基于氣敏元件的ZnO薄膜的RF制備及表征

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晶速率、結晶質(zhì)量和電阻率的關系，為沉積符合氣敏元件的敏感薄膜提供研究參考。

關鍵詞：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穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，又因其原材料來源豐富、價格低廉和無毒等特點，被廣泛應用在表面波器件、太陽能電池和氣敏傳感器等諸多領域[1-3]。當前，大氣污染在全國各地的情況越來越嚴峻，人們對此事也越來越關注，從而更加快了半導體氣敏材料的研究進程。作為氣敏材料，是依靠吸附氣體前后電阻發(fā)生較大的變化來識別氣體的[4]。它對還原性和氧化性氣體都具有敏感性，可應用在探測、和液化石油氣來避免泄露，探測進行環(huán)境污染監(jiān)測，作為酒精探測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，因而被廣泛應用[5]。本文主要探討了在磁控濺射薄膜的過程當中，襯底溫度、氧氬比、退火處理和結晶速率、結晶質(zhì)量和電阻率的關系。

2 實驗方法

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、結晶狀況、表面形貌和電阻率分別用臺階儀、射線衍射儀、原子力顯微鏡和四探針測量儀進行測量。

3 結果與討論

3.1 薄膜的結晶速率分析

實驗對在不同濺射參數(shù)下沉積的薄膜進行厚度測量，歸納出了薄膜的結晶速率數(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，薄膜的結晶速率加強。這可能是因為氬分壓的增大使得氬離子的能量增大，從而被濺射出來的有效粒子的能量也相應增大，所以加快了薄膜的生長速度。由樣本2和樣本3的結果可知，襯底溫度的升高減慢了薄膜的結晶速度，這是因為較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環(huán)境，因此結晶速率下降。

3.2 薄膜的結晶質(zhì)量分析

圖1是常溫時，以和的條件沉積薄膜的圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，薄膜峰的相對強度因為氧氬比的增大而變低，峰的相對強度因為氧氬比的增大而變高。這多是因為氧氬比的增大削弱了一些氧的電離能力，使粒子在基底表面的活動能量較弱，難以在基底表面進行大范圍的分散和遷移，從而很難生長成晶粒致密的薄膜。同時氧分壓的降低有利于沉積過程中薄膜缺陷的形成，進而破壞了薄膜的結構。

圖2是常溫時，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大（即氧分壓過?。┎焕诮Y晶，從而降低了薄膜的結晶質(zhì)量，結論與上述的結果分析一致。

3.3 薄膜的電阻率分析

實驗中將表1中的幾個薄膜樣本進行了電阻率測試，并將其在不同溫度下退火30min，結果見表2。由樣本2和樣本3的結果發(fā)現(xiàn)，薄膜會因為濺射時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量不出來，而常溫下制備的樣品3未退火前的電阻率達到10-3數(shù)量級。這是因為襯底溫度的升高促進了薄膜對氧離子的吸附，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，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，變化相當明顯。這是由于在空氣氣氛中對薄膜進行熱處理，促進了薄膜表面對氧氣的大量吸附，從而增大了電阻率，這為在氣敏元件領域的應用奠定了良好的研究基礎。

注：表格中“——”代表電阻太大，超過儀器測量范圍。

4 結論

本文闡述了技術沉積薄膜時，各濺射參數(shù)和薄膜性能之間的關系。結果表明，薄膜的結晶速率因為襯底溫度的升高而變小，因為氧氬比的比例增大而變大。氧氬比過大使薄膜的結晶質(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。通過在空氣中對薄膜進行熱處理，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數(shù)量級。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：

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[5]宋學萍，周旭，孫兆奇.射頻磁控濺射ZnO薄膜的結構和應力特性[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2007，30（09）：1117-1120.

作者簡介：李超（1989-），女，天津人，碩士研究生，助教，研究方向：傳感器、計算機應用。