Mg_xZn_1-xO薄膜的双靶射频磁控共溅射制备方法

专利名称：Mg_xZn_1-xO薄膜的双靶射频磁控共溅射制备方法
技术领域：
本发明涉及一种n-vi族宽带隙宽组分半导体光电功能材料Mgxzni.xo薄膜的制备方 法，属于光电功能材料制造技术领域。
技术背景MgxZm.xO薄膜是一种宽直接带隙半导体光电功能材料。Mg^的离子半径为0.65A， Zn2+ 的离子半径为0.74A，由于它们离子半径相近，可以相互取代形成MgxZm.xO固溶合金薄膜， 两者取代对晶格常数影响较小。但是，ZnO和MgO的结构不同，使得MgxZni.xO随着Mg 含量的不同呈现两种不同的结构，当Mg含量较小时呈现ZnO的六方纤锌矿结构，当Mg含 量较大时呈现MgO的面心立方岩盐结构。另外，ZnO和MgO的禁带宽度不同，室温下ZnO 的禁带宽度约为3.3eV， MgO的禁带宽度约为7.8eV，从而MgxZni_xO的禁带宽度理论上在 3.3eV和7.8eV之间可以连续调节，且禁带宽度随Mg含量的增大逐渐增大，从而可实现MgxZm.xO从紫外到可见不同波长的光响应。因此，MgxZm.xO薄膜成为一种具有紫外探测、可见及紫外光发射作用的半导体光电功能材料。14&^111^0薄膜的射频磁控溅射制备方法是与本发明相关的一项已知技术， 一篇刊登在 中国《物理学报》第54巻第9期、题为"射频磁控溅射法生长Mg^ZnkO薄膜的结构和光学特 性"的文献公开了一种方案。制备过程在射频磁控溅射仪的真空室中进行。由机械泵和分子 泵两级抽真空至2xl(^Pa。靶材采用MfoZm—iO陶瓷，0^x^0.3，由纯度均为99.99。/。的ZnO粉末和MgO粉末经混合、研磨、锻压、烧结而成。在真空室内设置若干个溅射靶，如四个，靶 材固定在溅射耙上，每个溅射靶的溅射功率能够分别控制。每个溅射靶上的靶材x不同，如 x=0、 x=0.16、 x=0.23、 x=0.30。通入真空室内的纯度均为99.999%、压强均为lPa的氩气、氧 气在真空室混合为溅射气体。射频电源频率为13.56MHz。采用蓝宝石衬底，衬底温度为80'C。 衬底与溅射靶间距5cm。溅射功率为200w，溅射时间为30min。该方法根据所制备MgxZn^0 薄膜的x的不同，分别制作MfoZm—"陶瓷靶材，在溅射过程中，只有一个具有对应x值的溅 射耙工作，为单靶单溅射制备方式。 发明内容己知技术需要根据所需制备的MfoZn^O薄膜的不同，分别制作对应x值的MfoZm— 陶瓷靶材，其不足在于，制作靶材的工作量大，并且，在制备一种MfoZn^O薄膜之后，所用靶材不一定完全消耗，产生浪费。另外，虽然从理论上应该不可能、但实践中却出现 所制备的MfoZn^O薄膜化学计量比偏离Mg^Zn^O陶瓷靶材的化学计量比的现象，难以 得到所需的光电功能材料。为了减少靶材制作工作量，提高靶材利用率，制备产物与所需 产物一致，我们发明了一种MgxZni.x0薄膜的双靶射频磁控共溅射制备方法。本发明是这样实现的，在射频磁控溅射仪的真空室中，通过提供溅射功率，使溅射气 体溅射固定在溅射靶上的靶材，在衬底上生长MgxZm-xO薄膜，其特征在于，采用双耙共 溅射制备方式，即在两个溅射靶上分别固定ZnO陶瓷靶材和MgO陶瓷耙材，分别提供溅 射功率，同时分别溅射，在衬底上生长MgxZm.xO薄膜。本发明之方法采用的靶材分别是ZnO陶瓷和MgO陶瓷，分别固定在两个溅射耙上， 分别提供溅射功率，同时溅射，在同一衬底上生长MgxZm—xO薄膜，能够根据所需制备的 MgxZn^O薄膜的不同，确定两个溅射靶上的溅射功率，溅射功率不同，溅射下来的ZnO 和MgO的数量也不同，因此，通过控制溅射功率，即可控制MgxZni_xO薄膜中Zn2+、 Mg2+ 的比例，也就是x的值，溅射功率从0到300w连续调节，x的值从0到l连续调节。从而， 只需制作ZnO陶瓷和MgO陶瓷两种靶材，而无须根据所需制备的MgxZni_xO薄膜分别制 作Mg^n^O陶瓷靶材，因此，靶材制作工作量明显减少。同时，不管制备x值为多少的 MgxZn^O薄膜，都使用这两个靶材，当其中之一因溅射量大而先行消耗完毕，只需重新固 定另一块相同靶材即可，因此，靶材都能够被充分使用。再有，由于可以通过控制溅射功 率控制所制备的MgxZni_xO薄膜中Zn2+、 Mg^的比例，而不是任凭溅射和生长自由进行， 因此，所制备的Mg^m—xO薄膜与所希望的结果更为接近。并且，采用本发明之方法，能 够获得宽组分的MgxZni—xO薄膜，随着x的值从0到1，所制备的薄膜从ZnO经MgxZni_xO 到MgO。


图i是本发明之MgxZm.xO薄膜的双靶射频磁控共溅射制备方法流程图，该图兼作摘要附图。图2是采用本发明之方法制备的一种MfoZm—xO薄膜的SEM (高分辨率扫描电镜)图。
具体实施方式
下面具体说明本发明之方法。在射频磁控溅射仪的真空室中，通过提供溅射功率，使溅射气体溅射固定在溅射靶上的靶材，在衬底上生长MgxZn"O薄膜。采用双靶共溅射制 备方式，即在两个溅射靶上分别固定ZnO陶瓷靶材和MgO陶瓷靶材，分别提供溅射功率， 同时分别溅射。具体步骤见图l所示。选取纯度大于99.99。/。ZnO和MgO原料。分别置于 球磨机中的不同球磨罐中，充分球磨、造粒;然后分别在2英寸的磨具中压片，压力为40Mpa，持续5min，片厚10mm;经烧结、研磨、抛光、表面清理，制作而成所需ZnO陶瓷靶材和 MgO陶瓷靶材。然后，将ZnO陶瓷靶材和MgO陶瓷靶材分别固定在真空室内的溅射靶l 和溅射耙2上。衬底选用ZnO陶瓷或者MgO陶瓷。Mg^Zn^O薄膜作为一种光电功能材料， 要求薄膜具有较好的趋向性，所以要求衬底与薄膜之间的晶格相匹配，而ZnO陶瓷或者 MgO陶瓷与MfoZn^O薄膜的晶格一致，选用ZnO陶瓷或者MgO陶瓷作为衬底可以降低 薄膜与衬底之间的晶格失配。衬底经清洗后置于真空室内的样品台上。将真空室抽真空并 保持真空度为5xl0,a。以0.5Pa的压强向真空室通入纯度均为4N的氩气和氧气，在真空室内形成的混合气体为溅射气体。溅射过程中，根据所需制备的MgxZni.xO薄膜，在0^xSl范围确定x值，根据该x值分别控制溅射靶l、溅射靶2的溅射功率在0 300w之间的某一功率值上。衬底温度控制在20 600'C之间某一温度上。溅射25 135min，薄膜生长至 膜厚为(U 100nm范围内的某一值。将制备的MgxZm.xO薄膜在200 500'C范围内某一温度 值下退火6 12小时范围内某一时间，降低薄膜中的内应力和缺陷，使薄膜的晶格进一步完 善并趋向与衬底一致。现给出一个具体例子说明本发明之方法。选取纯度大于99.99%ZnO和MgO原料。分 别置于球磨机中的不同球磨罐中，充分球磨、造粒；然后分别在2英寸的磨具中压片，压 力为40Mpa，持续5min，片厚10mm;经烧结、研磨、抛光、表面清理，制成所需ZnO陶 瓷靶材和MgO陶瓷靶材。然后，将ZnO陶瓷靶材和MgO陶瓷靶材分别固定在真空室内的 溅射靶1和溅射靶2上。衬底另选ZnO陶瓷，尺寸为20X20mm2，研磨、抛光后清洗。清洗过程为，用含洗涤剂的水超声波清洗10min;用乙醇清洗三次；用去离子水重复清洗多次;放在干燥箱中干燥。将衬底置于真空室内的样品台上。将真空室抽真空并保持真空度为 5xlO,a。以0.5Pa的压强向真空室通入纯度均为4N的氩气和氧气，在真空室内形成的混 合气体为溅射气体。确定x-0.5，在溅射过程中，根据该x值分别控制溅射靶l、溅射靶2 的溅射功率为150w和200w。衬底温度控制为IOO'C、旋转速率为40%。溅射30mim薄 膜生长至膜厚为40nm。将制备的Mga5Zno.50薄膜在30(TC温度退火6小时。所制备的 Mgft5Zna50薄膜粒度分布均匀，见图2所示。
权利要求
1. 一种MgxZn1-xO薄膜的双靶射频磁控共溅射制备方法，在射频磁控溅射仪的真空室中，通过提供溅射功率，使溅射气体溅射固定在溅射靶上的靶材，在衬底上生长MgxZn1-xO薄膜，其特征在于，采用双靶共溅射制备方式，即在两个溅射靶上分别固定ZnO陶瓷靶材和MgO陶瓷靶材，分别提供溅射功率，同时分别溅射，在衬底上生长MgxZn1-xO薄膜。
2、 根据权利要求1所述的双靶射频磁控共溅射制备方法，其特征在于，衬底选用ZnO 陶瓷或者MgO陶瓷。
3、 根据权利要求1所述的双靶射频磁控共溅射制备方法，其特征在于，溅射过程中， 根据所需制备的MgxZn"O薄膜，在O^x^l范围确定x值，根据该x值分别控制溅射靶1、溅射靶2的溅射功率在0~300w之间的某一功率值上。
4、 根据权利要求1所述的双靶射频磁控共溅射制备方法，其特征在于，衬底温度控制 在20 60(TC之间某一温度上；溅射25 135min;薄膜生长至膜厚为0.1~100nm范围内的某 一值。
全文摘要
Mg_xZn_1-xO薄膜的双靶射频磁控共溅射制备方法属于光电功能材料制造技术领域。已知技术需要根据所需制备的Mg_xZn_1-xO薄膜的不同，分别制作对应x值的Mg_xZn_1-xO陶瓷靶材，制作工作量大，靶材不一定完全消耗，产生浪费，所制备的Mg_xZn_1-xO薄膜化学计量比偏离Mg_xZn_1-xO陶瓷靶材的化学计量比。本发明采用双靶共溅射制备方式，即在两个溅射靶上分别固定ZnO陶瓷靶材和MgO陶瓷靶材，分别提供溅射功率，同时分别溅射，在衬底上生长Mg_xZn_1-xO薄膜。本发明可应用于制备具有紫外探测、可见及紫外光发射作用的半导体光电功能材料Mg_xZn_1-xO薄膜。
文档编号C23C14/54GK101285173SQ20081005078
公开日2008年10月15日 申请日期2008年6月4日 优先权日2008年6月4日
发明者刘全生, 卢利平, 张希艳, 柏朝晖, 王晓春, 王能利, 米晓云 申请人:长春理工大学