CN102644055A - 一种氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，以磁控溅射法制备二氧化锡薄膜，磁控溅射时，按体积比O2∶N2＝(1～6)∶(99～94)的比例通入O2和N2的混合气体，控制溅射室内气压≤5Pa。本发明采用反应磁控溅射法制备出氮掺杂SnO2薄膜，制取工艺简单易控制，是目前工业化生产薄膜的基本工艺方法；氮元素来源广泛，成本低，反应产物无毒，对环境无污染；通过对工艺参数的控制，获得的透明导电薄膜，电阻率低于2.4×10-3Ω·cm、可见光透射率大于80％，达到了商用透明导电薄膜的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及透明导电薄膜的制备，特别涉及一种氮(N)掺杂二氧化锡薄膜的制备方法。
背景技术
同时具备透明和导电特性的材料-透明导电氧化物(Transparent ConductingOxides，简称TCO)薄膜，被广泛应用于各种便携式电子产品(如笔记本电脑、手机等)、太阳能电池等行业中。具有应用价值的透明导电膜，一般认为电阻率应达到10-3Ω·cm数量级，可见光透射率应大于80％。
经过多年的研究，以ZnO、In2O3和SnO2为代表的TCO薄膜得到了实际应用。掺锡In2O3薄膜(ITO)电阻率介于10-3～10-4Ω·cm，可见光透射率达85％以上，是目前应用最成功的TCO薄膜；铝掺杂ZnO薄膜(AZO)是氧化锌系薄膜的代表，其电阻率可低至6.24×10-4Ω·cm，可见光透射率大于80％。目前得到应用的SnO2:Sb薄膜，电阻率为9×10-4Ω·cm，可见光透射率达80％以上。
现有透明导电薄膜中，ITO薄膜虽然性能优良，但由于In元素是稀散金属元素，资源稀少，价格昂贵且有毒，可能造成环境污染；ZnO系薄膜的稳定性不佳，限制了其进一步推广应用；与ZnO相比，SnO2具有高的化学稳定性、耐环境腐蚀，对应用于光伏组件、有高温或环境腐蚀条件下，具有独特的优势。目前得到应用的掺杂SnO2薄膜，掺杂元素主要为Sb、F、Cl、As等。尽管F和Sb掺杂SnO2薄膜具有较好的性能，但F、Sb、Cl等元素具有毒性，污染环境且制造成本较高。
发明内容
为了解决现有技术存在的掺杂SnO2薄膜污染环境、制造成本高的缺点，本发明提供了一种氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，可以获得透明导电薄膜。
一种氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，以磁控溅射法制备二氧化锡薄膜，磁控溅射时，按体积比O2∶N2＝(1～6)∶(99～94)的比例通入O2和N2的混合气体，控制溅射室内气压≤5Pa。
入射功率为100～150W，溅射气压1～3Pa。
溅射速率为8～15nm/min，时间为10～30min。
磁控溅射时先以O2和N2混合气体对衬底进行5～30min的预溅射，并调节衬底加热温度100～400℃，然后再在衬底上沉积氮掺杂二氧化锡薄膜，厚度为100～300nm。
得到氮掺杂二氧化锡薄膜后进行退火，退火温度为300～700℃，退火时间为20～60min，最后得到透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
有益效果：
本发明的优点是：(1)本发明采用反应磁控溅射法制备出氮掺杂SnO2薄膜，制取工艺简单易控制，是目前工业化生产薄膜的基本工艺方法；(2)氮元素来源广泛，成本低，反应产物无毒，对环境无污染；(3)通过对工艺参数的控制，获得的透明导电薄膜，电阻率低于2.4×10-3Ω·cm、可见光透射率大于80％，达到了商用透明导电薄膜的性能要求。
附图说明
图1为采用XPS分析的未掺杂和N掺杂SnO2薄膜的成分图。
从图中可以看到，N掺杂SnO2薄膜中存在明显的N1s峰，而未掺杂SnO2薄膜中不存在N1s峰。说明N掺杂进入了SnO2薄膜中。
具体实施方式
本发明所述的氮(N)掺杂二氧化锡薄膜的制备主要是通过磁控溅射制备二氧化锡薄膜，溅射时通入氧气和氮气的混合气体，控制参数以得到，主要包括以下几个步骤：
A.清洗衬底材料，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪溅射室内；
B.将真空室抽真空6×10-4Pa以下，按一定体积比(O∶N＝(1～6)∶(99～94))通入O2(纯度99.99％)和N2(纯度99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压在5Pa左右；
C.打开射频电源和灯丝开关起辉，控制入射功率约100～150W，溅射气压约1～3Pa；
D.对衬底进行5～30min的预溅射，并调节衬底加热温度100～400℃；
E.沉积薄膜：溅射速率在8～15nm/min，时间控制在10～30min；薄膜厚度为100～300nm
F.薄膜沉积后退火：在一定温度(300～700℃)、气氛(氧化、中性或还原)条件下，保温20～60min；即可得到透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
下面通过具体实施例来说明本发明。
实施例1
●清洗玻璃衬底，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪溅射室内；
●将真空室抽真空6×10-4Pa，按一定体积比O∶N＝1∶99通入O2(纯度99.99％)和N2(纯度99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压在5Pa；
●打开射频电源和灯丝开关起辉，入射功率为120W，溅射气压为1.5Pa；
●对衬底进行30min的预溅射，并调节衬底加热温度400℃；
沉积薄膜：溅射速率在10～12nm/min，时间控制在30min；薄膜厚度为300nm
●薄膜沉积后退火：在400℃、氧化气氛条件下，保温20分钟；
即可获得了电阻率2.0×10-3Ω·cm、可见光透射率77％、性能稳定的透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
实施例2
1)清洗玻璃衬底，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪溅射室内；
2)将真空室抽真空6×10-4Pa，按一定体积比O∶N＝3∶97通入O2(纯度99.99％)和N2(纯度99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压在5Pa；
3)打开射频电源和灯丝开关起辉，入射功率为100W，溅射气压为1.5Pa；
4)对衬底进行30min的预溅射，并调节衬底加热温度400℃；
5)沉积薄膜：溅射速率在8～10nm/min，时间控制在25min；薄膜厚度为200nm
6)薄膜沉积后退火：在500℃、氧化气氛条件下，保温40分钟；
即可获得了电阻率2.4×10-3Ω·cm、可见光透射率84％、性能稳定的透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
实施例3
1)清洗玻璃衬底，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪溅射室内；
2)将真空室抽真空6×10-4Pa，按一定体积比O∶N＝6∶94通入O2(纯度99.99％)和N2(纯度99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压在5Pa；
3)打开射频电源和灯丝开关起辉，入射功率为150W，溅射气压为1.5Pa；
4)对衬底进行30min的预溅射，并调节衬底加热温度400℃；
5)沉积薄膜：溅射速率在10～15nm/min，时间控制在10min；薄膜厚度为100nm
6)薄膜沉积后退火：在400℃、氧化气氛条件下，保温60分钟；
即可获得了电阻率8.2×10-3Ω·cm、可见光透射率86％、性能稳定的透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
实施例4
1)清洗玻璃衬底，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪溅射室内；
2)将真空室抽真空6×10-4Pa，按一定体积比O∶N＝3∶97通入O2(纯度99.99％)和N2(纯度99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压在5Pa；
3)打开射频电源和灯丝开关起辉，入射功率为150W，溅射气压为2Pa；
4)对衬底进行5min的预溅射，并调节衬底加热温度100℃；
5)沉积薄膜：溅射速率在10～15nm/min，时间控制在20min；薄膜厚度为200nm
6)薄膜沉积后退火：在300℃、中性气氛条件下，保温60分钟；
即可获得了电阻率6.2×10-3Ω·cm、可见光透射率81％、性能稳定的透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
实施例5
1)清洗玻璃衬底，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪溅射室内；
2)将真空室抽真空6×10-4Pa，按一定体积比O∶N＝3∶97通入O2(纯度99.99％)和N2(纯度99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压在5Pa；
3)打开射频电源和灯丝开关起辉，入射功率为100W，溅射气压为1.5Pa；
4)对衬底进行30min的预溅射，并调节衬底加热温度400℃；
5)沉积薄膜：溅射速率在10～12nm/min，时间控制在25min；薄膜厚度为200nm
6)薄膜沉积后退火：在700℃、氧化气氛条件下，保温20分钟；
即可获得了电阻率5.2×10-3Ω·cm、可见光透射率80％、性能稳定的透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
实施例6
1)清洗玻璃衬底，用氮气吹干后装入样品台，安装在磁控溅射仪溅射室内；
2)将真空室抽真空6×10-4Pa，按一定体积比O∶N＝3∶97通入O2(纯度99.99％)和N2(纯度99.99％)的混合气体，控制溅射室内气压在5Pa；
3)打开射频电源和灯丝开关起辉，入射功率为150W，溅射气压为1.5Pa；
4)对衬底进行30min的预溅射，并调节衬底加热温度300℃；
5)沉积薄膜：溅射速率在12～15nm/min，时间控制在25min；薄膜厚度为250nm
6)薄膜沉积后退火：在500℃、还原气氛条件下，保温40分钟；
即可获得了电阻率5.8×10-3Ω·cm、可见光透射率82％、性能稳定的透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
Claims (5)
1.一种氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，以磁控溅射法制备二氧化锡薄膜，其特征在于，磁控溅射时，按体积比O2∶N2＝(1～6)∶(99～94)的比例通入O2和N2的混合气体，控制溅射室内气压≤5Pa。
2.如权利要求1所述的氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，其特征在于，入射功率为100～200W，溅射气压1～2.5 Pa。
3.如权利要求1所述的氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，其特征在于，溅射速率为8～15nm/min，时间为10～30min。
4.如权利要求1所述的氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，其特征在于，磁控溅射时先以O2和N2混合气体对衬底进行5～30min的预溅射，并调节衬底加热温度100～400℃，然后再在衬底上沉积氮掺杂二氧化锡薄膜，厚度为100～300nm。
5.如权利要求4所述的氮掺杂二氧化锡薄膜的制备方法，其特征在于，得到氮掺杂二氧化锡薄膜后进行退火，退火温度为300～700℃，退火时间为20～60min，最后得到透明导电的氮掺杂二氧化锡薄膜。
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