磁控共溅射法制备Zn1-x CrxO薄膜及其结构性能

实验一磁控溅射法制备薄膜材料一、实验目的1、详细掌握磁控溅射制备薄膜的原理和实验程序；2、制备出一种金属膜，如金属铜膜；3、测量制备金属膜的电学性能和光学性能；4、掌握实验数据处理和分析方法，并能利用 Origin 绘图软件对实验数据进行处理和分析。

二、实验仪器磁控溅射镀膜机一套、万用电表一架、紫外可见分光光度计一台；玻璃基片、金属铜靶、氩气等实验耗材。

三、实验原理1、磁控溅射镀膜原理（1）辉光放电溅射是建立在气体辉光放电的基础上，辉光放电是只在真空度约为几帕的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。

辉光放电时，两个电极间的电压和电流关系关系不能用简单的欧姆定律来描述，以气压为1.33Pa 的 Ne 为例，其关系如图 5 -1 所示。

图 5-1 气体直流辉光放电的形成当两个电极加上一个直流电压后，由于宇宙射线产生的游离离子和电子有限，开始时只有很小的溅射电流。

随着电压的升高，带电离子和电子获得足够能量，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流逐步提高，但是电压受到电源的高输出阻抗限制而为一常数，该区域称为“汤姆森放电”区。

一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉，出现电压降低。

进一步增加电源功率，电压维持不变，电流平稳增加，该区称为“正常辉光放电”区。

当离子轰击覆盖了整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区内的电压和电流密度，形成均匀稳定的“异常辉光放电”，这个放电区就是通常使用的溅射区域。

随后继续增加电压，当电流密度增加到～0.1A/cm 2时，电压开始急剧降低，出现低电压大电流的弧光放电，这在溅射中应力求避免。

（2）溅射通常溅射所用的工作气体是纯氩，辉光放电时，电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。

氩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，这些被溅射出来的原子具有一定的动能，并会沿着一定的方向射向衬底，从而被吸附在衬底上沉积成膜。

第1篇一、实验目的本次实验旨在通过磁控溅射技术制备不同材料薄膜，研究其制备过程中的工艺参数对薄膜质量的影响，并对薄膜的表面形貌、晶体结构、成分及性能进行分析。

二、实验原理磁控溅射技术是一种物理气相沉积方法，通过将靶材加热至一定温度，使其表面产生自由电子，然后在电场的作用下，自由电子与气体分子发生碰撞，产生等离子体，等离子体中的离子和电子被加速并轰击靶材表面，使靶材表面原子蒸发并沉积在衬底上形成薄膜。

三、实验设备与材料1. 实验设备：- 磁控溅射系统- 扫描电子显微镜（SEM）- X射线衍射仪（XRD）- X射线光电子能谱仪（XPS）- 红外光谱仪（IR）- 薄膜厚度测量仪2. 实验材料：- 靶材：Al、TiO2、ZnO等- 衬底：玻璃、硅等- 氩气、氮气等惰性气体四、实验步骤1. 清洗衬底：使用丙酮、乙醇、蒸馏水等清洗剂对衬底进行清洗，并在烘箱中干燥。

2. 装置准备：将靶材安装在磁控溅射系统上，设置靶材与衬底的距离、溅射气压、溅射时间等参数。

3. 磁控溅射：启动磁控溅射系统，进行溅射实验，制备薄膜。

4. 薄膜性能测试：使用SEM、XRD、XPS、IR等设备对薄膜的表面形貌、晶体结构、成分及性能进行分析。

五、实验结果与分析1. 薄膜表面形貌：SEM结果表明，Al、TiO2、ZnO等薄膜表面均匀，无明显缺陷。

2. 晶体结构：XRD分析表明，薄膜具有良好的晶体结构，晶粒尺寸较小。

3. 成分分析：XPS结果表明，薄膜中各元素含量符合预期。

4. 薄膜性能：- 硬度：Al、TiO2、ZnO等薄膜的硬度较高，具有良好的耐磨性能。

- 导电性：Al薄膜具有良好的导电性，适用于电子器件。

- 介电性能：TiO2、ZnO等薄膜具有良好的介电性能，适用于电容器等器件。

六、实验讨论1. 溅射气压对薄膜质量的影响：溅射气压越高，薄膜密度越大，晶粒尺寸越小，但溅射气压过高会导致薄膜表面出现缺陷。

2. 溅射时间对薄膜质量的影响：溅射时间越长，薄膜厚度越大，但溅射时间过长会导致薄膜内部应力增大，影响薄膜性能。

磁控溅射法制备薄膜原理
磁控溅射法是一种常用的薄膜制备技术，其原理是利用高速带电粒子轰击靶材表面，使其原子或离子脱离靶材并沉积在衬底上形成薄膜。

其中，磁控溅射技术在制备过程中使用了外加磁场，可强化带电粒子在空间中的运动轨迹，提高沉积效率和薄膜质量。

磁控溅射法制备过程中，首先将待制备的靶材置于真空室中，并维持高真空度。

然后通过高能量电子束、离子束等方式激发靶材表面的原子或离子，使其脱离靶材并运动到衬底表面，在外加磁场的作用下沉积形成薄膜。

在制备过程中，可以通过调节靶材的材料、形状和厚度、电子束或离子束的能量和流强、工作气体的种类和流量等参数来控制薄膜的组成、结构和性能。

磁控溅射技术在制备多种功能性薄膜方面具有广泛应用，如光学薄膜、导电薄膜、磁性薄膜、防腐蚀薄膜等。

在电子工业、光学工业、信息技术等领域，磁控溅射法制备的功能性薄膜已成为一种重要的制备手段。

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磁控溅射制备氧化铝薄膜及其设备开发磁控溅射是一种目前广泛应用于制备氧化铝薄膜的技术。

该技术不仅能够制备均匀、高质量的氧化铝薄膜，而且还可以对薄膜的物理性质进行调节，满足不同应用的需求。

本文将介绍磁控溅射制备氧化铝薄膜的原理、优势以及设备开发的关键技术。

一、磁控溅射制备氧化铝薄膜的原理磁控溅射是一种利用高能离子轰击固体材料表面来制备薄膜的技术。

其基本原理是，在低压气体环境中，利用磁控电弧等方式将金属或合金材料的表面离子化，然后让这些离子在外场的作用下沿着一定方向均匀地射向衬底，在衬底上形成薄膜。

以氧化铝薄膜为例，磁控溅射制备过程中，首先要准备具有良好导电性能的氧化铝靶材。

然后，在氩气等的惰性气体环境下，通过磁控电弧等方式将靶材表面的原子离子化，形成铝离子和氧离子。

这些离子在外场的作用下均匀地沉积在附近的衬底上，形成一层均匀的氧化铝薄膜。

整个制备过程可以通过改变各种参数来控制薄膜的厚度、结构和物理性质。

二、磁控溅射制备氧化铝薄膜的优势相比于其他薄膜制备技术，磁控溅射制备氧化铝薄膜具有以下优势：1. 薄膜均匀性好。

磁控溅射制备过程中，离子在外场的作用下沿着一定方向均匀地射向衬底，因此制备的氧化铝薄膜具有良好的均匀性。

2. 薄膜的物理性质可调节。

制备氧化铝薄膜时，可以通过改变各种参数，如离子能量、衬底温度等，来调节薄膜的物理性质。

因此可以得到不同性质的氧化铝薄膜，满足不同应用的需求。

3. 制备过程简单、易于自动化。

磁控溅射制备氧化铝薄膜的制备过程较为简单，且不需要高温高压，对于薄膜材料及衬底材料也有较广的适应性。

同时，由于其制备过程较为稳定，可以进行自动化控制。

三、磁控溅射制备氧化铝薄膜设备的关键技术磁控溅射制备氧化铝薄膜的设备主要由靶材、离子源、外场源（磁场等）和衬底等构成。

因此，设备的关键技术主要包括：1. 靶材的选择。

靶材的选择对于制备氧化铝薄膜至关重要。

一方面，靶材的纯度和制备过程中的气氛会影响薄膜的质量；另一方面，靶材的导电性能也会影响离子化的效率。

磁控溅射法制备薄膜材料综述材料化学张召举摘要薄膜材料的厚度是从纳米级到微米级，具有尺寸效应，在国防、通讯、航空、航天、电子工业等领域有着广泛应用，其有多种制造方法，目前使用较多的是溅射法，其中磁控溅射的应用较为广泛。

本文主要介绍了磁控溅射法的原理、特点，以及制备过程中基片温度、溅射功率、溅射气压和溅射时间等工艺条件对所制备薄膜性能的影响。

关键字磁控溅射；原理；工艺条件；影响正文薄膜是指尺度在某个一维方向远远小于其他二维方向，厚度可从纳米级到微米级的材料，由于薄膜的尺度效应，它表现出与块体材料不同的物理性质，有广泛应用。

薄膜的制备大致可分为物理方法和化学方法两大类。

物理方法主要包括各种不同加热方式的蒸发，溅射法等，化学方法则包括各种化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）等。

溅射沉积法由于速率快、均一性好、与基片附着力强、比较容易控制化学剂量比及膜厚等优点，成为制备薄膜的重要手段。

溅射法根据激发溅射离子和沉积薄膜方式的不同又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前多用后两种。

本文主要介绍磁控溅射制备薄膜材料的原理及影响因素。

磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中实际应用。

这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级。

具有高速、低温、低损伤等优点。

高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。

1974年Chapin发明了适用于工业应用的平面磁控溅射靶，对进人生产领域起了推动作用。

磁控溅射基本原理磁控溅射是20世纪70年代迅速发展起来的一种高速溅射技术。

对许多材料，利用磁控溅射的方式溅射速率达到了电子术蒸发的水平，而且在溅射金属时还可避免二次电子轰击而使基板保持冷态，这对使用怕受温度影响的材料作为薄膜沉积的基板具有重要意义。

磁控溅射是在磁场控制下的产生辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。

磁控溅射法制备薄膜材料实验报告实验报告：磁控溅射法制备薄膜材料一、引言薄膜材料广泛应用于电子器件、光学器件等领域，其性能直接影响着器件的性能。

磁控溅射法是一种常用的制备薄膜材料的方法，通过在真空环境下，利用磁控电子束或离子束轰击源材料的表面，使源材料蒸发并沉积在基底上，从而得到所需的薄膜材料。

本实验旨在通过磁控溅射法制备一种特定的薄膜材料，并对其形貌、结构和成分进行表征。

二、实验方法1.实验仪器与材料本实验使用的主要仪器设备有磁控溅射设备、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）。

实验材料包括源材料、基底材料和溅射气体。

2.实验步骤（1）将源材料加载到磁控溅射设备的靶位上，并安装好基底材料。

（2）将真空室抽气至高真空状态，确保实验环境稳定。

（3）开启溅射气体，调节其流量和压力，使其保持合适的工作状态。

（4）通过操纵磁控溅射设备的参数，包括溅射功率、工作距离等，进行溅射，沉积薄膜材料在基底上。

（5）制备完成后，将样品取出，进行表征。

三、实验结果与分析通过SEM观察，薄膜材料的表面形貌均匀，没有明显的颗粒和裂纹，呈现出光滑的特点。

通过透射电子显微镜（TEM）的观察，薄膜材料的厚度约为100 nm，呈现出均匀的结构。

通过XRD分析，薄膜材料的晶体结构为立方晶系，晶面取向较好。

通过对XRD图谱的解析，还可以得到薄膜材料的晶格常数、晶粒大小等信息。

通过能谱仪的分析，可以确定薄膜材料的成分。

实验结果显示，制备的薄膜材料主要由目标材料的原子组成，没有掺杂物的存在。

四、讨论与改进通过磁控溅射法制备的薄膜材料，表面形貌均匀且结构良好，符合预期需求。

但是，在实验过程中，我们发现了一些问题，如薄膜材料的制备速率较慢、材料的含气量较高等。

为了解决这些问题，我们可以在实验过程中进行参数的优化，如调节溅射功率、溅射时间等，以提高制备速率；同时可以加入适量的氩气来降低材料的含气量。

此外，在薄膜材料的表征上，我们只是使用了SEM、XRD和能谱仪等仪器进行了一些基本的表征，对于材料的电学、光学等特性并没有进行深入的研究。

磁控溅射法制备薄膜材料综述材料化学张召举摘要薄膜材料的厚度是从纳米级到微米级，具有尺寸效应，在国防、通讯、航空、航天、电子工业等领域有着广泛应用，其有多种制造方法，目前使用较多的是溅射法，其中磁控溅射的应用较为广泛。

本文主要介绍了磁控溅射法的原理、特点，以及制备过程中基片温度、溅射功率、溅射气压和溅射时间等工艺条件对所制备薄膜性能的影响。

关键字磁控溅射；原理；工艺条件；影响正文薄膜是指尺度在某个一维方向远远小于其他二维方向，厚度可从纳米级到微米级的材料，由于薄膜的尺度效应，它表现出与块体材料不同的物理性质，有广泛应用。

薄膜的制备大致可分为物理方法和化学方法两大类。

物理方法主要包括各种不同加热方式的蒸发，溅射法等，化学方法则包括各种化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）等。

溅射沉积法由于速率快、均一性好、与基片附着力强、比较容易控制化学剂量比及膜厚等优点，成为制备薄膜的重要手段。

溅射法根据激发溅射离子和沉积薄膜方式的不同又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前多用后两种。

本文主要介绍磁控溅射制备薄膜材料的原理及影响因素。

磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中实际应用。

这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级。

具有高速、低温、低损伤等优点。

高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。

1974年Chapin发明了适用于工业应用的平面磁控溅射靶，对进人生产领域起了推动作用。

磁控溅射基本原理磁控溅射是20世纪70年代迅速发展起来的一种高速溅射技术。

对许多材料，利用磁控溅射的方式溅射速率达到了电子术蒸发的水平，而且在溅射金属时还可避免二次电子轰击而使基板保持冷态，这对使用怕受温度影响的材料作为薄膜沉积的基板具有重要意义。

磁控溅射是在磁场控制下的产生辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。

氧化锌薄膜的微观结构及其结晶性能研究陈首部;陆轴;兰椿【摘要】以普通玻璃作为衬底材料,采用射频磁控溅射方法制备了氧化锌(ZnO)透明导电薄膜,通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)测试,研究了衬底温度对薄膜微观结构及其结晶性能的影响.结果表明:所制备的ZnO薄膜均为(002)晶面择优取向生长的多晶薄膜,其微观结构和结晶性能与衬底温度密切相关.衬底温度对ZnO薄膜的织构系数TC(hkl)、平均晶粒尺寸、位错密度、晶格应变和晶格常数都具有不同程度的影响,当衬底温度为800 K时,ZnO薄膜样品的织构系数TC(002)最高(4.929)、平均晶粒尺寸最大(20.91 nm)、位错密度最小(2.289×1015 line·m-2)、晶格应变最低(2.781×10-3),具有最高的(002)晶面择优取向生长性和最佳的微观结构性能.%The transparent conducting oxide thin films of zinc oxide ( ZnO) were deposited on glass substrates by radio-frequency magnetron sputtering method . The influence of substrate temperature on the mirostructure and crystalline characteristics of ZnO thin films was investigated by X-ray diffraction ( XRD ) and X-ray photoelectron spectroscopy ( XPS ) , respectively . The results indicate that the deposited thin films with the hexagonal crystal structure are polycrystalline and have a strongly preferred orientation of (002) plane.The mirostructure and crystalline characteristics of the thin films are observed to be subjected to the substrate temperature .When the substrate temperature is 800 K, the deposited ZnO sample exhibits the best crystalline and microstructural properties , with the highest texture coefficient of (002) plane of 4.929, the largest average grain size of 20.91nm, t he minimum dislocation density of 2.289 ×1015 line· m-2 and the lowest lattice strain of 2.781 ×10 -3 .【期刊名称】《中南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】6页(P67-72)【关键词】氧化锌;薄膜;微观结构;结晶性能【作者】陈首部;陆轴;兰椿【作者单位】中南民族大学电子信息工程学院,武汉430074;中南民族大学电子信息工程学院,武汉430074;中南民族大学电子信息工程学院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TM914作为第三代新型半导体材料的主要代表之一，氧化锌(ZnO)不仅自然储量丰富、价格低廉、绿色环保，同时还具有优异的光电、光敏、压电和压敏等性质.它与硫化锌(ZnS)和氮化镓(GaN)相比，ZnO在室温条件下具有较宽的直接带隙和较高的自由激子结合能，是制备光电功能器件的优良材料，已被广泛应用于太阳能电池[1-5]、发光显示器[6-11]、半导体激光器[12]、紫外探测器[13]、声表面波器件[14]以及触摸控制面板[15]等领域具有广阔的应用前景.目前，制备ZnO薄膜的方法多种多样，如水热法[16]、溶胶-凝胶法[17]、化学气相沉积法[18]、原子层沉积法[19]、脉冲激光沉积法[20]、喷雾热分解法[21]和磁控溅射法[22-25]等，其中磁控溅射技术具有工艺简单、成膜均匀、致密性好、成本低廉、易于大面积制备等优点，因此得到了业界的广泛应用.ZnO薄膜的晶体质量及其性能与其制备工艺参数密切相关，其中影响较大的工艺因素有衬底温度、溅射功率和工作压强等，因此深入研究溅射工艺参数对ZnO薄膜微观结构的影响具有十分重要的意义.本文以普通玻璃作为衬底材料，采用射频磁控溅射方法制备ZnO薄膜样品，通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)测试表征，研究了衬底温度对ZnO薄膜微观结构及其结晶性能的影响.采用普通玻璃作为衬底材料，切割成大小为30 mm×30 mm的方块，实验时按照如下程序对玻璃衬底进行处理：(1)采用丙酮擦拭衬底表面，并用清水冲洗干净；(2)依次使用丙酮、无水乙醇和纯净水对衬底进行超声清洗13 min，以去除衬底表面的微粒和有机污染物；(3)在无水乙醇中煮沸，吹干待用.利用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上制备ZnO薄膜样品，所用实验设备为KDJ-567型高真空复合镀膜系统，溅射源为直径50 mm、厚度4 mm的ZnO陶瓷靶材，它以ZnO粉体(999.99%)为原料通过常压固相烧结工艺制成.溅射制备ZnO 薄膜样品之前，将溅射室的真空度抽至5×10-4 Pa后通入99.999%的高纯氩气作为工作气体，并先采用氩等离子体对玻璃衬底表面清洗7 min，然后再预溅射10 min以清洁靶材表面和稳定系统，提高沉积ZnO薄膜样品的质量.实验时，衬底与靶材之间的距离为75 mm、溅射功率为200 W、工作气压为0.5 Pa、沉积时间为25 min、衬底温度为600～800 K.通过X射线衍射仪(Bruker advance D8型，德国Bruker公司)对ZnO薄膜样品进行晶体结构表征，测试时使用Cu Kα射线源(波长λ=0.1541 nm)，采用θ-2θ连续扫描方式，扫描速度为10°/min，扫描步长为0.0164 Å，扫描范围为20°≤2θ≤70°，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA.利用X射线光电子能谱仪(VG Multilab 2000型，美国Thermo Electron公司)对ZnO薄膜样品进行XPS 分析，测试时本底真空度为2.0×10-6 Pa，X射线源为单色Al Kα射线源(hv=1486.60 eV)，采用C 1s结合能(284.60 eV)作为内标，对所有测试谱峰进行荷电校正.所的测试均在室温条件下完成.图1为不同衬底温度时ZnO薄膜样品的XRD图谱，由图可见，在2θ为20 °～70°的扫描范围内，所有ZnO薄膜样品在峰位2θ为30.9°和34.1°附近都出现了2个特征峰，比对ZnO的标准PDF卡片(JCPDS #36-1451，见图1)可以看出，这2个衍射峰分别与ZnO的(100)和(002)晶向相吻合.另外从图1中还可看到，衬底温度不同时，ZnO薄膜样品还存在有其它晶向的特征峰，如衬底温度为600和800 K时，分别显示有(110)和(103)晶面的衍射峰，而衬底温度为700 K时，则显示有(110)、(102)和(103)等多个晶面的衍射峰.上述XRD图谱结果表明，所制备的ZnO样品均为多晶薄膜，并具有六角纤锌矿结构.观察图1的XRD图谱还可以看出，衬底温度对衍射峰位2θ的影响较小，而对各个晶向的衍射峰强度的影响较大，为了评估ZnO薄膜样品沿某一晶面(hkl)的择优取向程度，本文采用织构系数(TC(hkl))来定量表征样品沿不同晶面生长的取向程度.织构系数TC(hkl)定义如下[26]：(1)式中，下标h、k、l表示密勒指数，TC(hkl)表示(hkl)晶面的织构系数，I(hkl)为ZnO薄膜样品在(hkl)晶面的衍射强度，Ir(hkl)为标准ZnO粉未试样(JCPDS #36-1451)在(hkl)晶面的衍射强度，n为计算时所取的衍射峰数目.TC(hkl)的数值越大，说明薄膜中有更多的晶粒沿(hkl)晶面生长，即薄膜在(hkl)晶面的择优取向性越好.表1列出了不同衬底温度时ZnO薄膜样品的织构系数TC(hkl)，由表1可见，当衬底温度为600、700和800 K时，ZnO薄膜样品的TC(002)值分别为4.916、4.363和4.929，均远远高于其它晶面的TC(hkl)数值，这说明所制备的ZnO样品都表现出明显的(002)晶面择优取向生长特征，并且衬底温度升高时，TC(002)的数值呈现出先减小后增大的变化趋势.可见，衬底温度从600 K增加到800 K时，虽然没有改变ZnO薄膜(002)择优取向生长特征，但是对其择优取向程度有一定的影响，当衬底温度为800 K时所制备的ZnO样品具有最高的(002)择优取向程度.其原因是：ZnO薄膜在(002)晶面的表面自由能密度是最小的，因此晶粒沿(002)晶面具有生长优势，在生长过程中晶粒极易沿c轴即(002)晶面平行于衬底的方向生长[27,28].图2为衬底温度800 K时所制备ZnO薄膜样品的XPS能谱图，由图2可见，XPS图谱上除了Zn和O原子的光电子特征峰之外，在284.6 eV处还存在有C1s特征峰，这可能是由于溅射镀膜时油扩散泵污染或者ZnO薄膜样品暴露在大气中吸附了CO2所造成的[29].图3(a)为不同衬底温度时ZnO薄膜样品的(002)衍射峰半高宽(B)数值，可见半高宽B的值与衬底温度密切相关，衬底温度增加时，半高宽B单调减小，当衬底温度为800 K时，ZnO薄膜样品(002)衍射峰的半高宽B最小值为0.392°，说明衬底温度为800 K时制备的ZnO薄膜样品具有最大的晶粒尺寸和最佳的结晶性能.ZnO薄膜样品的平均晶粒尺寸(D)可以根据谢乐公式[30]计算：(2)式中，K为谢乐常数(这里取K=0.89)，θ为所(002)晶面的布拉格角，B为(002)衍射峰的半高宽数值，λ为XRD测试时的X射线波长[31].图3(b)为不同衬底温度时ZnO薄膜样品的平均晶粒尺寸D，从图中3(b)看出，衬底温度对ZnO样品的平均晶粒尺寸D具有明显的影响.当衬底温度为600～800 K时，ZnO样品的平均晶粒尺寸D为9.73～20.91 nm，平均晶粒尺寸D随衬底温度增加而增大，当衬底温度为800 K时，ZnO薄膜样品的D值最大(20.91 nm).ZnO薄膜样品的位错密度(δ)[31]利用公式(3)计算获得：(3)式中，D为ZnO薄膜样品的平均晶粒尺寸.ZnO薄膜样品的位错密度δ随衬底温度变化的曲线如图4所示，可以看出，随着衬底温度的增加，δ呈现出单调减小的变化趋势，当衬底温度为800 K时，ZnO薄膜样品的位错密度δ最小为2.289×1015 line·m-2.ZnO薄膜样品的晶格应变(ε)可由下式[32]计算：(4)式中，K为由谢乐常数，θ为所(002)晶面的布拉格角，B为(002)衍射峰的半高宽数值.不同衬底温度时ZnO薄膜样品的ε值如图5所示，从图5看出，衬底温度对ZnO薄膜ε值具有明显的影响，ε值随着衬底温度的增加而逐渐减小，当衬底温度为800 K时，ZnO薄膜样品具有最小的晶格应变ε，其值为2.781×10-3. ZnO薄膜样品为六角纤锌矿结构，其晶格常数由公式(5)确定[33,34]：(5)式中，a和c为ZnO样品的晶格常数.对于(002)晶面，由(5)式可得：对于(100)晶面，(5)式可简化为：图6为不同衬底温度时ZnO薄膜样品的晶格常数a、c和c/a的数值，从图6看出，衬底温度增大时，a先减后增、c单调增加、c/a先增后减，在衬底温度的变化范围为600～800 K时，a、c和c/a的数值范围分别为0.32845～0.33608 nm、0.52259～0.52857 nm和1.57275～1.59411，这些结果与标准ZnO试样(JCPDS #36-1451)数据(a=0.32498 nm、c=0.52066 nm、c/a=1.60213)是一致的.文献[35,36]在研究掺钇ZnO和掺锂ZnO薄膜时也有类似的报道.ZnO薄膜样品的Zn-O键长(L)[37]可由公式(8)计算获得：(8)式中，a和c为ZnO薄膜样品的晶格常数，u与a、c之间满足关系式[37]：图7为ZnO样品薄膜Zn-O键长L随衬底温度的变化曲线，从图可知，衬底温度对ZnO薄膜的Zn-O键长L具有一定的影响，当衬底温度为600、700和800 K 时，ZnO样品的Zn-O键长L值分别为0.2002、0.19957和0.20337 nm，其结果与标准ZnO试样(JCPDS No. 36-1451)数据(L=0.19778 nm)基本一致.Anandan等人[35]和Srinivasan小组[36]在研究掺杂ZnO薄膜时也报道过类似的结果.采用ZnO陶瓷靶为溅射源材料，利用射频磁控溅射技术在普通玻璃衬底上制备了ZnO薄膜样品，通过XRD和XPS测试表征，研究了衬底温度对ZnO薄膜样品微观结构及其结晶性能的影响.结果表明，所有ZnO薄膜样品均为六角纤锌矿结构的多晶薄膜，并且衬底温度对薄膜生长特性及其微观结构性能具有明显的影响.衬底温度升高时，ZnO薄膜的织构系数TC(002)、晶格常数a和Zn-O键长L先减后增，平均晶粒尺寸D和晶格常数c单调增加，而位错密度δ和晶格应变ε则单调减小，当衬底温度为800 K时，ZnO薄膜样品的织构系数TC(002)最高为4.929、平均晶粒尺寸D最大为20.91 nm、位错密度δ最小为2.289×1015 line·m-2、晶格应变δ最低为2.781×10-3，所制备的ZnO薄膜具有最高的(002)晶面择优取向生长性和最好的微观结构性能.【相关文献】[1] Liu H, Avrutin V, Izyumskaya N, et al. 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实验4磁控溅射法制备薄膜材料实验4 磁控溅射法制备薄膜材料一、实验目的1. 掌握真空的获得2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法二、实验原理磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。

膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。

氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。

磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。

用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。

1. 辉光放电：辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。

溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。

不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。

如图1（a）所示为一个直流气体放电体系，在阴阳两极之间由电动势为的直流电源提供电压和电流，并以电阻作为限流电阻。

在电路中，各参数之间应满足下述关系：V=E-IR使真空容器中Ar气的压力保持一定，并逐渐提高两个电极之间的电压。

在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。

图1 直流气体放电随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。

当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。

此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。

当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。

在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。

溅射沉积ZnO薄膜结构和光学性能研究摘要ZnO是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，因其优异的光学、电学性质而得到广泛的应用，因而ZnO薄膜的制备和研究具有重要意义。

本文采用磁控溅射法制备ZnO薄膜，再以X射线衍射仪、扫描电子显微镜和紫外-可见透射光谱仪对所沉积薄膜样本的结构和光学性能进行分析。

主要研究了工作气压、Ar/O2比、溅射时间以及退火温度对ZnO薄膜样品性质的影响。

结果发现，随着空气退火温度上升，ZnO薄膜结晶性和择优生长特性都明显升高，所得薄膜在可见光范围内有高光透过率，同时退火处理也提高了ZnO薄比为膜致密度。

磁控溅射沉积ZnO薄膜最佳参数为：工作气压可为0.5Pa，Ar/O24:1。

同时适当温度退火可改善ZnO薄膜质量。

关键词：ZnO薄膜，磁控溅射，溅射参数，退火AbstractZnO is an important Ⅱ- Ⅵcompound semiconductor material, and with its excellent optical and electrical properties, it is widely used. So the preparation and study of ZnO thin films is becoming more and more important.In this paper, ZnO thin films were prepared by magnetron sputtering. And then we use X-ray diffraction, scanning electron microscopy and UV - visible transmittance spectroscopy to analyze the structure and optical properties of the thin film. In this paper, we analyzed the influence of deposition pressure, Ar /O2ratio, sputtering time and annealing temperature on the properties of ZnO thin film samples.The result show that with the increasing of the annealing temperature, the crystallinity and preferential orientation of ZnO thin film increased obviously. And the films has a higher light transmittance in the visible range. The annealing treatment also increased the density of the ZnO thin films . The most suitable magnetron sputtering parameter could be :the working pressure is 0.5Pa, the Ar / O ratio is 4:1. Besides, the proper temperature annealing can improve the quality of ZnO films.Keywords：ZnO films，Magnetron sputtering，Deposition parameters,Annealing目录1 绪论 (5)1.1 ZnO的结构特点及其性质 (5)1.1.1 ZnO薄膜的结构特点 (5)1.1.2 电学性质 (7)1.1.3光学性质 (7)1.1.4 压电性质 (7)1.1.5 气敏性质 (7)1.1.6 压敏性质 (8)1.2 ZnO薄膜的制备方法 (8)1.2.1 磁控溅射法 (8)1.2.2溶胶凝胶法 (8)1.2.3脉冲激光沉积 (8)1.2.4金属有机化合物气相沉积 (9)1.2.5 分子束外延法 (9)1.3 研究目的 (9)2 溅射基本原理 (10)2.2 溅射粒子的迁移 (11)2.3 溅射粒子在基片上成膜 (11)2.4 薄膜生长过程 (11)2.5 磁控溅射镀膜特点 (12)3实验设计 (14)3.1 ZnO薄膜的制备 (14)3.2 分析测试 (15)3.2.1 X射线衍射仪（XRD） (15)3.2.2 扫描电镜（SEM） (15)3.2.3 UV-VIS分光光度计 (15)4 结果与讨论 (17)4.1不同工作气压下XRD分析 (17)4.2 不同Ar/O2比下XRD分析 (17)4.3不同时间下沉积的XRD分析 (18)4.4 不同退火温度下XRD分析 (19)4.5不同温度退火的透射光谱图分析 (20)4.6 扫描电镜（SEM）形貌分析 (21)5 结论 (23)参考文献 (24)致谢 (26)1 绪论半导体材料作为制作光电子器件的基础材料,在通信、网络技术、计算机和信息家电等多个行业被广泛的应用,半导体材料的发展及应用已经成为衡量一个国家经济水平、科技进歩和国防实力的重要标准。