衬底温度对ZnS薄膜微结构和应力的影响

江锡顺等:衬底温度对ZnS薄膜微结构和应力的影响

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衬底温度对ZnS薄膜微结构和应力的影响

江锡顺!曹春斌!蔡摘要!采用射频磁控溅射法分别在不同温度衬底

琪!宋学萍!孙兆奇

(安徽大学物理与材料科学学院 安徽合肥230039>

测量分析ZnS薄膜的微结构 XRD的X光管为Cu

靶 CuKO射线波长为0.154056nm 管压为40kV 管流为100mA 扫描方式为连续扫描 步宽为0.020 扫描速度为8.000 /min 测量衍射峰的半高宽 根据Scherrer公式可算出晶粒尺寸:

上制备了厚度为320nm的ZnS薄膜!用XRD和光学

相移技术研究了不同衬底温度下薄膜的微结构和应力"结果表明#不同温度衬底上沉积的ZnS薄膜均呈多晶状态!衬底温度由50C上升到400C的过程中!其择优取向发生了变化!晶粒有明显的生长方向$ZnS薄膜应力随着衬底温度升高逐渐减小!衬底温度在250\350C之间的ZnS薄膜应力较小且在选区内分布比较均匀"

关键词!衬底温度"微结构"应力ZnS薄膜"中图分类号!文献标识码!A0484文章编号!1001-9731#2006$07-1121-03

(1>

BcosO

式中k=0.9 X=0.154056nm O为Bragg角 B是衍射峰的半高宽 可计算出晶粒大小 再利用布拉格

D=

方程:

(2>2dsinO=X

(3>和:d=222

+k+l可以求出ZnS薄膜晶格常数a 再与PDF标准衍射卡的值进行比较 2.3薄膜应力测量

用BGS6341型电子薄膜应力分布测试仪测量了ZnS薄膜的应力分布 薄膜应力分布测试仪运用光偏振相移干涉原理 通过测量由薄膜应力引起的衬底基

9]

片变形或曲率半径的变化 再转换成薄膜应力

1引言

硫化锌是宽禁带H-V族化合物半导体材料 兼有

闪锌矿(面心立方结构即 -ZnS>和纤锌矿(六方结构即O-ZnS>两种结构 作为一种性能优良的光电材料 硫化锌可用于制备光激发二极管 抗反射镀层 大功率

1\6]红外激光窗口材料 国内外许多研究者已对ZnS7 8]薄膜的制备~结构~性能进行了深入的研究

薄膜的性质与薄膜的微结构密切相关 微结构决定其性能 对于一定厚度的薄膜 其微结构会随着衬底温度的不同而变化 从而导致薄膜的应力也与衬底温度密切相关 因此对硫化锌薄膜在不同衬底温度下的微结构和应力进行研究有着重要的科学意义和应用价值

33.1结果与讨论

薄膜的微结构

用XRD技术测量了在不同的衬底温度下ZnS薄

膜的微结构 图1是ZnS薄膜在不同衬底温度下的X射线衍射谱

22.1实验

薄膜的制备

本实验采用JGP560I型超高真空磁控溅射仪制备ZnS薄膜 以Si(111>为衬底 高纯ZnS为靶材 当真空室本底真空达到6.0>10-4Pa后 充入高纯Ar(99.9%>作为溅射气体 溅射时的工作气压为0.7Pa 溅射功率为60W 溅射电压为400V 溅射电流为0.2A 溅射时间为10min 衬底温度分别控制在50~150~250~300~350和400C 制备的ZnS薄膜厚度平均为320nm 2.2薄膜微结构分析

用MACM18XHF型转靶X射线衍射仪(XRD>

。

图1不同衬底温度下的ZnS薄膜X衍射谱Fig1XRDpatternsofZnSfilmsatdifferentsubstrate

temperature

基金项目!国家自然科学基金资助项目(59972001>;安徽省自然科学基金资助项目(01044901>;安徽省人才专项基金资助项目

(2004Z029>;安徽大学人才队伍建设基金资助项目(05025103>

收到初稿日期!收到修改稿日期!孙兆奇2005-09-052005-11-09通讯作者!作者简介!江锡顺(1980->

男 安徽贵池人 在读硕士 师承孙兆奇教授 从事功能薄膜材料的研究

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卷2006年第7期#37$

在不同的衬底温度下制备的ZnS薄由图1可知!

膜均呈多晶状态!但择优取向有所不同"衬底温度在吸附原13.1nm"这是因为随着衬底温度的不断升高!

子动能增加!迁移能力增强!成膜时易于结晶!并且晶格缺陷较少"在不同衬底温度下制备的ZnS薄膜的晶格常数都与PDF标准衍射卡77-2100参考值0.5414nm接近"

表1ZnS薄膜的微结构参数与衬底温度的关系Table1ThemicrostructureparametersofZnSfilms

atdifferentsubstratetemperature

T!C"50

150250300350择优取向!衬底温50\250C之间时有着明显的#220$

度在250\400C之间时有着明显的#择优取向!111$这可能与实验中采用硅#衬底有关"在2O=20\111$薄膜出现了两个较明显的特征峰!峰位分80 范围内!

其衍射指数分别为别位于2O=28.454 和47.477 !

#和#"ZnS晶体有面心立方#闪锌矿$结构的111$220$

纤锌矿$结构的O-ZnS两种形态!对照B-ZnS和六方#

我们实验中沉积成的PDF标准衍射卡77-2100可知!

闪锌矿$机构的B-ZnS"由ZnS薄膜是具有面心立方#

图1并利用Scherrer公式分别计算出不同衬底温度下的ZnS薄膜#晶向的微结构参数!结果列入表1"220$

从表中可以看出!ZnS薄膜的晶粒尺寸随着衬底温度的升高而不断增大"当衬底温度由50C增加到

晶粒尺寸由13.1nm增加到14.9nm!而衬底温250C!

度由300C增加到400C!晶粒尺寸由11.1nm增加到

D!nm"13

14141111.1.9.9.1.7nm"O!00000.5398.5429.5422.5418.54033.2衬底温度对ZnS薄膜应力的影响

图2为不同衬底温度下的ZnS薄膜应力分布三维图像"

图2不同衬底温度下的ZnS薄膜应力分布三维图

Fig23DimagesofstressdistributionforZnSfilmsatdifferentsubstrate

t

emperature

图3为ZnS薄膜应力变化的0度线截面图"

图3ZnS薄膜0度线截面图

Fig3ZerodegreesectionalpictureforZnSfilms

江锡顺等:衬底温度对ZnS薄膜微结构和应力的影响

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图4为ZnS薄膜平均应力与衬底温度的关系曲线 图5为相同选区内<选区直径为55mm>ZnS薄膜应力差与衬底温度的关系曲线

1><在不同衬底温度下制备的ZnS薄膜的X射

线衍射分析表明薄膜呈多晶状态 其衍射峰的择优取向明显 但在250\300C之间择优取向发生了变化 由<峰变为<峰 从此可以看出晶粒生长的方220>111>向;

<2>ZnS薄膜的应力在光学相移技术分析表明:选区内分布不均匀 在不同的衬底温度下薄膜应力的平均值有较大的差异 但应力总体随衬底温度的升高呈下降趋势 其中在150C时平均应力最大 且应力差也较大 此时应力分布很不均匀;在250\350C之间

图4应力平均值与衬底温度的关系

Fig4MeanstressVssubstratetemperature

其应力较小 且应力差也较小 此时应力分布较均匀 因此衬底温度在250\350C之间制备的ZnS薄膜应力特点最好;

<其晶粒尺3>不同衬底温度制备的ZnS薄膜

寸和应力均随着衬底温度的升高出现了先增大后减小而后又增大的过程 衍射峰强度的逐渐增强则表明膜中出现了再结晶现象 再结晶是通过晶粒间界扩散使晶粒长大 而晶粒的比表面积减小 发生张应变 从而使内力松弛 ZnS膜的应力减小

图5应力差与衬底温度关系

Fig5StressdifferenceVssubstratetemperature

在选区内应力分布不均匀 由图2\5可以看出

对于在不同衬底温度下制备的ZnS薄膜 衬底温度为

8

参考文献!

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为16.878>10Pa 表现为150C时的平均应力最大

张应力 且此时的应力差也最大 衬底温度在150C以下ZnS膜的平均应力呈上升趋势 在150C以上其平均应力呈下降趋势 衬底温度在250\350C之间薄膜的应力差较小 应力分布相对均匀 但其平均应力

10I

这是因为低温成膜时ZnS较小 也表现为张应力

晶粒的比表面积较大 应力分布不均匀 当衬底温度升高时 成膜过程中缺陷减少 晶粒的比表面积减小使膜内应力减小

4结论

根据以上实验数据分析得到如下结论:

Effectofsubstratetemperatureonmicrostructureandstressofznsfilms

JIANGXi-shun CA0Chun-bin CAIOi S0NGXue-ping SUNZhao-Ci

<SchoolofPhYsicsandMaterialScience AnhuiUniVersitY Hefei230039 China>

Abstract:320nm-thicknessZnSfilmsarepreparedondifferentsubstratetemperaturebYRFmagnetronsputte-ring.ThemicrostructureandstressdistributionofthefilmsWithdifferentsubstratetemperatureWerestudied

bYX-raYdiffractionandopticalphase-shifttechnologY.TheresultsshoWthatthepolYcrYstallineZnSfilmsareconsistedoffccZnSnanoparticles.TheZnSparticlesgraduallYenlargeWiththesubstratetemperatureincreasingfrom50to400C.ThepreferredorientationchangesandtheparticleshaVeapparentupspringorientation.ThestressofZnSfilmsgraduallYreleasesWiththesubstratetemperatureincreasing.Itbecomessmallerandbetter-distributedontherangeofselectedareaasthesubstratetemperatureincreasesfrom250to350C.Keywords:znsfilms;substratetemperature;microstructure;stress

衬底温度对ZnS薄膜微结构和应力的影响

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

江锡顺， 曹春斌， 蔡琪， 宋学萍， 孙兆奇， JIANG Xi-shun， CAO Chun-bin， CAI Qi，SONG Xue-ping， SUN Zhao-qi

安徽大学,物理与材料科学学院,安徽,合肥,230039功能材料

JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS2006,37(7)1次

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本文链接：/Periodical_gncl200607033.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g2l1.html