溅射法制备ZnO薄膜及其表面统计特性

【摘要】：氧化锌(ZnO)是一种宽带隙(室温下3.3eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,激子结合能为60meV,具有六方纤锌矿结构。晶格常数a=0.3249nm,c=0.5206nm。ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。本文实验所采用的磁控溅射法,在最佳条件下可以得到均匀、致密、有良好的c轴取向性和可见光波段透明性好等优点的薄膜,使得它成为在ZnO制备中研究最多并且最广泛使用的方法。最近,由于在光电领域的潜在应用,ZnO薄膜及其形貌特征得到了广泛的关注。表面形貌是薄膜力学和光学特征主要特征之一,比如：薄膜的磁场强度会随着接触表面粗糙度的改变而改变,金属薄膜的电导依赖于其表面粗糙度。但是,随机表面形貌的高度分布是以位置坐标为变量的随机过程,难以用严格的数学表达式来表示,所以一般采用统计函数或高度自相关函数等统计参量来描述薄膜随机表面。本文采用射频磁控溅射的方法,分别在石英玻璃和硅衬底上溅射ZnO薄膜,溅射气压分别为0.5Pa和0.7Pa。实验本底真空为4.5×10-4Pa,溅射功率120W,氧气和氩气流量分别为4 SCCM和16 SCCM,溅射时间2小时,采用原子力显微镜观察其表面形貌。本文着重分析研究了薄膜生长条件(不同衬底、不同溅射气压)对ZnO薄膜表面形貌的影响,并作了相应的比较。采用高斯相关表面的方法研究ZnO薄膜的形貌特征,引用高斯模型中方均根粗糙度ω和横向相关长度ξ等参量来描述薄膜随机表面的相关特征。用数值计算的方法得到样品表面的高度自相关函数和方均根粗糙度,并用高斯函数对高度自相关函数进行拟合,得到样品表面的横向相关长度等统计特征量来定量描述ZnO薄膜的统计特性。