RF magnetron-sputtered ZnO thin films: On the evolution of microstructure and residual stresses

Abstract

Bu çalışmada, mikro-yapı ve artık gerilme arasındaki ilişkileri incelemek üzere, ZnO ince filmler (200-500 nm), cam, Si(100), ve mika altlıklar üzerine kaplanmıştır. Altlık sıcaklığı, hazne basıncı ve RF kaynağı gücü sırasıyla oda sıcaklığı-200 °C, 0.009-0.4 mbar ve 100-125 W arasında değiştirilmiştir.X-ışını kırınımı ile ölçülen gerinim ve eşeksenli gerilme modeli filmlerde basma yönünde -2 ile -8 GPa arasında artık gerilme olduğunu göstermiştir. Bu gerilmelerin yüzde 5-11'i ısıl genleşme katsayısı uyuşmazlığından kaynaklanmış, artık gerilmenin çoğunu ise büyüme gerilmeleri oluşturmuştur.Filmler (002) yönünde kuvvetli tercihli yönlenmeyle büyümüş, bazı kaplama koşullarında ek olarak (101) yönlenmesine rastlanmıştır. Film ile altlık ara yüzey yapısı tercihli yönlenmeyi ve artık gerilmeyi etkilemiştir.Literatürde daha önce sunulmuş olan yapı-bölgesi modelleri ile olan farklılıklar ile bu modellerin içermediği basınç aralıklarındaki mikro-yapı incelenmiştir. Filmlerdeki mikro-yapının ve buna bağlı artık gerilmenin oluşumunu açıklamak üzere çeşitli mekanizmalar öne sürülmüştür.Isıl tavlama ve yaşlandırma filmlerdeki büyüme gerilmelerini gidermiştir. Isıl tavlama sonucu oluşan gözenek büyümesi filmlerde çatlaklara sebep olmuştur. Bu nedenle ısıl tavlama gerilme giderilmesinde dikkatle uygulanmalıdır.Isıl tavlama sonucu bazı filmlerin yüzeylerinde yaklaşık 100 nanometre genişliğe ve 1 mikrometre yüksekliğe kadar nano-çubuk büyümesi gözlenmiştir. Bu davranış, gerilmeye bağlı tercihli yönlenmiş difüzyon ile açıklanmıştır.

Thin ZnO films (200-500 nm) were deposited onto glass, mica, and Si(100) substrates, to study the relations between microstructure and residual stresses. The ranges for the substrate temperature, chamber pressure, and RF power were room temperature-200 °C, 0.009-0.4 mbar, and 100-125 W, respectively.The strain measurements by x-ray diffraction and the biaxial stress model showed that the fims were under residual compressive stresses from -2 to -8 GPa. 5-11 percent of those stresses were induced by the thermal expansion coefficient mismatch, while the so-caled growth stresses formed the majority.The films were strongly textured along the (002)-direction with additional (101)-texture under specific conditions. The texture of the fılm-substrate interface played a significant role in the average film texture and the residual stress.Variations from the previously developed structure zone models (SZM) and the microstructures in the pressure ranges beyond those SZMs were investigated by scanning electron microscopy. Several mechanisms of microstructure evolution and consequent stress developmentwereproposed.Thermal annealing and aging removed the growth stresses and improved the texture. Annealing caused pore clustering and crack formation. Thus, annealing should be treated with caution when used as a method for stress relaxation. Buffer ayer deposition and in-chamber heat treatment were proposed as alternatives to post-deposition annealing.Annealing ed to structures on the ZnO film surface up to 100 nanometers in width and 1 micrometer in height. This was attributed to the stress-induced directiona diffusion.