CN101985740A - 一种铝掺氧化锌透明导电薄膜的退火方法 - Google Patents

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曹永革
邓种华
黄常刚
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Abstract

本发明涉及铝掺氧化锌透明导电薄膜的退火方法。该方法采用在真空状态下或往退火炉内充入一定量的惰性气体(如氮气、氩气等)、还原性气体(氢气、甲烷等)或他们的混合气体对AZO透明导电膜进行退火处理。退火显著提高迁移率、载流子浓度，从而降低薄膜电阻率；退火后薄膜结晶得到改善，并保持良好的C轴择优取向结构。本发明可以实现在磁控溅射镀膜机中低温、快速生长AZO透明导电薄膜，再于退火炉中批量退火处理，提高AZO透明导电薄膜的性能，极大地提高了AZO透明导电薄膜的生产效率。

Description

一种铝掺氧化锌透明导电薄膜的退火方法
技术领域
本发明涉及一种铝掺杂氧化锌透明导电膜的退火方法，属于光电子功能材料技术领域。
技术背景
透明导电氧化物(transparent conductive oxide，简称TCO)在光电子技术领域中有着及其重要的应用。掺锡氧化铟(ITO)透明导电薄膜已经被人们深入研究并广泛应用于平板显示，太阳能电池和LED等领域。铝掺氧化锌(AZO)凭借更好的热稳定性和在氢等离子体中更加稳定等特性引起人们的广泛重视，是比ITO更加适合于薄膜太阳能电池的电极材料。另外，相对于ITO，AZO的最大优势是原料对环境友好，价格便宜。随着研究的深入，AZO有望在一些应用领域取代ITO。
已有的研究表明含氧气氛下退火能改善透明导电薄膜的结晶，降低薄膜表面粗糙度提高薄膜的透过率，但是极大地恶化了薄膜的导电性质；真空退火能改善薄膜的导电性质，并使薄膜表面粗糙度变大；氩气等惰性气氛下能改善AZO透明导电膜的结晶，降低薄膜的表面粗糙度，引入氢气退火可以显著改善薄膜的导电性。
目前，AZO相关的专利文献大都侧重于AZO靶材的制作，还没有关于退火处理的专利报道。本发明引入了退火工艺，在适当的温度范围内退火能够消除薄膜应力，改善结晶，能够提高AZO透明导电膜的光电性能。氢气处理有助于增加氧空穴浓度，从而提高载流子浓度，提高AZO透明导电膜的导电性。增加退火工艺可以实现在磁控溅射镀膜机中低温、快速成膜，再于退火炉中批量退火处理的工艺，极大地提高生产效率。
发明内容
通过磁控溅射镀膜机生长出的AZO透明导电膜放入退火炉进行真空退火或引入一定的气氛退火处理，以进一步提高AZO透明导电膜的光电性能。此方法可以实现低温快速成膜，并批量快速退火获得高质量的透明导电薄膜。
本发明所涉及的AZO透明导电膜的退火工艺为：该退火方法采用真空退火或气氛退火，退火气氛为惰性气体(氩气、氮气等)、还原性气体(氢气、甲烷等)及它们的混合气体，退火气压为10-4Pa～105Pa，退火温度为100℃～650℃，并根据不同加热方式和退火温度，退火时间为5s～25h。
本发明提出的退火工艺，能够显著提高AZO透明导电膜的迁移率、载流子浓度，从而降低薄膜电阻率。以下是一组退火前后AZO透明导电膜光电性能对比，详细实验方法将在实施例中进一步说明。
退火前AZO透明导电膜的光电性能为：电阻率为3.26×10-3Ω·cm，方阻为162.86Ω/□，迁移率为1.86cm2V-1S-1，载流子浓度为1.04×1021/cm3，在400～1000nm波长范围内平均透过率大于80％；经过优化退火工艺退火后薄膜的光电性能为：电阻率为5.94×10-4Ω·cm，方阻为29.70Ω/□，迁移率为5.61cm2V-1S-1，载流子浓度为1.88×1021/cm3，在400～1000nm波长范围内平均透过率大于80％。
下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。
附图说明
图1退火前、后的XRD图
图2退火后的透过谱图。
图3退火前、后AZO透明导电膜的AFM表面形貌图。
具体实施方式
实施例1：共溅法低温、高速沉积退火用AZO透明导电薄膜
石英衬底经丙酮、酒精超声清洗后放入磁控溅射镀膜机进行反溅射清洗。溅射用氧化锌陶瓷靶纯度为99.9％，氧化铝靶纯度为99.9％，相对密度均大于90％。将靶材分别安装于相互对立的两个靶枪中，抽真空至真空室本底真空度高于2.0×10-4Pa。衬底温度保持在200℃，往真空室内通入20sccm氩气(sccm表示标准毫升每分钟)，调节真空室压强为0.15Pa，氧化锌靶对应的射频电源功率调节为100W，氧化铝靶对应的射频电源功率调节为75W，样品转动速率为6转/分，在正式沉积薄膜之前靶材先预溅射20min。按照上述工艺条件制备厚度为200nm的AZO透明导电膜。经测试表明该AZO透明导电膜中铝含量与铝含量和锌含量之和的质量比[WAl/(WAl+WZn)]≈2％，其晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为3.26×10-3Ω·cm，方阻为162.86Ω/□，迁移率为1.86cm2V-1S-1，载流子浓度为1.04×1021/cm3，在400～1000nm波长范围内平均透过率大于80％，表面粗糙度为5.1nm。
实施例2：
将实施例1沉积好的样品放入退火炉中，开机械泵抽真空至0.5Pa，30min后关闭机械泵，通入200sccm氮气至微正压，升温至300℃，关闭氮气并通入氢气，退火10min后关闭氢气，改通氮气降温。经测试表明该AZO透明导电膜中铝含量与铝含量和锌含量之和的质量比[WAl/(WAl+WZn)]≈2％，其晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为5.94×10-4Ω·cm，方块电阻为29.71Ω/□，载流子浓度为1.88×1021/cm3，迁移率为5.61cm2V-1S-1，在400～1000nm波长范围内平均透过率大于80％，表面粗糙度为2.7nm。
实施例3：
将实施例1沉积好的样品放入退火炉中，开机械泵抽真空至0.5Pa，通入300sccm氩气至微正压，升温至200℃保温30min后，改通入100sccmH2和200sccmN2的混合气体，退火20min后关闭氢气，改通氩气降温。经测试表明该AZO透明导电膜晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为4.30×10-4Ω·cm，方块电阻为21.52Ω/□，载流子浓度为1.22×1021/cm3，迁移率为12.83cm2V-1S-1，在400～1000nm波长范围内平均透过率大于80％，表面粗糙度为2.1nm。
实施例4：
实施例1沉积好的样品直接在磁控溅射镀膜机中真空退火，退火温度500℃，真空度4×10-4Pa，退火60min。经测试表明该AZO透明导电膜晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为9.01×10-4Ω·cm，方块电阻为45.03Ω/□，在400～1000nm波长范围内平均透过率大于80％。

Claims (4)

1.一种铝掺氧化锌透明导电薄膜的退火方法，其特征在于：沉积好的AZO透明导电薄膜置于退火炉中在真空或一定的气氛、温度、时间下退火。
2.权利要求1所述的铝掺氧化锌透明导电薄膜的退火方法，其特征在于：所使用的退火炉能够实现真空退火、常用或正压退火；退火炉的加热方式可以为电阻加热、激光加热、微波加热、中高频加热、电火花或电弧加热等加热方式，以达到所需的退火温度
3.权利要求1所述的铝掺氧化锌透明导电薄膜的退火方法，其特征在于：该退火方法采用真空退火或气氛退火，退火气氛为惰性气体、还原性气体及它们的混合气体，退火气压为10-4Pa～105Pa。
4.权利要求1所述的铝掺氧化锌透明导电薄膜的退火方法，其特征在于退火温度为100℃～650℃，并根据不同加热方式和退火温度，退火时间为5s～25h。
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