基于气敏元件的ZnO薄膜的RF制备及表征

摘 要：本文用磁控溅射的方法在片上沉积薄膜，探讨了衬底温度、氧氩比和退火处理和薄膜的结晶速率、结晶质量和电阻率的关系，为沉积符合气敏元件的敏感薄膜提供研究参考。

关键词：薄膜；磁控溅射；气敏元件；电阻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.041

1 引言

作为新型宽带半导体材料，具有很好的光电、压电、气敏、压敏特性以及很高的化学稳定性与热稳定性，又因其原材料来源丰富、价格低廉和无毒等特点，被广泛应用在表面波器件、太阳能电池和气敏传感器等诸多领域[1-3]。当前，大气污染在全国各地的情况越来越严峻，人们对此事也越来越关注，从而更加快了半导体气敏材料的研究进程。作为气敏材料，是依靠吸附气体前后电阻发生较大的变化来识别气体的[4]。它对还原性和氧化性气体都具有敏感性，可应用在探测、和液化石油气来避免泄露，探测进行环境污染监测，作为酒精探测器控制酒后驾驶等方面。

制备薄膜的方法有很多，如磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、溶胶凝胶法、电子束蒸发等，但因磁控溅射方法具有沉积速率高、成膜均匀致密、便于大面积制备等优点，因而被广泛应用[5]。本文主要探讨了在磁控溅射薄膜的过程当中，衬底温度、氧氩比、退火处理和结晶速率、结晶质量和电阻率的关系。

2 实验方法

利用溅射仪器和的靶材在片上沉积薄膜。选择在不同的制备参数下进行，具体为衬底温度为常温和，和，和的空气中退火。薄膜的厚度、结晶状况、表面形貌和电阻率分别用台阶仪、射线衍射仪、原子力显微镜和四探针测量仪进行测量。

3 结果与讨论

3.1 薄膜的结晶速率分析

实验对在不同溅射参数下沉积的薄膜进行厚度测量，归纳出了薄膜的结晶速率数据，具体见表1。由样本1和样本3的数据可知，随着氧氩比的比例增大，薄膜的结晶速率加强。这可能是因为氩分压的增大使得氩离子的能量增大，从而被溅射出来的有效粒子的能量也相应增大，所以加快了薄膜的生长速度。由样本2和样本3的结果可知，衬底温度的升高减慢了薄膜的结晶速度，这是因为较高的衬底温度增大了氧离子的能量，从而破坏了薄膜的生长环境，因此结晶速率下降。

3.2 薄膜的结晶质量分析

图1是常温时，以和的条件沉积薄膜的图。从图中可以发现，薄膜峰的相对强度因为氧氩比的增大而变低，峰的相对强度因为氧氩比的增大而变高。这多是因为氧氩比的增大削弱了一些氧的电离能力，使粒子在基底表面的活动能量较弱，难以在基底表面进行大范围的分散和迁移，从而很难生长成晶粒致密的薄膜。同时氧分压的降低有利于沉积过程中薄膜缺陷的形成，进而破坏了薄膜的结构。

图2是常温时，以ψ（Ar ： O2）=24：6和24：3的条件沉积薄膜的图。它们的分别是6.50nm和7.85nm，这可能是由于氧氩比过大（即氧分压过小）不利于结晶，从而降低了薄膜的结晶质量，结论与上述的结果分析一致。

3.3 薄膜的电阻率分析

实验中将表1中的几个薄膜样本进行了电阻率测试，并将其在不同温度下退火30min，结果见表2。由样本2和样本3的结果发现，薄膜会因为溅射时衬底温度低而得到较小的电阻率，如300℃下制备的样品2在未退火前的电阻率太大以至于测量不出来，而常温下制备的样品3未退火前的电阻率达到10-3数量级。这是因为衬底温度的升高促进了薄膜对氧离子的吸附，从而增大了薄膜的电阻率。

再由样本1和样本3的数据可知，薄膜的电阻率随着氧氩比的增大而降低。在时，磁控溅射法形成的薄膜，其电阻率能低至6.58*10-3Ω.cm，并且在的空气中退火分钟后，其电阻率为68.60Ω.cm，变化相当明显。这是由于在空气气氛中对薄膜进行热处理，促进了薄膜表面对氧气的大量吸附，从而增大了电阻率，这为在气敏元件领域的应用奠定了良好的研究基础。

注：表格中“——”代表电阻太大，超过仪器测量范围。

4 结论

本文阐述了技术沉积薄膜时，各溅射参数和薄膜性能之间的关系。结果表明，薄膜的结晶速率因为衬底温度的升高而变小，因为氧氩比的比例增大而变大。氧氩比过大使薄膜的结晶质量降低，但在氧氩比为条件下制备的薄膜，其电阻率更符合气敏材料的要求。通过在空气中对薄膜进行热处理，可增加薄膜的氧空位，改善薄膜的择优取向性和表面平整度，并将电阻率增大几个数量级。这种退火处理的方法不仅降低了薄膜的制备成本，还将其电阻率改善到更适宜作气体传感器的敏感物质行列中。

参考文献：

[1]刘志文，付伟佳，刘明等.磁控溅射ZnO薄膜的退火热力学行为研究[J].电子显微学报，2007，26（06）：541-547.

[2]Yu J，Huang B，Qin X，et al.Hydrothermal synthesis and characterization of ZnO films with different nanostructures[J].Applied Surface Science，2011，257（13）：5563-5565.

[3]Ameen S，Akhtar M S，Kim Y S，et al.An effective nanocomposite of polyaniline and ZnO： preparation，characterizations，and its photocatalytic activity[J].Colloid & Polymer Science，2011，289（04）：415-421.

[4]王曉冬.MEMS低功耗氧化锌气体传感器的设计[J].电子制作， 2014（13）：1-2.

[5]宋学萍，周旭，孙兆奇.射频磁控溅射ZnO薄膜的结构和应力特性[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2007，30（09）：1117-1120.

作者简介：李超（1989-），女，天津人，硕士研究生，助教，研究方向：传感器、计算机应用。