磁控溅射ZnO薄膜的成核机制及表面形貌演化动力学研究

摘要

利用原子力显微镜分析了ZnO薄膜在具有本征氧化层的Si(100)和Si(111)基片上的表面形貌随沉积时间的演化. 通过对薄膜生长形貌的动力学标度表征,研究了射频反应磁控溅射条件下,ZnO薄膜的成核过程及生长动力学行为. 研究发现,ZnO在基片表面的成核过程可分为初期成核阶段、低速率成核阶段和二次成核阶段.对于Si(100)基片,三个成核阶段的生长指数分别为1=1.04,2=0.250.01,3=0.74;对于Si(111)基片,1=0.51,2=0.08±0.02,3=0.63. 在初期成核阶段,ZnO薄膜的成核密度可能与Si基片表面的本征缺陷有关,薄膜的生长过程除扩散效应影响以外,还可能存在着比较强的晶粒择优生长和晶格错配应力粗化机制.在低速率成核阶段,薄膜的生长行为主要受沉积速率所支配,而扩散效应的影响相对弱化,错配应力得以进一步释放.在二次成核阶段,载能粒子对基片表面的轰击是导致ZnO薄膜再次成核的重要原因,同时阴影效应也可能对薄膜的生长有一定的影响.在薄膜生长后期的稳定生长阶段,薄膜的表面粗糙度明显降低,具有典型的柱状晶生长特征.