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磁控溅射法制备ZnO薄膜
及其特性研究
作者:万仁刚
院系:物理02级四班
引言
1842年格洛夫(Grove)在实验室中发现了阴极溅射现象。迄后70年中,由于实验条件的限制,对溅射机理的认同长期处于模糊不清状态。1970年后出现了磁控溅射技术。最近15年来,进一步发展了一系列新的溅射技术,使得磁控溅射技术从实验室应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域。
ZnO是一种半导体发光材料,由于它的禁带宽度较大(),决定了它的发光特性:发光的峰值波长和光谱能量分布都在紫外区。在紫外激光器和发光二极管,短波光通讯,光记录等方面有着重要的应用前景,成为近年来材料学和光学中很热门的研究方向。
真空溅射原理及方法
原理:
真空镀膜是借助高能粒子轰击所产生的动量交换,把镀膜材料的原子从固体(靶)表面撞出并放射出来。放在靶前面的基材拦截溅射出来的原子流,后者凝聚并形成镀层。
阴极发射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与溅射气体原子发生碰撞,电离出大量的正离子和电子, 电子飞向基片, 正离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。
方法:
①直流溅射:溅射沉积各类金属
薄膜
②射频溅射:溅射沉积非金属材
料(导电性差)
③磁控溅射:提高沉积速率
④反应溅射:在溅射过程中实现物
质之间的化学反应制备所需要
的物质薄膜。

本实验采用射频磁控溅射法在石英衬
底上沉积ZnO(靶材)薄膜。
射频溅射沉积装置示意图
磁控溅射原理
磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径,改变电子的运动方向,提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。
电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用,被束缚在靠近靶面的等离子体区域内。
F=-q(E+v×B)
电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速,同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹,提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率,因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。
磁控溅射靶表面的磁场和电子运动的轨迹
实验
用射频磁控溅射法在加热温度为240℃的石英衬底上制备ZnO薄膜,并于800℃进行退火处理。通过对光致发光光谱和X射线衍射谱的分析,研究ZnO薄膜发光特性和退火前后的结构特点。
实验仪器: JGP450型多靶磁控溅射仪
实验参数:
基底温度: 240℃
基底压强: ×10-4Pa
工作压强(氮气):
氮气流量: 34
励磁电源: 30V×26A
溅射时间: 1h
退火温度: 800℃
X射线波长:
JGP450型多靶磁控溅射仪(控制箱)
真空溅射室及氮气等离子体辉光放电图
磁控溅射装置示意图