CN102650044A

CN102650044A - 一种SGZO-Au-SGZO透明导电膜的制备方法

Info

Publication number: CN102650044A
Application number: CN2011100697731A
Authority: CN
Inventors: 周明杰; 王平; 陈吉星; 黄辉
Original assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Current assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2031-03-14
Also published as: CN102650044B

Abstract

本发明属于发光材料领域，其公开了一种SGZO-Au-SGZO透明导电膜的制备方法，包括步骤，SGZO靶材的制备；将SGZO靶材、Au靶材以及衬底装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体，并抽真空；调整磁控溅射镀膜工艺参数，进行镀膜处理。本发明采用磁控溅射设备，于非加热状态下得到SGZO-Au-SGZO透明导电膜，其可见光平均透过率介于65～95％，最低方块电阻率为5Ω/□。

Description

一种SGZO-Au-SGZO透明导电膜的制备方法

技术领域

本发明涉及光电材料领域，尤其涉及一种利用磁控溅射法低温制备SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方法。

背景技术

透明导电膜是把光学透明性能与导电性能复合在一体的光电材料，由于其具有优异的光电特性，成为近年来的研究热点和前沿课题，可广泛应用于太阳能电池，LED，TFT，LCD及触摸屏等屏幕显示领域。虽然ITO膜是目前综合光电性能优异、应用最为广泛的一种透明导电膜材料，但是铟有毒，价格昂贵，稳定性差，在氢等离子体气氛中容易被还原等问题，人们力图寻找一种价格低廉且性能优异的ITO替换材料。其中，掺镓氧化锌(Ga-doped ZnO，简称GZO膜)具有材料廉价，无毒，可以同ITO相比拟的电学和光学性能等特点，已成为最具竞争力的透明导电膜材料。为了让GZO性能更加稳定，加入Si元素的共掺，有望在更多的性能上超越ITO。

采用磁控溅射方法制备硅镓氧化锌-金-硅镓氧化锌(即SGZO-Au-SGZO)透明膜，具有沉积速率高、膜附着性好、易控制并能实现大面积沉积等优点，因而成为当今工业化生产中研究最多、工艺最成熟和应用最广的一项方法。但是，低温下的制备，不另加热处理，难以得到低电阻率的SGZO透明膜。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用低温磁控溅射法制备SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方法，其设计方案包括如下步骤：

(1)、靶材的制备：选用SiO₂含量0.1～3％(质量百分比)，优选2％(质量百分比)，Ga₂O₃含量2～15％(质量百分比)，优选5％(质量百分比)，余量为ZnO，三种粉体纯度皆为99.99％，经过均匀混合后，在900℃～1350℃下烧结而成SGZO靶材，优选1200℃；而Au靶材采用购买方式获得，纯度为99.999％；

(2)、将步骤(1)中的SGZO靶材、Au靶材和衬底(如，石英片，单晶硅片或蓝宝石等)装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体，并用机械泵和分子泵把真空腔体的真空度抽至1.0×10^-3Pa～1.0×10^-5Pa以上，优选6.0×10^-4Pa；

(3)、调整磁控溅射镀膜工艺参数为：SGZO靶材和Au靶材的中心连线到衬底的距离为80～120mm，磁控溅射工作压强0.2～2.0Pa，氩气的工作气体流量15～35sccm，SGZO靶材的溅射功率为60～160W，以及Au靶材的溅射功率为30～100W；接着根据确定的沟工艺参数进行镀膜处理，且在所述衬底上不断交替溅射SGZO层和Au层，最后得到得到三文治结构的所述SGZO-Au-SGZO透明导电膜；该SGZO-Au-SGZO透明导电膜中：首层SGZO为20～120nm，优选50nm，Au层为3～20nm，优选10nm，第二层SGZO为30～150nm，优选80nm。

上述SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方法制备工艺中，优选磁控溅射SGZO工艺参数：溅射功率100W，工作压强1.0Pa，以及氩气工作气体的流量20sccm；优选磁控溅射Au工艺参数：溅射功率60W，工作压强1.0Pa，以及氩气工作气体的流量20sccm；

本发明制备的SGZO-Au-SGZO透明导电膜，是在不增加衬底升温的条件下，得到了低的方块电阻(5Ω/□)，以及高的可见光平均透过率(95％)，并且在350℃下连续使用10天保持电阻率变化在15％以内，其性能已经可以与已经商品化的ITO薄膜的性能相媲美。

附图说明

图1为本发明SGZO-Au-SGZO透明导电膜制备方法的工艺流程图；

图2是本发明SGZO-Au-SGZO透明导电膜中，不同Au层厚度的方块电阻和可见光透过率的变化；其中，曲线1，代表可见光的透过率；曲线2代表方块电阻率；方块电阻是由四探针仪测试而得；透过率是由紫外可见分光光度计测试透射率之后，取可见光380～770nm波长范围计算的平均值；

图3是实施例1中的SGZO-Au-SGZO透明导电膜样品，在350℃下使用的电阻变化率跟使用天数的关系曲线；其中，电阻变化率是样品在某一温度下加热48小时后，由四探针测试得到新的方块电阻R₁，该电阻值与原电阻值R₀之差，再除以原电阻，得到变化率：R％＝(R₁-R₀)/R₀。

具体实施方式

本发明于提供的一种利用低温磁控溅射法制备SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1，靶材的制备：选用SiO₂含量0.1～3％(质量百分比)，优选2％(质量百分比)，Ga₂O₃含量2～15％(质量百分比)，优选5％(质量百分比)，余量为ZnO，三种粉体纯度皆为99.99％，经过均匀混合后，在900℃～1350℃下烧结而成SGZO靶材，优选1200℃；而Au靶材采用购买方式获得，纯度为99.999％；；

S2，将步骤(1)中的SGZO靶材、Au靶材和衬底(如，石英片，单晶硅片或蓝宝石等)装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体，并用机械泵和分子泵把真空腔体的真空度抽至1.0×10^-3Pa～1.0×10^-5Pa以上，优选6.0×10^-4Pa；

S3，调整磁控溅射镀膜工艺参数为：SGZO靶材和Au靶材的中心连线到衬底的距离为80～120mm，磁控溅射工作压强0.2～2.0Pa，氩气工作气体的流量15～35sccm，SGZO靶材的溅射功率为60～160W，以及Au靶材的溅射功率为30～100W；接着根据确定的沟工艺参数进行镀膜处理，且在所述衬底上不断交替溅射SGZO层和Au层，最后得到得到三文治结构的所述SGZO-Au-SGZO透明导电膜。

其中，步骤S3中，磁控溅射SGZO工艺参数：溅射功率100W，工作压强1.0Pa，以及氩气工作气体的流量20sccm；磁控溅射SGZO工艺参数：溅射功率60W，工作压强1.0Pa，以及氩气工作气体的流量20sccm；SGZO-Au-SGZO透明导电膜中：首层SGZO为20～120nm，优选50nm，Au层为3～20nm，优选10nm，第二层SGZO为30～150nm，优选80nm。

采用本发明采用磁控溅射设备，得到的SGZO-Au-SGZO透明导电膜，其可见光平均透过率介于65～95％，最低方块电阻率为5Ω/□，如图2所示。

下面是本方面制备方法的具体实施例

实施例1

选用纯度为99.99％的1％(质量百分比)SiO₂、3％(质量百分比)Ga₂O₃、余量为ZnO的粉体，分别经过均匀混合后，于1200℃烧结成Φ50×2mm的SGZO靶材，并将SGZO靶材和Au靶材(从北京合纵科技股份有限公司购得，纯度为99.999％)装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗柔性衬底，并用高纯氮气吹干，放入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。把SGZO靶材和Au靶材的中心连线到衬底的距离设定为50mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6.0×10^-4Pa，通入工作气体流量为20sccm的氩气，压强调整为1.0Pa，随后开始镀膜，且SGZO靶材的溅射功率设定为100W，Au靶材的功率设定为60W，镀膜沉积，得到膜层厚度分别为50，10，80nm的SGZO-Au-SGZO透明导电膜，该SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方块电阻为5Ω/□，可见光平均透过率为85％。如图3所示，SGZO-Au-SGZO透明导电膜样品，在350℃下使用的电阻变化率跟使用天数的关系曲线；其中，电阻变化率是样品在某一温度下加热48小时后，由四探针测试得到新的方块电阻R₁，该电阻值与原电阻值R₀之差，再除以原电阻，得到变化率：R％＝(R₁-R₀)/R₀。

实施例2

选用纯度为99.99％的3％(质量百分比)SiO₂、2％(质量百分比)Ga₂O₃、余量为ZnO的粉体，分别经过均匀混合后，于900℃烧结成Φ50×2mm的SGZO靶材，并将SGZO靶材和Au靶材(从北京合纵科技股份有限公司购得，纯度为99.999％)装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗柔性衬底，并用高纯氮气吹干，放入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。把SGZO靶材和Au靶材的中心连线到衬底的距离设定为50mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10^-3Pa，通入工作气体流量为15sccm的氩气，压强调整为2.0Pa，随后开始镀膜，且SGZO靶材的溅射功率设定为60W，Au靶材的功率设定为100W，镀膜沉积，得到膜层厚度分别为90，3，150nm的SGZO-Au-SGZO透明导电膜，该SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方块电阻为5Ω/□，可见光平均透过率为95％。

实施例3

选用纯度为99.99％的0.1％(质量百分比)SiO₂、15％(质量百分比)Ga₂O₃、余量为ZnO的粉体，分别经过均匀混合后，于1350℃烧结成Φ50×2mm的SGZO靶材，并将SGZO靶材和Au靶材(从北京合纵科技股份有限公司购得，纯度为99.999％)装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗柔性衬底，并用高纯氮气吹干，放入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。把SGZO靶材和Au靶材的中心连线到衬底的距离设定为50mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10^-5Pa，通入工作气体流量为35sccm的氩气，压强调整为0.2Pa，随后开始镀膜，且SGZO靶材的溅射功率设定为160W，Au靶材的功率设定为30W，镀膜沉积，得到膜层厚度分别为120，12，60nm的SGZO-Au-SGZO透明导电膜，该SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方块电阻为520Ω/□，可见光平均透过率为80％。

实施例4

选用纯度为99.99％的0.5％(质量百分比)SiO₂、8％(质量百分比)Ga₂O₃、余量为ZnO的粉体，分别经过均匀混合后，于1000℃烧结成Φ50×2mm的SGZO靶材，并将SGZO靶材和Au靶材(从北京合纵科技股份有限公司购得，纯度为99.999％)装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗柔性衬底，并用高纯氮气吹干，放入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。把SGZO靶材和Au靶材的中心连线到衬底的距离设定为50mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到1.0×10^-4Pa，通入工作气体流量为25sccm的氩气，压强调整为1.5Pa，随后开始镀膜，且SGZO靶材的溅射功率设定为90W，Au靶材的功率设定为70W，镀膜沉积，得到膜层厚度分别为20，20，30nm的SGZO-Au-SGZO透明导电膜，该SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方块电阻为10Ω/□，可见光平均透过率为65％。

实施例5

选用纯度为99.99％的2.5％(质量百分比)SiO₂、12％(质量百分比)Ga₂O₃、余量为ZnO的粉体，分别经过均匀混合后，于1100℃烧结成Φ50×2mm的SGZO靶材，并将SGZO靶材和Au靶材(从北京合纵科技股份有限公司购得，纯度为99.999％)装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗柔性衬底，并用高纯氮气吹干，放入磁控溅射镀膜设备的真空腔体内。把SGZO靶材和Au靶材的中心连线到衬底的距离设定为50mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到8.0×10^-4Pa，通入工作气体流量为30sccm的氩气，压强调整为0.9Pa，随后开始镀膜，且SGZO靶材的溅射功率设定为120W，Au靶材的功率设定为50W，镀膜沉积，得到膜层厚度分别为70，15，60nm的SGZO-Au-SGZO透明导电膜，该SGZO-Au-SGZO透明导电膜的方块电阻为20Ω/□，可见光平均透过率为68％。

应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种SGZO-Au-SGZO透明导电膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将质量百分比为0.1～3％的SiO₂、质量百分比为2～15％的Ga₂O₃和余量为ZnO原料混合、研磨后于900～1350℃烧结成SGZO靶材；

步骤S2，将步骤S1中得到的SGZO靶材、Au靶材以及衬底装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体，并将真空腔体的真空度设置在1.0×10^-3Pa～1.0×10^-5Pa之间；

步骤S3，调整磁控溅射镀膜工艺参数为：磁控溅射工作压强0.2～2.0Pa，氩气工作气体的流量15～35sccm，SGZO靶材的溅射功率为60～160W，以及Au靶材的溅射功率为30～100W；接着根据确定的沟工艺参数进行镀膜处理，且在所述衬底上不断交替溅射SGZO层和Au层，最后得到三文治结构的所述SGZO-Au-SGZO透明导电膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，SiO₂的质量百分比为2％，Ga₂O₃的质量百分比为5％，余量为ZnO。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述SGZO靶材的烧结温度为1200℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，真空腔体的真空度设置在6.0×10^-4Pa。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，衬底装入磁控溅射镀膜设备的腔体之前包括如下步骤：将衬底先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，然后用高纯氮气吹干。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，磁控溅射工作压强为1.0Pa。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，工作气体流量为20sccm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，SGZO靶材的溅射功率为100W；Au靶材的溅射功率为60W。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括：所述SGZO-Au-SGZO透明导电膜中，首层SGZO膜层的厚度为20～120nm，Au膜层厚度为3～20nm，第二层SGZO膜层的厚度30～150nm。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括：所述SGZO-Au-SGZO透明导电膜中，首层SGZO膜层的厚度为50nm，Au膜层厚度为10nm，第二层SGZO膜层的厚度80nm。