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cvd金刚石zno薄膜的制备及性能研究 1 zno/金刚石厚膜沉积的必要性 zno是新一代宽敏带多功能导电材料，具有优异的光学、能耗和电压性。主要应用于照明设备、低破坏光波、太阳能电池、声表面波器等领域。随着移动通信行业的迅猛发展,ZnO薄膜式声表面波低损、高频滤波器以其体积小、可集成化、滤波频率高等突出特性,已经成为未来第三代通信所关注的焦点。工作频率超过1 GHz的表面声学波滤波器在今后高频无线电通讯中具有极其广泛的需求。但是工作频率超过2.5 GHz的表面声学波滤波器,对叉指换能器电极宽度的要求将达到传统光刻技术的极限。为了提高工作频率,表面声学波滤波器的相速度迫切需要进一步增加,可以通过将ZnO沉积在高相速度的衬底上来实现。金刚石虽然不具备压电特性,但具有自然界中最高的弹性刚度常数,声速能高达11 000 m·s-1。因此在金刚石材料上沉积ZnO薄膜,声表面波可以耦合于金刚石表面,可以借助这种ZnO/金刚石结构来获得高声速,从而得到高频的表面声学波滤波器。 对于低损、高频的表面声学波滤波器,高标准的要求表现在机电耦合系数、频率温度系数和传输衰减上,这些都受ZnO材料性质的影响。由此可见,高质量的ZnO薄膜是器件制备的基础。目前有研究结果表明,以ZnO/金刚石/Si结构为基体的表面声学波滤波器可以实现提高工作频率的目的,其中应用的金刚石大部分是用CVD方法制备的非自持的厚10～100 μm的金刚石薄膜。这种非自持金刚石薄膜大部分以硅基底为依托,很难充分发挥金刚石高热传导性能,所以这种结构的声表面波滤波器的高功率时间耐久性仍然是值得注意的问题。而ZnO/自持金刚石厚膜结构不仅可以充分利用金刚石的最高表面声学波波速,实现提高工作频率的目的,又可以充分利用金刚石的最高热导率,解决声表面波滤波器的功率持久性问题。因此,为了获得高质量的声表面波滤波器,在自持金刚石厚膜上沉积ZnO薄膜是一个新的选择。 本文利用超高真空磁控溅射设备在自持金刚石厚膜上沉积了ZnO薄膜,并利用X射线衍射(XRD)、光致发光(PL)光谱、电子探针和霍尔系数等对样品进行了检测。 2 zno薄膜的制备 本文所使用的基片是通过热阴极直流辉光放电等离子体化学气相沉积(HC-PCVD)制备的厚度为0.5～0.8 mm的自持金刚石厚膜。这种金刚石厚膜具有高的沉积速率(20 μm/h),大的沉积面积(Φ80 mm),以及高的热导率(15 W/K·cm)。由于这种金刚石厚膜生长面的粗糙度很高,又由于金刚石超硬耐磨的特性,要对生长面进行研磨抛光非常困难,所以选择较光洁的成核面作为其沉积ZnO的衬底表面,这样可以明显降低机械抛光的难度,而且能充分利用金刚石的各种优异性能。制备之前做了以下预处理。首先,由于沉积ZnO薄膜对衬底表面高平整度的要求,所以对金刚石厚膜的成核面进行了机械抛光;然后,为了去除表面可能存在的油渍,依次用甲苯、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗各5 min;接着,由于金刚石厚膜是在钼衬底上生长的,并且生长温度较高(800～1 000 ℃),生长时间较长,所以背面可能形成了一层薄的金属碳化物(主要成分是碳化钼和碳化二钼),于是在恒温160 ℃下对金刚石厚膜用V(H2SO4)∶V(H3PO4)=3∶1的混合液腐蚀15 min;最后,用去离子水冲洗干净,经氮气吹干后送入反应室。 本实验利用JGPG-450型超高真空磁控溅射设备制备ZnO 薄膜,磁控溅射靶是直径为60 mm的金属锌靶,纯度优于99.99%。基片与溅射靶的间距为70 mm,射频溅射功率为80 W,衬底温度为750 ℃,沉积时间2.5 h,沉积的薄膜厚度约为500 nm。在薄膜制备过程中,本底真空约为10-4Pa,工作气压为0.5 Pa,基片台以4.8°/s转速自转以保证沉积薄膜的均匀性。反应溅射的气体为纯度优于99.99%的Ar和O2混合气体, O2和Ar的表观流量分别为15/20,19/20,25/20(sccm),所生成样品分别记为a, b和c。 薄膜的结晶特性研究主要采用D/Max-2400型XRD分析仪,X射线源为Cu 辐射(波长λ=0.154 056 nm)。光致发光光谱测量是在室温下完成的,采用He-Cd激光器作为激发源,激光波长为325 nm, 发光光谱测量波长范围为300～700 nm。此外,利用霍尔测量系统研究薄膜的电学性能。还利用电子探针(EPMA-1600)对薄膜成分进行了分析。 3 结果与讨论 3.1 氧流量对zno薄膜结晶特征的影响 图1给出了O2/Ar值为0.75条件下生长ZnO薄膜的XRD图谱,由图可知, 最强的两个峰是金刚石(111)衍射峰和(220)衍射峰,然后就是ZnO薄膜的(0002)衍射峰。这一结果表明,ZnO薄膜在垂直衬底表面的方向上呈c轴取向。为了进一步揭示氧流