CN109468604B - 高透射率igzo薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高透射率IGZO薄膜的制备方法，该方法包括：基片处理步骤、预溅射步骤和镀膜步骤。本方法有效地提高了IGZO薄膜的透射率，无需对衬底进行加热或对IGZO透明导电薄膜进行后期热处理，避免了高温热处理过程对沉积IGZO透明导电薄膜的不耐高温的衬底的不利影响，制得的薄膜颗粒尺寸适宜、薄膜连续且均匀，薄膜表面平整、光滑，无孔洞等表面缺陷。降低了生产成本，简化了生产工艺，扩大了IGZO透明导电薄膜的推广领域和范围，具有巨大的工业价值。

Description

高透射率IGZO薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于氧化物薄膜技术领域，具体涉及一种高透射率IGZO薄膜的制备方法。

背景技术

在光电子器件的制备过程中，为与外延片形成良好的欧姆接触，并且减少对发射光源的吸收，制备一种同时具有高光学透射率和光滑平整的表面形貌的透明导电薄膜至关重要。

铟镓锌氧化物(简写为IGZO)薄膜，即In₂O₃与Ga₂O₃共掺杂ZnO系列薄膜，是多元掺杂ZnO体系中的一种，是透明非晶氧化物半导体中的一种典型材料。日本东京工业大学Hosono教授及其课题组在2003年最早制备出单晶IGZO(SC-IGZO)并发表于《Science》上；在2004年又成功制备出IGZO-TFT，并发表于《Nature》上，报道了脉冲激光沉积(PLD)法制备的α-InGaZnO₄薄膜及以其为沟道层的薄膜晶体管(TFT)。

α-IGZO薄膜具有较好的可见光透过性(T_avg＞80％)、较高的霍尔迁移率(μ＝1～100cm²V^-1s^-1)和较好的化学稳定性，工艺温度低，便于在柔性基底上生长，成本低廉，适用于规模生产，作为薄膜晶体管沟道层材料，在电子纸张、液晶显示(LCD)等新一代平板和柔性显示领域具有广阔的应用前景。

氧化物薄膜的制备方法有很多，主要有脉冲激光沉积法、溶胶-凝胶法、磁控溅射法、化学气相沉积法、物理气相沉积法等。与其他镀膜技术相比，磁控溅射技术主要具有以下优点：(1)薄膜在低温下沉积，可获得光电性能较为优良的薄膜；(2)溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，可实现在大面积基片上制备；(3)溅射所获得的薄膜纯度高，致密性好，膜粘附性好，可实现与基片的良好结合；(4)对镀膜材料要求低，能烧结成为靶材的材料，都可以实现溅射，适用范围广。

目前制备的IGZO薄膜，其微观结构较为稀疏、不致密，往往导致薄膜中与氧的弱结合和晶格内过量氧的吸收；与稀疏膜结构相关的亚稳态缺陷可导致电荷补偿，进而产生TFT的不稳定性，导致制备的IGZO器件的均匀性和稳定性较差；成膜均匀性较差，导致大面积成膜的电导率和透光率稳定性差，α-IGZO薄膜的平均透射率仅为80％左右；在靶材溅射过程中容易开裂和节瘤，导致溅射靶材利用率较低，并且靶材毒化现象的发生会导致制备的IGZO薄膜电阻增加和透过率降低。这些问题的存在阻碍了IGZO薄膜在电子显示领域的应用。

发明内容

为了至少解决以上提到现有技术存在的技术问题之一，本发明公开了一种高透射率IGZO薄膜的制备方法，该方法包括：基片处理步骤，预溅射步骤和镀膜步骤。

进一步，本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，基片处理步骤包括：用无机溶剂清洗基片，用有机溶剂清洗基片，干燥基片。

进一步，本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，基片处理步骤中：

无机溶剂清洗基片包括，将基片置于去离子水中，在超声波存在下处理一定时间；

有机溶剂清洗基片包括，将基片置于包含有有机溶剂的清洗液中，在超声波存在下处理一定时间；

干燥基片包括，将基片用干燥气体处理至干燥，然后在真空条件、升高的温度下放置一定时间。

进一步，本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，基片处理步骤中：

无机溶剂清洗基片包括，将基片设置在清洗架上，将清洗架置于去离子水中，用超声波处理10～20min；

有机溶剂清洗基片包括，将清洗架分别置于丙酮溶液、乙醇溶液和水溶液中，分别用超声波处理10～30min；

干燥基片包括，将基片用干燥高纯氮气处理至干燥，放入真空干燥箱，在60～80℃下保持3～5h。

本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，预溅射步骤包括：

安装IGZO靶材，调整靶基距；

将溅射室抽真空，至本底真空度为1×10^-4～6×10^-4Pa；

充入溅射气体高纯氩气，其流量设置为20～50sccm，气压设置至0.5～1.2Pa；

开启射频电源，调节溅射功率为8～50W，待IGZO靶材起辉后，调节溅射功率为50～140W，并调节气压为0.2～0.9Pa，溅射时间设置为8～30min。

进一步，本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，靶基距设置为49～67mm。

进一步，本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，预溅射步骤包括：

安装IGZO靶材，调整靶基距；

将溅射室抽真空，至本底真空度为1.9×10^-4～5×10^-4Pa；

充入溅射气体高纯氩气，其流量设置为30～40sccm，气压设置为0.7～0.9Pa；

开启射频电源，调节溅射功率为10～30W，待IGZO靶材起辉后，调节溅射功率为60～120W，并调节气压为0.15～0.75Pa，溅射时间设置为10～20min。

进一步，本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，镀膜步骤包括：

调节溅射功率为50～140W，调节溅射气压为0.2～0.9Pa，在高纯氩气气氛中进行溅射，溅射时间设置为20～150min。

进一步，本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，镀膜步骤包括：

调节溅射功率为60～120W，调节溅射气压为0.15～0.75Pa，在高纯氩气气氛中进行溅射，溅射时间设置为25～100min。

本发明一些实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，预溅射步骤和镀膜步骤连续进行。

本发明实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，有效地提高了薄膜的透射率，无需对衬底进行加热或对IGZO透明导电薄膜进行后期热处理，避免了高温过程对沉积IGZO透明导电薄膜的不耐高温的衬底的不利影响，制得的薄膜颗粒尺寸适宜、薄膜连续且均匀，薄膜表面平整、光滑，无孔洞等表面缺陷。降低了生产成本，简化了生产工艺，扩大了IGZO透明导电薄膜的推广领域和范围，具有巨大的工业价值。

附图说明

图1实施例1制备的IGZO薄膜的透射率图谱

图2实施例1制备的IGZO薄膜的AFM三维图像

图3实施例1制备的IGZO薄膜的SEM图像

具体实施方式

在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本法实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明公开的内容。

除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本发明中的其它未特别注明的原材料、试剂、试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常使用的原材料和试剂，以及通常采用的实验方法和技术手段，sccm表示标准毫升每分钟,min表示分钟，h表示小时，℃表示摄氏度，Pa表示帕斯卡，W表示瓦特。本文述及的基片，通常还被称之为衬底。

本公开所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。浓度、量和其它数值数据在本文中可以以范围格式表示或呈现。这样的范围格式仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。

在本公开，包括权利要求书中，所有连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由...构成”和“由...组成”是封闭连接词。

为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备、原料组成、分子结构等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

一般而言，IGZO薄膜表面颗粒大小、薄膜的连续性、薄膜表面的性质以及薄膜晶体的结构缺陷等对光波具有反射或散射作用，因而都会影响其透过率；因为IGZO薄膜存在多种散射中心以及吸收中心，晶体结构缺陷和杂质可能会在禁带中产生缺陷能级和杂质能级，当光通过IGZO薄膜时，这些缺陷或杂质能级会吸收光子能量发生电离或离化跃迁，从而直接影响透过率。因此，通过合理的制备工艺，减少微观缺陷，可以控制IGZO薄膜表面颗粒尺寸，使得其形貌连续、均匀，以有效改善薄膜的光电性能。

在一些实施方式中，高透射率IGZO薄膜的制备方法基片处理步骤、预溅射步骤和镀膜步骤。具体地，在一些实施例中，基片处理步骤包括：用无机溶剂清洗基片，用有机溶剂清洗基片，干燥基片。较为优选的实施方式是，基片处理步骤包括：将基片置于去离子水中，在超声波存在下处理一定时间；将基片置于包含有有机溶剂的清洗液中，在超声波存在下处理一定时间；将基片用干燥气体处理至干燥，然后在真空条件、升高的温度下放置一定时间。通常情况下，无机溶剂处理基片、有机溶剂处理基片和干燥基片依次、连续进行，防止处理过程的间断对清洗效果产生不利影响。

为了得到高质量的IGZO透明导电薄膜，基片需要经过严格的处理以除去表面的杂质和污渍。例如，用溶剂清洗基片。为避免对基片表面造成划损，通常可以采用清洗架放置基片，在一些实施方式中，使用聚四氟乙烯玻璃清洗架放置基片。

在一些实施方式中，基片处理步骤包括：将基片设置在清洗架上，将清洗架设置于去离子水中，确保基片完全浸没在去离子水中，用超声波处理10～20min；将清洗架依次先后分别置于丙酮溶液中、乙醇水溶液中，将基片完全浸没在该水溶液中，用超声波分别处理10～30min，然后放置于去离子水中，超声波处理10～30min；用干燥高纯氮气吹拂经过清洗的基片，吹干后，放入真空干燥箱，在60～80℃下保持3～5h，备用。在一些实施方式中，通常采用玻璃片作为基片，例如厚度为1mm的K9玻璃。

在一些实施方式中，IGZO薄膜的制备采用射频磁控溅射装置进行，该装置主要包括溅射室、磁控溅射靶、偏压电源、射频电源、加热样品台、泵抽系统、真空测量系统、气路系统、电控系统。

在一些实施方式中，预溅射步骤包括安装IGZO靶材，调整靶基距；将溅射室抽真空，至本底真空度为1×10^-4～6×10^-4Pa；充入溅射气体流量为20～50sccm的高纯氩气，调节溅射气压至0.5～1.2Pa；开启射频电源，调节溅射功率为8～50W，待IGZO靶材起辉后，调节溅射功率为50～140W，并调节气压为0.2～0.9Pa，溅射时间设置为8～30min。在一些实施方式中，靶基距设置为49～67mm。在一些实施方式中，本底真空度设置为1.9×10^-4～5×10^-4Pa。在一些实施方式中，充入溅射气体流量设置为30～40sccm。在一些实施方式中，溅射气压设置为0.7～0.9Pa。在一些实施方式中，开启射频电源后，调节溅射功率为10～30W，待IGZO靶材起辉后，调节溅射功率为60～120W，并调节气压为0.15～0.75Pa，溅射时间设置为10～20min。

在一些实施方式中，镀膜步骤的溅射功率设置为50～140W，溅射气压设置为0.2～0.9Pa，溅射在高纯氩气中进行，溅射时间设置为20～150min。在一些实施方式中，镀膜步骤的溅射功率设置为60～120W，溅射气压设置为0.15～0.75Pa，溅射在高纯氩气中进行，溅射时间设置为25～100min。

在一些实施方式中，预溅射步骤和镀膜步骤连续进行。通常预溅射步骤和镀膜步骤连续进行是指预溅射步骤完成后，在同一个装置中，按照镀膜工艺条件直接进行镀膜，预溅射步骤和镀膜步骤在同一个装置的同一个环境中连续进行，有利于得到性能优良的IGZO薄膜。

实施例1

本实施例1制备高透射率IGZO透明导电薄膜的方法，包括：

将40mm×40mm大小的K9玻璃基片置于聚四氟乙烯玻璃清洗架中，将清洗架放置于250ml烧杯中，加入去离子水用超声波处理15min；将清洗架取出先后分别放入装有丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水溶液的烧杯中，分别用超声波处理15min；将清洗架取出，并将基片置于滤纸上，用高纯氮气吹干，将吹干的基片放入真空干燥箱，在70℃下干燥4小时，备用；

用吸尘器将射频磁控溅射装置的真空室清理干净，并用无水乙醇将挡板部位、舱门密封处擦拭干净，以加速抽真空速度；将IGZO陶瓷靶安装在磁控溅射设备的圆形磁控溅射靶上，同时将基片安装在真空腔室内的可旋转衬底架上，调节靶基距为50mm；

将溅射室抽成高真空，待本底真空度达到1.9×10^-4Pa后，通入溅射气体流量为40sccm的高纯氩气；通过适当调节闸板阀开关的大小来调节溅射工作压强为0.55Pa；通过“固态射频电源”调节功率为30W，待IGZO陶瓷靶起辉后，调节溅射功率为60W，开始预溅射，预溅射时间25分钟；

打开挡板，溅射气压设置为0.55Pa，溅射功率设置为60W，靶基距设置为50mm，溅射室真空气氛为高纯氩气，溅射时间设置为50min，在室温条件下进行IGZO溅射镀膜，计时；当溅射时间达到预设时间50min后，关闭射频电源，关闭气体，溅射结束，即完成IGZO透明导电薄膜的制备。

通过UV-VIS分光光度计测量本实施例制得的IGZO薄膜的透射率图谱，计算得到IGZO薄膜在可见光范围内的平均透射率为91.94％，见图1，图中横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为透光率；图2是本实施例制备的IGZO薄膜的原子力显微镜(AFM)三维图像，可以看出，本实施例制备的IGZO薄膜表面平整、光滑，无孔洞等表面缺陷，具有非常理想的表面性能；图3为本实施例制备的IGZO薄膜的扫面电镜(SEM)图像，薄膜结构完整，薄膜颗粒尺寸分布均匀，薄膜形貌连续且均匀。

实施例2

本实施例制备IGZO透明导电薄膜的方法，包括：

将40mm×40mm大小的K9玻璃基片置于聚四氟乙烯玻璃清洗架中，将清洗架放置于250ml烧杯中，加入去离子水用超声波处理12min；将清洗架取出先后分别放入装有丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水溶液的烧杯中，分别用超声波处理20min；将玻璃清洗架取出，并将基片置于滤纸上，用高纯氮气吹干，将吹干的基片放入真空干燥箱，在75℃下干燥3小时，备用；

用吸尘器将射频磁控溅射装置的真空室清理干净，并用无水乙醇将挡板部位、舱门密封处擦拭干净，以加速抽真空速度；将IGZO陶瓷靶安装在磁控溅射设备的圆形磁控溅射靶上，同时将基片安装在真空腔室内的可旋转衬底架上，调节靶基距为55mm；

将溅射室抽成高真空，待本底真空度达到1.9×10^-4Pa后，通入溅射气体流量为40sccm的高纯氩气；通过适当调节闸板阀开关的大小来调节溅射工作压强为0.75Pa；通过“固态射频电源”调节功率为30W，待IGZO陶瓷靶起辉后，调节溅射功率为80W，开始预溅射，预溅射时间20分钟；

打开挡板，溅射气压设置为0.75Pa，溅射功率设置为80W，靶基距设置为55mm，溅射时间为75min，溅射室真空气氛为高纯氩气，在室温条件下进行IGZO溅射镀膜，计时；当溅射时间达到预设时间75min后，关闭射频电源，关闭气体，溅射结束，即完成IGZO透明导电薄膜的制备。

通过UV-VIS分光光度计测量本发明实施例中所制得的IGZO薄膜的透射率图谱，计算得IGZO薄膜在可见光范围内的平均透射率为92.56％；通过AFM技术测量薄膜的表面状况，本实施例所制备的薄膜表面平整、光滑，无孔洞等表面缺陷，具有非常理想的表面性能；使用SEM观测了薄膜的形貌，薄膜结构完整，薄膜颗粒尺寸分布均匀，薄膜形貌连续且均匀。

实施例3

本实施例制备IGZO透明导电薄膜的方法，包括：

将40mm×40mm大小的K9玻璃衬底置于聚四氟乙烯玻璃清洗架中，将清洗架放置于250ml烧杯中，加入去离子水用超声波处理20min；将清洗架取出先后分别放入装有丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水溶液的烧杯中，分别用超声波处理10min；最后将清洗架取出，并将衬底置于滤纸上用高纯氮气吹干，将吹干的衬底放入真空干燥箱在75℃下干燥4小时，备用；

用吸尘器将射频磁控溅射装置的真空室清理干净，并用无水乙醇将挡板部位、舱门密封处擦拭干净，以加速抽真空速度；将IGZO陶瓷靶安装在磁控溅射设备的圆形磁控溅射靶上，同时将衬底安装在真空腔室内可旋转的衬底架上，调节靶基距为67mm；

将溅射室抽成高真空，待本底真空度达到1.9×10^-4Pa后，通入溅射气体流量为40sccm的高纯氩气；通过适当调节闸板阀关闭的大小来调节溅射工作压强为0.55Pa；通过“固态射频电源”调节功率为30W，待IGZO陶瓷靶起辉后，调节溅射功率为100W，开始预溅射，预溅射时间20分钟；

打开挡板，溅射时间设置为40min，溅射气压设置为0.55Pa，溅射功率设置为100W，靶基距设置为67mm，溅射室真空气氛为高纯氩气，在室温条件下进行IGZO溅射镀膜，并计时；当溅射时间达到预设时间40分钟后，关闭射频电源，关闭气体，溅射结束，即完成IGZO透明导电薄膜的制备。

通过UV-VIS分光光度计测量本发明实施例中所制得的IGZO薄膜的透射率图谱，计算得薄膜在可见光范围内的平均透射率为93.17％；通过AFM技术测量了薄膜的表面状况，本实施例制备的薄膜表面平整、光滑，无孔洞等表面缺陷，具有非常理想的表面性能；使用SEM观测了薄膜的形貌，薄膜结构完整，薄膜颗粒尺寸分布均匀，薄膜形貌连续且均匀。

本发明实施例公开的高透射率IGZO薄膜的制备方法，有效地提高了薄膜的透射率，无需对衬底进行加热或对IGZO透明导电薄膜进行后期热处理，避免了高温过程对不耐高温的衬底上沉积IGZO透明导电薄膜对衬底的影响，且制得的薄膜颗粒尺寸适宜、薄膜连续且均匀，薄膜表面平整、光滑，无孔洞等表面缺陷。降低了生产成本，简化了生产工艺，扩大了IGZO透明导电薄膜的推广领域和范围，具有巨大的工业价值。

本发明公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的构思，并不构成对本发明的限定，凡是对本发明公开的技术细节所做的没有创造性的改变，都与本发明具有相同的发明精神，都在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.高透射率IGZO薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括：基片处理步骤，预溅射步骤和镀膜步骤，所述预溅射步骤和所述镀膜步骤连续进行，所述基片为K9玻璃基片；

所述基片处理步骤包括：

用无机溶剂清洗基片，包括：将基片设置在清洗架上，将清洗架设置于去离子水中，用超声波处理10～20min；

用有机溶剂清洗基片，包括：将清洗架先后置于丙酮溶液、乙醇溶液和水溶液中，分别用超声波处理10～30min；

干燥基片，包括：将基片用干燥高纯氮气处理至干燥，放入真空干燥箱，在60～80℃下保持3～5h；

所述预溅射步骤包括：

安装IGZO靶材，调整靶基距为49～67mm；

将溅射室抽真空，至本底真空度为1×10^-4～6×10^-4Pa；

充入溅射气体高纯氩气，其流量设置为20～40sccm，气压设置为0.5～1.2Pa；开启射频电源，调节溅射功率为8～50W，待IGZO靶材起辉后，调节溅射功率为50～140W，并调节气压为0.2～0.9Pa，溅射时间设置为8～30min；

所述镀膜步骤包括：调节溅射功率为50～140W，调节溅射气压为0.2～0.9Pa，在高纯氩气气氛中进行溅射，溅射时间设置为20～150min。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在所述预溅射步骤中，

所述本底真空度设置为1.9×10^-4～5×10^-4Pa；

所述高纯氩气的流量设置为30～40sccm，所述气压设置为0.7～0.9Pa；

所述调节溅射功率设置为10～30W，待IGZO靶材起辉后，所述调节溅射功率设置为60～120W，并调节所述气压为0.15～0.75Pa，所述溅射时间设置为10～20min。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镀膜步骤包括：

调节溅射功率为60～120W，调节溅射气压为0.15～0.75Pa，在高纯氩气气氛中进行溅射，溅射时间设置为25～100min。

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