ; 2)采用超声波对基底材料表面杂质清除后，将基底安装基底架上，基片与靶的距 离为10cm ;基片在上方，耙在下方；
3)开启磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的 背底真空度优于8X10—6Pa; 4)向真空室通入纯度为99. 999%的02和99. 999%的Ar的混合气体，使得真空室 中的真空度为1Pa，其中02的流量为6sccm， Ar的流量为100sccm ; 5)开启溅射电源，采用射频电源在ZnO陶瓷靶上施加0. 2A的电流和1200V的电 压，预溅射20分钟，等溅射电流和电压稳定； 6)打开基片的挡板，同时使基片架转动，每分钟2转，此时在基片上生长ZnO薄 膜； 7)溅射结束后，关闭基片的挡板、基片架转动系统，然后关闭溅射电源，停止通入 溅射气体Ar和02，继续抽真空。约半小时后关闭真空系统，向真空室充入纯度为99. 999% 的氮气，打开真空室，取出成品即可。 为确认本发明最佳的实施方案，我们对本发明制备的薄膜进行了原子力显微镜、X 射线衍射、紫外-可见光透射光谱的分析。图l为采用本发明制备的c轴取向生长的多晶 ZnO薄膜的原子力图像，其中标示是通过深浅程度表明表面粗糙度的纳米数，图像显示样 品的粗糙度很低，表面的起伏在5nm范围内，平均表面粗糙度约为0. 4nm。图2为采用本发 明制备的c轴取向生长的多晶ZnO薄膜的X射线衍射谱，检测结果显示X射线衍射谱中只 存在Zn0(002)和(004)衍射峰，说明样品为沿c轴取向生长的。图3为采用本发明制备的 c轴取向生长的多晶ZnO薄膜的紫外-可见光透射光谱，检测结果显示样品的透射率的最 大值约为90%。并且样品的电阻率很高，超出测量仪器的最大量程。综上所述，本发明专利 中的方法工艺简单，不需要基底加热，不需要特殊的基底材料，制备成本低；制备的c轴取 向生长的多晶ZnO薄膜平均表面粗糙度低，且薄膜的电阻率高，完全达到预期效果。
权利要求
一种在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法，采用磁控溅射镀膜法制备，其特征在于步骤如下1)在磁控溅射镀膜机的靶头上安装一对ZnO陶瓷靶；2)将基底材料表面杂质清除后，将基底安装基底架上，基片与靶的距离为10cm；基片在上方，靶在下方；3)开启磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于8×10-6Pa；4)向真空室通入O2和Ar的混合气体，使得真空室中的真空度为1Pa；5)开启溅射电源在ZnO陶瓷靶上进行预溅射；6)打开基片的挡板，同时使基片架转动，每分钟2转；此时在基片上生长ZnO薄膜；7)溅射结束后，关闭基片的挡板、基片架转动系统，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和O2，继续抽真空，半小时后关闭真空系统，向真空室充入纯度为99.999％的氮气，打开真空室，取出成品即可。
2. 根据权利要求1所述在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法，其特征在 于所述ZnO陶瓷靶的纯度为99. 99%，耙材的厚度为5mm，直径为60mm。
3. 根据权利要求1所述在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法，其特征在 于所述02和Ar混合气体中，02和Ar的纯度均为99. 999% ，其中02的流量为6sccm， Ar的 流量为lOOsccm。
4. 根据权利要求1所述在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法，其特征在 于所述开启溅射电源在ZnO陶瓷靶上进行预溅射的参数为电流0. 2A、电压1200V、预溅射 时间为20分钟。
全文摘要
一种在玻璃基底上制备取向生长多晶氧化锌薄膜的方法，步骤如下1)在磁控溅射镀膜机的靶头上安装一对ZnO陶瓷靶；2)将清洁基底安装基底架上；3)开启磁控溅射镀膜机；4)向真空室通入O2和Ar的混合气；5)在ZnO陶瓷靶上施加电流和电压进行预溅射；6)转动基片架，在基片上生长ZnO薄膜；7)溅射结束后继续抽真空半小时并充入氮气，取出成品即可。本发明的优点是制备工艺简单，不需要基底加热，不需要特殊的基底材料；ZnO薄膜平均表面粗糙度低且薄膜的电阻率高；与常用制备方法相比，在工业化生产上具有明显成本和技术优势，在各种光、电、声学器件的制备上具有广泛的应用价值。
文档编号C03C17/245GK101708959SQ200910229010
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者杨宝和, 王晓姹, 陈希明 申请人:天津理工大学