CN107502861A - 室温下制备azo透明导电薄膜的方法 - Google Patents

室温下制备azo透明导电薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

一种室温下制备AZO透明导电薄膜的方法，将衬底放置在磁控溅射设备的真空腔室内，对该腔室内抽真空。当背底真空到达2×10‑3Pa以下，通入Ar，生长AZO多晶薄膜。溅射AZO多晶薄膜的工艺条件为：采用AZO陶瓷靶材，以Ar为溅射气体，采用的电源为射频电源，射频电源功率密度为2.78‑3.98W/cm2；溅射压强为0.05‑0.15Pa；溅射时间1h；采用的靶基距为110‑150mm。

Description

室温下制备AZO透明导电薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种制备AZO多晶薄膜的方法。
背景技术
透明半导体材料具有良好的光学透过性和良好的电学导电性，通常通过在宽带隙半导体(通常是金属氧化物)中进行重掺获得。在透明半导体材料中最常用的是透明导电氧化物(TCO)。TCO是一种重要的半导体材料，在热反射涂层平板显示器(FPD)、高分辨电视、触摸屏、表面声波器件、发光二极管、激光器、有机发光二极管、有机发光二极管显示器、透明高迁移率薄膜晶体管、纳米结构器件和自旋电子器件以及某些类型的太阳电池等领域有广阔的应用前景。常用的透明导电薄膜主要有掺氟的二氧化锡(SnO2:F：FTO)、掺Al的ZnO(AZO)、掺锡的氧化铟(ITO)。在这几种TCO薄膜中，FTO需要高温制备工艺、ITO中含有In元素，In是稀有金属、资源稀缺、且有毒。而AZO由于所含元素资源丰富、生产工艺简单、成本低、无毒性绿色环保等优势，成为目前最常用的TCO材料。ZnO是一种具有六方纤锌矿晶体结构的II-VI族半导体材料，具有高质量的单晶块体材料和大的室温激子束缚能(610meV)，在室温下直接光学带隙为3.37eV，大于可见光的光子能量3.10eV，因此ZnO薄膜对于可见光几乎是透明的。在ZnO中掺入Al能有效降低薄膜的电阻率，提高其导电性，AZO薄膜的禁带宽度在3.46～3.54eV范围内，在可见光区具有较高的透光性，Al掺杂ZnO薄膜的电阻率低至3×10-4Ω·cm，平均透光率超过85％。制备ZnO衬底的温度范围从室温到约400℃，低于SnO2和ITO的沉积温度。在太阳电池应用上，AZO要求有高的光学透过性和良好的导电性，在某些太阳电池器件比如钙钛矿和铜铟镓硒(CIGS)太阳电池上要求低温制备工艺。ZnO具有卓越的抗氢等离子的能力，是nc-Si太阳电池制造中TCO的首选。AZO多晶薄膜的制备工艺多种多样，比如：磁控溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、分子束外延法等，其中磁控溅射具有高沉积速率、衬底温度低、薄膜粘附性好、可调参数多、成本低、容易大面积生产等优势，是目前AZO制备常采用的制备方法。比如：(刘丹妮，史永胜，马猛飞，杨巍巍，杨若欣，AZO透明导电薄膜的制备，电子元件与材料，2012，31，71-75。)采用射频磁控溅射在玻璃衬底上制备了AZO多晶薄膜，在衬底温度200℃制备的AZO多晶薄膜具有明显的c轴(002)择优取向，最低方阻为18Ω/□，在可见光波段其平均透光率超过91％(Jen-Chuan Chang,Jhe-Wei Guo,Tung-Po Hsieh,Ming-Ru Yang,Ding-Wen Chiou,Hsien-Te Cheng,Chi-Li Yeh,Chou-Cheng Li,Sheng-Yuan Chu,Effects of substratetemperature on the properties of transparent conducting AZO thin films andCIGS solar cells,Surface&Coatings Technology 231(2013)573–577)。在衬底温度为90-190℃之间制备了AZO多晶薄膜，采用磁控溅射制备了AZO多晶薄膜，(赵斌，唐立丹，梅海林，王冰，磁控溅射AZO透明导电薄膜及其光电性能的研究，电子元件与材料，2015，34，38-41。)研究发现：衬底温度对电学性能的影响较大，随着衬底温度的升高，薄膜样品电阻率先降低后升高。当衬底温度为350，℃电阻率较小，约为1.41×10–3Ω·cm，同时该样品具有较好的透光率，约为84％。中国专利201310435149.8，“一种掺铝氧化锌透明导电薄膜的制备方法”采用氩氢混合气氛，在室温下采用直流溅射获得了高光电性能的AZO多晶薄膜。以上研究中，磁控溅射AZO的衬底温度均高于室温、或者采用氩氢混合气氛，增加了工艺成本，而且对衬底要求提高。在室温、惰性气氛下通过磁控溅射很难获得高光学透过性和高导电性的AZO多晶薄膜。
发明内容
本发明的目的是克服现有磁控溅射制备AZO多晶薄膜过程中，需要对衬底加热或需要还原气氛的缺点，提出一种在室温和惰性气体Ar气氛下制备AZO的磁控溅射的方法。本发明以Ar为溅射气体，通过在磁控溅射生长过程中调节Ar的流量和进气口的大小以调节溅射压强，并调节靶材的位置以调节靶基距，获得高光学透光性、高导电性的AZO多晶薄膜，在衬底温度为室温时制备的AZO多晶薄膜的电阻率为2.29×10–3Ω·cm、可见光范围内平均透光率为90％以上。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：
一种室温下制备AZO透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：
将衬底放置在磁控溅射设备的真空腔室内，对该腔室内抽真空，当背底真空到达2×10-3Pa以下，通入Ar，开始生长AZO多晶薄膜。
溅射AZO多晶薄膜的工艺条件如下：
1、采用AZO陶瓷靶材，以Ar为溅射气体，采用的电源为射频电源，射频电源功率密度为2.78-3.98W/cm2；
2、溅射压强为0.05-0.15Pa；
3、溅射时间1h；
4、采用的靶基距为110-150mm。
在生长AZO多晶薄膜过程中调节Ar的流量和磁控溅射设备进气口的大小以调节溅射压强，并调节靶材的位置以调节靶基距。
本发明的有益效果是：由于低的溅射压强提升了溅射粒子的平均自由程，降低了溅射粒子的碰撞几率，增加了到达衬底上粒子的能量，提升了溅射粒子在衬底表面的迁移能力，从而提升了薄膜的结晶质量，最终获得了高导电性和高光学透过性的AZO多晶薄膜。
本发明制备AZO过程中，只需要惰性气氛Ar就可以实现AZO多晶薄膜的制备，有效降低了AZO的制备成本，在惰性气氛下制备AZO多晶薄膜同时降低了对衬底的要求，进一步拓宽了衬底材料范围及AZO的应用范围。
本发明可在玻璃、PET、PI等衬底上进行AZO导电薄膜的制备，实现室温下制备高光电性能的AZO透明导电薄膜。本发明制备AZO多晶薄膜时，衬底无需加热，避免了加热导致的衬底变形甚至扭曲现象所引起的薄膜不均匀问题，同时也可以在不能加热材料表面制备AZO多晶薄膜，拓展了衬底材料的范围，同时也拓展了AZO的应用范围。该制备方法的衬底温度为室温，衬底无需加热。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的AZO多晶薄膜的光学透过光谱；
图2为本发明实施例1、2、3获得的AZO多晶薄膜的电阻率。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
将清洗过的载玻片放置在磁控溅射设备的腔室内，对磁控溅射设备腔室内抽真空，当背底真空到达2×10-3Pa，开始通入Ar，开始生长AZO多晶薄膜。AZO溅射条件为：衬底温度室温，通过调节Ar的流量和进气口的大小使腔室压强为0.1Pa，通过调节靶材的位置使靶基距为110mm，射频电源功率密度为2.78W/cm2，溅射时间1h，然后取出沉积了AZO多晶薄膜的载玻片。
图1和图2所示为本实施例得到的AZO多晶薄膜的通过紫外可见近红外分光光度计测得的光学透光光谱和通过霍尔效应测试仪测得的电阻率，其参数为电阻率为2.29×10–3Ω·cm、可见光范围内平均透光率为90％。
实施例2
将清洗过的载玻片放置在磁控溅射设备的腔室内，对磁控溅射设备腔室内抽真空，当背底真空到达1.5×10-3Pa，通入Ar，开始生长AZO多晶薄膜。AZO溅射条件为：衬底温度室温，通过调节Ar的流量和进气口的大小使腔室压强为0.1Pa，通过调节靶材的位置使靶基距为130mm，射频电源功率2.78W/cm2，溅射时间1h，然后取出沉积了AZO多晶薄膜的载玻片。
图2所示为本实施例得到的AZO多晶薄膜的霍尔效应测试仪测得的，其参数为电阻率为3.78×10–3Ω·cm、可见光范围内平均透光率为90％。
实施例3
将清洗过的载玻片放置在磁控溅射设备的腔室内，对磁控溅射设备腔室内抽真空，当背底真空到达1×10-3Pa，通入Ar，开始生长AZO多晶薄膜。AZO溅射条件为：衬底温度室温，通过调节Ar的流量和进气口的大小使腔室压强为0.1Pa，通过调节靶材的位置使靶基距为150mm，射频电源功率2.78W/cm2，溅射时间1h，然后取出沉积了AZO多晶薄膜的载玻片。
图2所示为本实施例得到的AZO多晶薄膜通过霍尔效应测试仪测得的电阻率，其参数为电阻率为5.24×10–3Ω·cm、可见光范围内平均透光率为90％。
实施例4
将清洗过的PI衬底放置在磁控溅射设备的腔室内，对磁控溅射设备腔室内抽真空，当背底真空到达9×10-4Pa，通入Ar，开始生长AZO多晶薄膜。AZO溅射条件为：衬底温度室温，通过调节Ar的流量和进气口的大小使腔室压强为0.05Pa，通过调节靶材的位置使靶基距为150mm，射频电源功率3.38W/cm2，溅射时间1h，然后取出沉积了AZO多晶薄膜的PI。
实施例5
将清洗过的PET衬底放置在磁控溅射设备腔室内，对磁控溅射设备腔室内抽真空，当背底真空到达8×10-4Pa，通入Ar，开始生长AZO多晶薄膜。AZO溅射条件为：衬底温度室温，通过调节Ar的流量和进气口的大小使腔室压强为0.15Pa，通过调节靶材的位置使靶基距为110mm，射频电源功率3.98W/cm2，溅射时间1h，然后取出沉积了AZO多晶薄膜的PET衬底。

Claims (2)

1.一种室温下制备AZO透明导电薄膜的方法，其特征在于：所述的制备方法如下：
将衬底放在磁控溅射设备的真空腔室内，对该腔室内抽真空；当背底真空到达2×10- 3Pa以下，通入Ar，开始生长AZO多晶薄膜；
溅射AZO多晶薄膜的工艺条件如下：
采用AZO陶瓷靶材，以Ar为溅射气体，采用的电源为射频电源，射频电源功率密度为2.78-3.98W/cm2；溅射压强为0.05-0.15Pa；溅射时间1h；采用的靶基距为110-150mm。
2.按照权利要求1所述的室温下制备AZO透明导电薄膜的方法，其特征在于：在生长AZO多晶薄膜过程中调节Ar的流量和磁控溅射设备进气口的大小以调节溅射压强，并调节靶材的位置以调节靶基距。
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