Структура и морфология пленок оксида цинка, полученных реактивным магнетронным напылением

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 2. С. 75-79.

УДК 538.975

В.Н. Зима, А.Г. Козлов, Т.Н. Танская, \В.И. Блинов,\ И.А. Лобов

СТРУКТУРА И МОРФОЛОГИЯ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА, ПОЛУЧЕННЫХ РЕАКТИВНЫМ МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ

Рассмотрены пьезоэлектрические пленки оксида цинка, полученные методом реактивного магнетронного напыления. Исследовано влияние условий получения пленок оксида цинка на морфологию поверхности пленок и их кристаллографическую ориентацию. Определена плотность распределения высоты неровностей поверхности пленок оксида цинка. Получены дифрактограммы пленок оксида цинка и определена кристаллографическая ориентация оси-С кристаллитов.

Ключевые слова: пьезоэлектрическая пленка, оксид цинка, магнетронное напыление, рентгеноструктурный анализ, атомно-силовая микроскопия.

Оксид цинка является полупроводниковым материалом, который привлекает внимание многих ученых и исследователей своими уникальными электрофизическими и пьезоэлектрическими свойствами (высокоомный полупроводник п-типа с большой шириной запрещенной зоны;

2

большая величина коэффициента электромеханической связи = 1 %).

Благодаря этим свойствам, пленки оксида цинка широко применяются при создании оптико-электронных устройств (солнечные батареи, фотодиоды, жидкокристаллические дисплеи), пьезоэлектрических датчиков, газовых сенсоров и в спинтронике [1]. Особенно перспективно использование пленок оксида цинка в качестве пьезоэлектрических слоев в устройствах на основе поверхностных (ПАВ) и объемных (ОАВ) акустических волн (резонаторы, фильтры и др.) для генерации и селекции высокочастотных сигналов [2-6]. Это обусловлено в первую очередь большой величиной к? и технологичностью получения пленок оксида цинка. Данные

пленки могут быть получены следующими методами: реактивным магне-тронным распылением [7], спрей-пиролизом [8], окислением цинка [9], электроосаждением [10], импульсным лазерным осаждением [11], МООУО и плазмохимическим осаждением из газовой фазы [12-14], золь-гель методом [15; 16].

Основным требованием для получения качественных пленок ZnO является обеспечение высокой точности напыления толщины пленок оксида цинка, низкого значения высоты неровностей поверхности пленки и требуемой кристаллографической ориентации. Эти параметры определяют частотные характеристики резонатора на их основе. Для СВЧ-устройств важно отсутствие рассеяния акустической волны на неровности поверхности (когда длина акустической волны (Л) соизмерима с высотой неровностей поверхности). Однако при получении пленок ZnO, используемых в качестве пьезоэлектрических слоев, выполнению требований по толщине, высоте неровностей поверхности пленок и их кристаллографической ориентации уделяется недостаточное внимание.

Целью данной работы является исследование влияния условий получения пленок оксида цинка на высоту неровностей их поверхности и кристаллографическую ориентацию данных пленок.

Пленки оксида цинка получали магнетронным распылением цинковой мишени на постоянном токе в среде аргона и кислорода при суммарном давлении (02+Лг) ~ 2,67-10-1 Па.

© В.Н. Зима, А.Г. Козлов, Т.Н. Танская, В.И. Блинов, И.А. Лобов, 2013

76

В.Н. Зима, А.Г. Козлов, Т.Н. Танская, В.И. Блинов, И.А. Лобов

Параметры процесса напыления:

- размер мишени 160*70 мм;

- расстояние от мишени до подложки ~ 70 мм (неподвижная подложка);

- напряжение на мишени 350-420 В;

- ток мишени 0,6 А.

Пленки 2пО напыляли на подложки из ситалла СТ-50-1-05, которые были предварительно химически очищены. Время напыления пленок составляло ~ 17-25 мин. Толщина пленки в процессе напыления контролировалась резонансным методом с использованием кварцевого свидетеля. В табл. 1 приведены параметры процесса напыления пленок оксида цинка и их характеристики. Из представленных данных видно, что при увеличении процентного содержания кислорода уменьшается скорость напыления пленки.

Т аблица 1 Параметры напыления пленок оксида цинка

со

.&

о

р

I

£

0 с со

1

со

8-

с

300

350

= S 1 § I £  § :с со © о

Г ^

с ° о о

0,2

0,63

§

iS

s

-Q

С

-

i

QQ

1525

1020

и

§

$

S

-Q

S

=С

О

I

0,45

0,36

1

I

§

-

5

=?

I

0,7

0,38

Морфология поверхности пленок оксида цинка исследована на атомно-силовом микроскопе Solver Pro. Полученные на основе результатов атомно-силовой микроскопии (АСМ) изображения пленок и гистограммы плотности распределения высоты неровностей их поверхности представлены на рис. 1-4.

Исследование АСМ-изображений пленок оксида цинка показало, что среднеарифметическое отклонение высоты неровностей поверхности пленок ZnO для образцов № 1 и 2 равно 3,04 нм и 3,18 нм соответственно. Среднеквадратичное отклонение высоты неровностей поверхности пленок для данных образцов составило 3,9 нм и 4,13 нм соответственно. Результаты исследований позволяют сделать вывод о влиянии температуры подложки при напылении на высоту неровностей пленки оксида цинка. Для получения качественных пленок оксида цинка с целью их использования в качестве пьезоэлектрических слоев необходимо понижать температуру подложки при напылении. Однако предварительные исследования показали, что с понижением температуры подложки ухудшаются пьезоэлектрические свойства пленок и кристаллографическая

ориентация. Наиболее качественные пленки 2пО формируются при температурах подложки > 573 К.

Рис. 1. АСМ-изображение поверхности пленки оксида цинка

неровностей поверхности пленки оксида цинка

Рис. 3. АСМ-изображение поверхности пленки оксида цинка

неровностей поверхности пленки оксида цинка

2

Структуру пленок ZnO исследовали методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре типа «ДРОН» с CuKa1 излучением. На рис. 5 и 6 представлены дифрак-тограммы образцов № 1 и 2. Для расшифровки дифрактограмм использовались данные JCPDS (Joint committee on power diffraction standards) для ZnO [17; 18]. В табл. 2 приведены результаты для двух образцов в сравнении с данными JCPDS.

20

Рис. 5. Дифрактограмма пленки оксида цинка

Таблица 2 Данные рентгеноструктурного анализа для пленок оксида цинка

Кристалло- графическая ориентация, т ZnO (JCPDS), 26° (6°- угол Брэгга) Пленки ZnO

образец № 1, 2в° образец № 2, 2в°

[002] 34.42° 34.26° 34.44°

[101] 36.25° 36.06° 36.38°

[110] 56.60° 56.70° 56.70°

[201] 69.09° 69.02° 69.07°

[004] 72.42° 71.98° 72.42°

Рис. 6. Дифрактограмма пленки оксида цинка

78 В.Н. Зима, А.Г. Козлов, Т.Н. Танская,

В. И. Блинов,

И.А. Лобов

Анализ дифрактограмм показал, что наиболее интенсивные пики наблюдаются, когда угол 20 = 34.26° (образец № 1) и 20 = 34.51° (образец № 2), что соответствует ориентации кристаллографической плоскости (002) параллельно поверхности пленки, и ось-С кристаллитов перпендикулярна поверхности подложки (таблица 2). Также наблюдаются пики, когда угол 20 = 71.98° (образец № 1) и 20 = 72.41° (образец № 2), что соответствует кристаллографической плоскости (004). Наличие плоскости (004) указывает на совершенство гексагональной структуры кристаллитов. Исследование интенсивности пиков показывает, что с увеличением температуры подложки при напылении пленки ZnO увеличиваются значения величины интенсивности пиков. Наличие интенсивного пика, соответствующего кристаллографической плоскости (002), и наличие пика, соответствующего кристаллографической плоскости (004), указывает на преимущественную ориентацию пленки ZnO с осью-С, перпендикулярной подложке (гексагональная структура).

Исследовано влияние температуры подложки на относительную интенсивность пика, соответствующего кристаллографической плоскости (002). Относительная интенсивность определялась следующим образом:

^ ~ 1(002)/( 1(002) + 1(101) + 1(110) + 1 (201) + 1(004)) ’

где 1(^1) - интенсивность пика, соответствующего кристаллографической плоскости (Ьк1). Относительная интенсивность пика, соответствующего кристаллографической плоскости (002), для образца № 1 равна 0.653, для образца № 2 - 0.838. Это подтверждает наше предположение о том, что с увеличением температуры подложки при напылении качество пленки ZnO улучшается. Результаты исследования интенсивности и относительной интенсивности полностью согласуются с результатами, полученными в работе [19]. С увеличением температуры подложки при напылении увеличивается значение величины интенсивности и значение относительной интенсивности пика, соответствующего кристаллографической

плоскости (002). Из результатов рентгеноструктурного анализа следует, что полученные пленки ZnO имеют гексагональную структуру и являются текстурированными, причем пленки оксида цинка, полученные при более высокой температуре подложки, являются более текстурированными.

Таким образом, при использовании пленок оксида цинка в качестве пьезоэлектрических слоев резонаторов необходимо учитывать влияние условий их получения на высоту неровностей поверхности пленок и их кристаллографическую ориентацию. Среднеквадратичное отклонение высоты неровностей поверхности больше у пленок,

полученных при более высокой температуре подложки. Однако эти пленки являются более текстурированными в кристаллографической плоскости (002) и, соответственно, более предпочтительными в качестве пьезоэлектрических слоев в резонаторах.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.0069 «Разработка научных основ послойного синтеза (метод 3D-прототипирования) и исследование фундаментальных физико-механических свойств оксидных наноматериалов конструкционного назначения с иерархической внутренней структурой и фазовыми превращениями».

ЛИТЕРАТУРА

[1] Raj R. T., Pajeevkumar K. Synthesis of ZnO nanostructures using domestic microwave oven based remote plasma deposition system // Nanoscience and nanotechnology. 2012. 2(3). P. 66-70.

[2] Yamazaki O., Mitsuyu T., Wasa K. ZnO Thin-Film SAW Devices // IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. 1983. V. 27. P. 369-378.

[3] Алексеев С. Г., Гуляев Ю. В., Котелян-ский И. М., Мансфельд Г. Д. Некоторые тенденции развития акустоэлектроники сверхвысоких частот // Успехи физических наук. 2005. Т. 175. № 8. С. 895-900.

[4] Погребняк А. Д., Мухаммед А. К. М., Иващенко М. Н., Опанасюк Н. Н., Суджанская И. В. Структурные исследования пленок оксида цинка и нитрида алюминия, полученных методами CVD и магнетронного распыления // Физическая инженерия поверхности. 2012. Т. 10. № 2.

С. 177-182.

[5] Мансфельд Г. Д., Попова Д. В., Алексеев С. Г., Ползикова Н. И. Анализ тонкопленочных Брэгговских структур и пьезоэлектрических СВЧ-резонаторов на их основе // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. № 11. С. 1387-1395.

[6] Jose S., Jansman A. B. M., Hueting R. J. E., Schmitz J. Optimized Reflector Stacks for Solidly Mounted Bulk Acoustic Wave Resonators // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 2010. V. 57. № 12. P. 27532763.

[7] Li Z., Gao W. ZnO Thin Films with DC and RF Reactive Sputtering // Materials Letters. 2004. V. 58. P. 1363-1370.

[8] Lee J. H., Yeo B. W, Park B. O. Effects of the Annealing Treatment on Electrical and Optical Properties of ZnO Transparent Conduction Films by Ultrasonic Spraying Pyrolysis // Thin Solid Films. 2004. V. 457. P. 333-337.

[9] Kashani H. Structural, electrical and optical properties of zinc oxide produced by oxidation of zinc thin films // Journal of Electronic Materials. 1998. V. 27. P. 876-882.

[10] Souletie P., Bethke S., Wessels B.W. Growth and characterization of heteroepitaxial ZnO thin films by organometallic chemical vapor deposition // Journal of Crystal Growth. 1990. V. 86. P. 248251.

[11] Petrov G. I., Shcheslavskiy V., Yakovlev V. V. Efficient third-harmonic generation in a thin

nanocrystalline film of ZnO // Applied Physics Letters. 2003. V. 83. P. 3993-3995.

[12] Zhang X. T, Liu Y. C, Zhang J. Y, Lu Y. M. Structure and photoluminescence of Mn-passivated nanocrystalline ZnO thin films // Journal of Crystal Growth. 2003. V. 254. P. 80-85.

[13] Sang B., Nagoya Y., Kushiya K., Yamase O. MOCVD-ZnO windows for 30 cmx30 cm CIGS-based modules // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2003. V. 75. P. 179-184.

[14] Li B. S., Liu Y. C., Zhi Z. Z., Shen D. Z., Lu Y. M. Effect of the growth temperature on ZnO thin films grown by plasma enhanced chemical vapor deposition // Thin Solid Films. 2002. V. 414. P. 170174.

[15] Znaidi L. Sol-gel-deposited ZnO thin films: A review // Materials Science and Engineering B. 2010. V. 174. P. 18-30.

[16] Znaidi L., Touam T., Vrel D. ZnO thin films synthesized by sol-gel process for photonic applications // Acta physica polonica A. 2012. V. 121. P. 165-168.

[17] Yamamoto T., Shiosaki T., Kawabata A. Characterization of ZnO piezoelectric films prepared by rf planar-magnetron sputtering // Journal of Applied Physics. 1980. V. 51. P. 3113-3120.

[18] Chubachi N, Minakata M., Kikuchi Y. Physical structure of DC diode sputtered ZnO films and its influence on the effective electromechanical coupling factors // Japan Journal Applied Physics. V. 13. 1974. P. 737-740

[19] Raoufi D., Raoufi T. The effect of heat treatment on the physical properties of sol-gel derived ZnO thin films // Applied Surface Science. 2009. V. 255. P. 5812-5817.