CN101285164A - 透明导电薄膜制备所用的靶材及导电薄膜和电极制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明导电薄膜制备所用的靶材，靶材为AZO陶瓷，其中Al元素的含量在1at％－10at％，其他组分为ZnO。本发明同时公开透明导电薄膜的制造方法以及透明导电电极的制造方法。本发明通过利用资源丰富的Al和Zn代替资源稀缺高价格的In和Sn，制备二元陶瓷靶材，并利用磁控溅射或电子束蒸发AZO靶材的方法在基体上沉积薄膜，经过光刻和刻蚀作为FPD透明导电电极，能够降低成本，得到具有低的电阻率和优良的可见光透过率、以及抗等离子体的还原作用的透明导电薄膜和透明导电电极。

Description

透明导电薄膜制备所用的靶材及导电薄膜和电极制造方法

技术领域

本发明涉及透明导电薄膜制备所用的靶材，以及利用该靶材制作透明导电薄膜和透明电极的方法，特别是涉及含有薄膜晶体管液晶显示器(TFT LCD)的透明导电薄膜制备所用的靶材，以及利用该靶材制作透明导电薄膜和电极的方法。

背景技术

透明导电膜(transparent conductive oxide，简称TCO)是所有透明导电材料中应用最为广泛的一类。由于这种材料制备的薄膜不仅在可见光区有着很高的透过率，在红外和近红外区的反射率很高，而且薄膜的电阻率也很低。因此既可以用作平面显示(FPD)和太阳能用的平面电极材料，也用作节能方面，如建筑玻璃表面等，还可以用于汽车玻璃和微波炉。在这一类材料中目前应用最为广泛的是氧化铟锡(Indium Tin Oxide，简称ITO)。但是作为其主要成份之一的金属铟是稀有金属，在地壳中的含量只有，而且只能是以共生的方式存在于Pb和Zn矿中，而且其冶炼会造成环境的污染。近年由于平面显示器和太阳能电池的发展，特别是2000年以来全球TFT LCD面板生产的增速使得铟的用量急遽增加，其价格飞速飙升，从2001年的40-50$/kg增加至今年的1050-1070$/kg。由于铟矿属于稀有资源，大量的消耗必然导致枯竭。因此从节约资源保护环境的角度出发有必要开发出ITO的替代品。

发明内容

本发明的目的就是提供廉价的AZO陶瓷靶材来取代ITO陶瓷靶材，并利用该陶瓷靶材制备透明导电薄膜。本发明的另外一个目的就是提供制备一种制备透明和导电薄膜电极的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种透明导电薄膜制备所用的靶材，其中所述靶材为AZO陶瓷。

上述方案中，所述靶材中Al元素的含量在1at％-10at％，其他组分为ZnO。

为了实现上述目的，本发明同时提供一种透明导电薄膜的制造方法，包括：磁控溅射AZO靶材，在玻璃基板或其他介质等基体上沉积得到透明导薄膜，且磁控溅射时控制溅射室O2的体积含量为0-5％；Ar的压力0.35-0.45Pa；以及溅射功率为40-120W；真空度为0.35-0.45Pa。

为了实现上述目的，本发明同时提供另一种透明导电薄膜的制造方法，包括：电子束蒸发AZO靶材的，在玻璃基板或其他介质等基体上沉积得到透明导薄膜。

为了实现上述目的，本发明同时还提供一种透明导电电极的制造方法，包括：首先采用磁控溅射或电子束蒸发AZO靶材，在玻璃基板或其他介质上等基体上沉积得到透明导薄膜，接着就经过掩模板掩模并光刻成图形，再经过刻蚀形成电极形状。

本发明相对于现有技术，其创新点就在于用资源丰富的Al和Zn代替资源稀缺高价格的In和Sn，制备二元陶瓷靶材，用磁控溅射的方法在玻璃基板或其他基体上沉积薄膜，经过光刻和刻蚀作为FPD透明导电电极，如用来替代ITO电极。替代的结果是不仅具有低的电阻率和优良的可见光透过率，以及抗等离子体的还原作用。

本发明中作为半导体器件要求的AZO薄膜是由磁控溅射的方法沉积的，这是由于该方法保证了沉积过程的低温和高速特点，另外在大面积上沉积薄膜的均匀性好也是其一大特点。

本发明采取利用AZO靶材替代ITO靶材，用磁控溅射的方法在大面积的玻璃衬底上进行薄膜沉积。该薄膜具有如下特点：在可见光区透过率高；电阻率低；抗等离子还原；腐蚀速度快，易于刻蚀干净，不留残渣；用弱酸性刻蚀液，对于设备腐蚀小，延长其寿命。

下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明基片温度为150℃时制备AZO薄膜的X衍射图；

图2是本发明掺不同氧时AZO薄膜的透过率光谱图；

图3是本发明氧分压对AZO薄膜平均透过率的影响示意图；

图4是本发明不同工作气体压力(0.3-0.45Pa)时薄膜的透过率示意图；

图5是本发明工作气体的压力对于薄膜透过率的影响示意图；

图6是本发明不同的溅射功率时AZO薄膜的透过率光谱示意图；

图7是本发明溅射功率对于AZO薄膜透过率的影响示意图；

图8是本发明氧含量对薄膜电阻率的影响示意图；

图9是本发明工作压强对薄膜电阻率的影响示意图。

具体实施方式

本发明提供一种制作透明导电薄膜的新的靶材，具体为用AZO靶材，该靶材中AL的含量为1at％-10at％。

纯氧化锌薄膜是本征半导体，AZO薄膜就是在ZnO薄膜中掺入浅能级杂质第三主族元素Al，Al3+的能级位于半导体禁带，且靠近导带底。由于Al的原子半径与格点的Zn原子半径相近，它将占据晶格格点，与周围元素形成共价键。由于Al的价电子比Zn多一个，出现了弱束缚的电子，这个多余的电子只需要很少一点能量(即Al原子的电离能)就可以摆脱束缚成为在ZnO薄膜中作共有化运动的自由电子，也就是成为导带中的电子。由于掺铝ZnO薄膜导电的非平衡载流子主要是电子，所以氧化锌铝薄膜是一种N型半导体，可以用半导体的相关理论来解释它的相关性质。

AZO薄膜之所以透明，是因为它的禁带宽度达到3.4eV，也就是本征吸收限为360nm，处于紫外区，对于可见光部分，由于吸收系数的下降，使大部分可见光的能量可以透射过去，只有小部分能量被吸收和反射，因此薄膜具有透明性。AZO薄膜中的导电电子是由Al3+对Zn2+的替换和氧缺位共同提供的，这使得薄膜具有导电性能。透明导电ZnO:Al(AZO)薄膜中的ZnO价格便宜，来源丰富，无毒，并且在氢等离子体中稳定性要优于ITO(氧化铟锡)，同时具有可同ITO相比拟的光电特性。

如果材料要具备导电性，材料内部必须有携带电荷的载流子与可供载流子高速移动的路径。对于氧化锌铝薄膜来说，锌原子和氧原子结合时，锌原子倾向于失去电子成为Zn2+，在一部分Zn2+中，其s轨域会作等向性的扩展，当Zn2+互相接近时，它们的s轨域重叠，便可形成传导路径；影响导电性的另一个因素是载流子的生成及其浓度，室温的热能量约为30meV，而氧化锌铝的能隙为3.4eV，因此载流子在室温不会热激发，氧化锌铝薄膜中的载流子主要来源于Al对Zn的取代以及氧空位，如下式(用V表示空位)：

Zn2++Al→Zn+Al3++e

O2-→V+1/2O2↑+2e

因此，Al的掺杂使氧化锌铝薄膜具有了导电性。

综上所述，本发明采取利用AZO靶材替代ITO靶材，制作得AZO薄膜具有良好的透过率和低电阻率等特性，满足薄膜晶体管液晶显示器的要求。此外，AZO薄膜还具有抗等离子还原；腐蚀速度快，易于刻蚀干净，不留残渣；用弱酸性刻蚀液，对于设备腐蚀小，延长其寿命等优良特性。

本发明提供的透明导电薄膜制作方法是采用磁控溅射AZO靶材的方法在玻璃基板或其他介质上沉积透明导薄膜。具体为在用O₂的含量1-4％和工作气体Ar的压力0.3-0.45Pa以及溅射室的溅射功率120W的条件下磁控溅射AZO靶材，在玻璃基板或其他介质上沉积得到透明导电薄膜。

下面结合具体实施例进一步进行详细说明。

实施例一

在0.63mm厚的玻璃上，用直流磁控溅射AZO陶瓷靶材的方法沉积600nm厚的Al合金薄膜。陶瓷靶材制备过程中控制合Al元素的含量在1at％-10at％，并且控制O2的含量和工作气体Ar的压力以及功率等。制备的薄膜在室温用4点法测量其电阻率。接着再用分光光度计测量其透光率。试验结果如图1-图9。

图1是基片温度为150℃时制备AZO薄膜的X衍射图。从图1中可以看出其结构和ZnO的一致，虽然有Al掺杂，但是基本结构没有改变。

图2是掺不同氧时AZO薄膜的透过率光谱图。从图2中可以看到对于工作气体中O2的含量从0-4％的范围，在可见光区域透过率基本达到80％。

图3是氧分压对AZO薄膜平均透过率的影响示意图。从图3中可以发现工作气体中O2含量超过3％后，薄膜透过率基本保持不变。

图4是本发明不同工作气体压力(0.3-0.45Pa)时薄膜的透过率示意图；图5是本发明工作气体的压力对于薄膜透过率的影响示意图。从图4和图5可以看出工作气体的压力对于薄膜透过率的影响不大。

图6是本发明不同的溅射功率时AZO薄膜的透过率光谱示意图；图7是溅射功率对于AZO薄膜透过率的影响示意图。从图6和图7中可以看出随溅射功率的增加透过率递减。

图8是氧含量对薄膜电阻率的影响示意图。从图8中可以看出随O2含量的增加薄膜的电阻率增加。

图9是工作压强对薄膜电阻率的影响示意图。从图9中可以看出随压力的增加电阻率先减小，接着增加，在0.35Pa的时候电阻率达到最低值。

从上述图中可以看出，电阻率随功率的增加而增加，随O2含量的增加电阻率增加，在可见光区的透过率随功率的增加而减小，随工作气体Ar的压力先增加再减小，随O2含量的增加而增加，但是O2含量超过一定的值就达到饱和。

实施例二

采用电子束蒸发AZO靶材的，在玻璃基板或其他介质上沉积得到透明导薄膜。

实施例三

如果制备FPD透明导电极，首先在玻璃基板上采用磁控溅射的方法沉AZO薄膜，接着就经过掩模板掩模并光刻成图形，再经过刻蚀成为电极。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，按照需要可使用不同材料和设备实现之，如，利用上述靶材制作各种透明导电薄膜，再通过掩模和光刻得到各种透明导电连接线。即可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1、 一种透明导电薄膜制备所用的靶材，其特征在于：所述靶材为AZO陶瓷。

2、 根据权利要求1所述的靶材，其特征在于：所述靶材中Al元素的含量在1at％-10at％，其他组分为ZnO。

3、 一种透明导电薄膜的制造方法，其特征在于，包括：磁控溅射AZO靶材，在基体上沉积得到透明导薄膜。

4、 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：所述磁控溅射时控制溅射室02的含量为0-5％。

5、 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述磁控溅射时控制溅射室工作气体Ar的压力为0.35-0.45Pa。

6、 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述磁控溅射时控制溅射室的溅射功率为40-120W。

7、 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述磁控溅射时控制溅射室的真空度为0.35-0.45Pa。

8、 一种透明导电薄膜的制造方法，其特征在于，包括：电子束蒸发AZO靶材的，在基体上沉积得到透明导薄膜。

9、 一种透明导电电极的制造方法，其特征在于，包括：首先采用磁控溅射或电子束蒸发AZO靶材，在基体上沉积得到透明导薄膜，接着就经过掩模板掩模并光刻成图形，再经过刻蚀形成电极形状。

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