摘 要：本文用磁控濺射的方法在片上沉積薄膜，探討了襯底溫度、氧氬比和退火處理和薄膜的結(jié)晶速率、結(jié)晶質(zhì)量和電阻率的關(guān)系，為沉積符合氣敏元件的敏感薄膜提供研究參考。

關(guān)鍵詞：薄膜；磁控濺射；氣敏元件；電阻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.041

1 引言

作為新型寬帶半導(dǎo)體材料，具有很好的光電、壓電、氣敏、壓敏特性以及很高的化學(xué)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，又因其原材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉和無(wú)毒等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在表面波器件、太陽(yáng)能電池和氣敏傳感器等諸多領(lǐng)域[1-3]。當(dāng)前，大氣污染在全國(guó)各地的情況越來(lái)越嚴(yán)峻，人們對(duì)此事也越來(lái)越關(guān)注，從而更加快了半導(dǎo)體氣敏材料的研究進(jìn)程。作為氣敏材料，是依靠吸附氣體前后電阻發(fā)生較大的變化來(lái)識(shí)別氣體的[4]。它對(duì)還原性和氧化性氣體都具有敏感性，可應(yīng)用在探測(cè)、和液化石油氣來(lái)避免泄露，探測(cè)進(jìn)行環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，作為酒精探測(cè)器控制酒后駕駛等方面。

制備薄膜的方法有很多，如磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠法、電子束蒸發(fā)等，但因磁控濺射方法具有沉積速率高、成膜均勻致密、便于大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用[5]。本文主要探討了在磁控濺射薄膜的過(guò)程當(dāng)中，襯底溫度、氧氬比、退火處理和結(jié)晶速率、結(jié)晶質(zhì)量和電阻率的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)方法

利用濺射儀器和的靶材在片上沉積薄膜。選擇在不同的制備參數(shù)下進(jìn)行，具體為襯底溫度為常溫和，和，和的空氣中退火。薄膜的厚度、結(jié)晶狀況、表面形貌和電阻率分別用臺(tái)階儀、射線衍射儀、原子力顯微鏡和四探針測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 薄膜的結(jié)晶速率分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)在不同濺射參數(shù)下沉積的薄膜進(jìn)行厚度測(cè)量，歸納出了薄膜的結(jié)晶速率數(shù)據(jù)，具體見表1。由樣本1和樣本3的數(shù)據(jù)可知，隨著氧氬比的比例增大，薄膜的結(jié)晶速率加強(qiáng)。這可能是因?yàn)闅宸謮旱脑龃笫沟脷咫x子的能量增大，從而被濺射出來(lái)的有效粒子的能量也相應(yīng)增大，所以加快了薄膜的生長(zhǎng)速度。由樣本2和樣本3的結(jié)果可知，襯底溫度的升高減慢了薄膜的結(jié)晶速度，這是因?yàn)檩^高的襯底溫度增大了氧離子的能量，從而破壞了薄膜的生長(zhǎng)環(huán)境，因此結(jié)晶速率下降。

3.2 薄膜的結(jié)晶質(zhì)量分析

圖1是常溫時(shí)，以和的條件沉積薄膜的圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，薄膜峰的相對(duì)強(qiáng)度因?yàn)檠鯕灞鹊脑龃蠖兊?，峰的相?duì)強(qiáng)度因?yàn)檠鯕灞鹊脑龃蠖兏?。這多是因?yàn)檠鯕灞鹊脑龃笙魅趿艘恍┭醯碾婋x能力，使粒子在基底表面的活動(dòng)能量較弱，難以在基底表面進(jìn)行大范圍的分散和遷移，從而很難生長(zhǎng)成晶粒致密的薄膜。同時(shí)氧分壓的降低有利于沉積過(guò)程中薄膜缺陷的形成，進(jìn)而破壞了薄膜的結(jié)構(gòu)。

圖2是常溫時(shí)，以ψ（Ar ： O2）=24：6和24：3的條件沉積薄膜的圖。它們的分別是6.50nm和7.85nm，這可能是由于氧氬比過(guò)大（即氧分壓過(guò)?。┎焕诮Y(jié)晶，從而降低了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，結(jié)論與上述的結(jié)果分析一致。

3.3 薄膜的電阻率分析

實(shí)驗(yàn)中將表1中的幾個(gè)薄膜樣本進(jìn)行了電阻率測(cè)試，并將其在不同溫度下退火30min，結(jié)果見表2。由樣本2和樣本3的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，薄膜會(huì)因?yàn)闉R射時(shí)襯底溫度低而得到較小的電阻率，如300℃下制備的樣品2在未退火前的電阻率太大以至于測(cè)量不出來(lái)，而常溫下制備的樣品3未退火前的電阻率達(dá)到10-3數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)橐r底溫度的升高促進(jìn)了薄膜對(duì)氧離子的吸附，從而增大了薄膜的電阻率。

再由樣本1和樣本3的數(shù)據(jù)可知，薄膜的電阻率隨著氧氬比的增大而降低。在時(shí)，磁控濺射法形成的薄膜，其電阻率能低至6.58*10-3Ω.cm，并且在的空氣中退火分鐘后，其電阻率為68.60Ω.cm，變化相當(dāng)明顯。這是由于在空氣氣氛中對(duì)薄膜進(jìn)行熱處理，促進(jìn)了薄膜表面對(duì)氧氣的大量吸附，從而增大了電阻率，這為在氣敏元件領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的研究基礎(chǔ)。

注：表格中“——”代表電阻太大，超過(guò)儀器測(cè)量范圍。

4 結(jié)論

本文闡述了技術(shù)沉積薄膜時(shí)，各濺射參數(shù)和薄膜性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，薄膜的結(jié)晶速率因?yàn)橐r底溫度的升高而變小，因?yàn)檠鯕灞鹊谋壤龃蠖兇?。氧氬比過(guò)大使薄膜的結(jié)晶質(zhì)量降低，但在氧氬比為條件下制備的薄膜，其電阻率更符合氣敏材料的要求。通過(guò)在空氣中對(duì)薄膜進(jìn)行熱處理，可增加薄膜的氧空位，改善薄膜的擇優(yōu)取向性和表面平整度，并將電阻率增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種退火處理的方法不僅降低了薄膜的制備成本，還將其電阻率改善到更適宜作氣體傳感器的敏感物質(zhì)行列中。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉志文，付偉佳，劉明等.磁控濺射ZnO薄膜的退火熱力學(xué)行為研究[J].電子顯微學(xué)報(bào)，2007，26（06）：541-547.

[2]Yu J，Huang B，Qin X，et al.Hydrothermal synthesis and characterization of ZnO films with different nanostructures[J].Applied Surface Science，2011，257（13）：5563-5565.

[3]Ameen S，Akhtar M S，Kim Y S，et al.An effective nanocomposite of polyaniline and ZnO： preparation，characterizations，and its photocatalytic activity[J].Colloid & Polymer Science，2011，289（04）：415-421.

[4]王曉冬.MEMS低功耗氧化鋅氣體傳感器的設(shè)計(jì)[J].電子制作， 2014（13）：1-2.

[5]宋學(xué)萍，周旭，孫兆奇.射頻磁控濺射ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力特性[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，30（09）：1117-1120.

作者簡(jiǎn)介：李超（1989-），女，天津人，碩士研究生，助教，研究方向：傳感器、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。