Тонкие пленки оксида цинка (ZnO) представляют интерес в качестве чувствительных элементов газовых сенсоров, широкозонных полупроводниковых «окон» в пленочных фронтально-барьерных фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии, а также как пьезоэлектрические слои устройств сенсорики и микроэлектромеханики [1, 4, 5, 6]. Известно, что метод реактивного магнетронного распыления позволяет получать пленки металлов (Ti, Ni, V, Al и др.) и оксидов металлов (ZnO) требуемого состава, а также дает возможность тонкого регулирования их свойств [4]. В случае пленок оксида цинка при таком распылении используются мишени ZnO или Zn в атмосфере кислорода [4, 5, 6]. При этом свойства получаемых пленок зависят от размера распыленных частиц, которые, в свою очередь, определяются режимами магнетронного распыления [6].
Целью данной работы является исследование влияния режимов получения пленок оксида цинка методом реактивного магнетронного распыления на их свойства.
Экспериментальная часть
Нанокристаллические пленки ZnO наносили на подложки из ситалла и кремния (КЭФ-4,5 ориентации (001)) методом высокочастотного реактивного магнетронного распыления на установке BOC Edwards Auto 500. Использовали мишень Zn 99,999 % чистоты (Kurt J. Lesker Company). Распыление проводили в атмосфере смеси кислорода и аргона. Содержание кислорода в газовой смеси составляло 20, 50 и 80 %; мощность магнетронного разряда – 100, 125 и 150 Вт; рабочее давление в процессе распыления – 0,2; 0,5 и 0,8 Па; предварительный нагрев не использовали [2]. Толщину полученных пленок поддерживали на уровне 60 ± 4 нм.
Исследования морфологии поверхности и контроль толщины пленок проводили с помощью Зондовой Нанолаборатории NTEGRA Vita, растрового электронного микроскопа c ионной колонной Nova Nanolab 600, in-situ кварцевого измерителя толщин FTM-7 [3]. Значение показателя преломления определяли методом эллипсометрии на установке ЛЭФ-3М, при длине волны падающего излучения 632,8 нм. Статистическую обработку полученных АСМ-изображений производили с использованием программного пакета Image Analysis 3.5.
Исследования влияний процентного содержания кислорода в газовой смеси (CO), рабочего давления в камере (p) и мощности магнетронного разряда (P) на морфологию, высоту неровностей по десяти точкам (Rz), среднеквадратическое значение шероховатости (Rq) поверхности и показатель преломления (n) пленок ZnO проводили при постоянных мощности магнетронного разряда 100 Вт и давлении в камере 0,5 Па, мощности магнетронного разряда 100 Вт и содержании кислорода в газовой смеси 80 %, давлении в камере 0,5 Па и содержании кислорода в газовой смеси 80 % соответственно.
Результаты исследования
и их обсуждение
С целью установления влияния режимов получения пленок на их морфологию и оптические свойства изготовлена серия образцов. Выявлено, что с ростом процентного содержания кислорода в газовой смеси, рабочего давления в камере и уменьшением мощности используемого магнетронного разряда увеличивается размер кристаллов с уменьшением шероховатости поверхности пленок (рисунок, таблица).
|
а |
б |
|
в |
г |
|
д |
е |
|
ж |
з |
|
и |
АСМ-изображения морфологии поверхности экспериментальных образцов, отражающие зависимость от |
Влияние режимов распыления на шероховатость поверхности и показатель преломления полученных пленок оксида цинка
|
Параметр |
CO, % 100 Вт, 0,5 Па |
p, Па 100 Вт, 80 % |
P, Вт 0,5 Па, 80 % |
||||||
|
20 |
50 |
80 |
0,2 |
0,4 |
0,8 |
100 |
125 |
150 |
|
|
Rz, нм |
13,36 ± 1,22 |
13,81 ± 1,3 |
8,43 ± 0,64 |
11,52 ± 1,06 |
8,43 ± 0,64 |
6,78 ± 0,65 |
8,43 ± 0,64 |
7,22 ± 0,78 |
13,34 ± 1,15 |
|
Rq, нм |
4,07 ± 0,27 |
5,13 ± 0,56 |
3,11 ± 0,25 |
3,29 ± 0,18 |
3,11 ± 0,25 |
2,37 ± 0,24 |
3,11 ± 0,25 |
2,49 ± 0,24 |
4,14 ± 0,21 |
|
n, - |
2,224 ± 0,014 |
2,161 ± 0,012 |
2,176 ± 0,014 |
2,240 ± 0,014 |
2,176 ± 0,014 |
2,154 ± 0,013 |
2,176 ± 0,014 |
2,117 ± 0,012 |
2,210 ± 0,016 |
Наблюдаемое изменение морфологии пленок отражает переход от мелкодисперсной фазы, полученной при дефиците кислорода (рисунок, а, г) к более стехиометрически правильной нанокристаллической (рисунок, в, е). Соответствующее уменьшение показателя преломления подтверждает обозначенный процесс (таблица). Анализ данных таблицы показал, что на зависимостях шероховатости и показателя преломления от мощности имеется минимум при 100 Вт для выбранного значения рабочего давления. Такое соотношение энергии и давления газа определяют оптимальный размер распыленных частиц. Дальнейшее увеличение мощности приводит к нарушению равновесия в молекулярном переносе материала. При этом значительно сокращается доля кристаллов с размером 140÷160 нм и аморфизируется приповерхностный слой пленок (рис. 1, и).
Необходимо отметить, что для всего диапазона экспериментальных режимов значение показателя преломления полученных пленок находится в пределах 2,11–2,25 и соответствует известному значению для оксида цинка n = 2,01 (для длины волны 612 нм) [1]. Однородность свойств полученных пленок по площади и образцам подтверждается малым значением доверительного интервала 0,011–0,015 величины n.
Заключение
Используемый способ реактивного высокочастотного магнетронного распыления позволяет получать однородные пленки оксида цинка с заданными свойствами. Показано, что геометрические и оптические свойства таких пленок определяются режимами получения (процентное содержание кислорода в газовой смеси, рабочее давление и мощность магнетронного разряда), при этом ключевым параметром является размер распыленных частиц. Установлены следующие диапазоны изменения свойств: 15,11–6,13 нм для Rz, 5,69–2,13 нм для Rq и 2,25–2,11 для n.
Результаты исследования могут быть использованы при разработке технологии создания чувствительных элементов сенсорики и микроэлектромеханики, оптоэлектроники и солнечной энергетики.
Работа выполнена при поддержке государственными соглашениями № 14.A18.21.0107, № 12-08-90045/12, № 14.А18.21.0126, № 14.A18.21.0923, № 14.A18.21.0933, № 14.A18.21.0900, № 14.A18.21.0887, № 14.A18.21.1206 в рамках проектов РФФИ и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.
Рецензенты:
Жорник А.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры теоретической, общей физики и технологии, Физико-математического факульте-
та, ФГБОУ ВПО «Таганрогский государственный педагогический институт имени А.П. Чехова», г. Таганрог;
Рындин Е.А., д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник Южного научного центра Российской академии наук (ЮНЦ РАН), г. Ростов-на-Дону.
Работа поступила в редакцию 16.10.2012.