CN110218972A

CN110218972A - 磁控溅射原位制备具有择优取向azo光电薄膜的方法

Info

Publication number: CN110218972A
Application number: CN201910560070.5A
Authority: CN
Inventors: 郑荣戌; 刘红岩; 王晓强; 李明亚; 余述劲; 夏侯博文; 陈坤; 陈怡�
Original assignee: Northeastern University Qinhuangdao Branch
Current assignee: Northeastern University Qinhuangdao Branch
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2019-09-10

Abstract

一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，包括如下步骤：(1)将基片进行表面处理；所述的基片材质为电子玻璃或柔性衬底材料，所述的柔性衬底材料选用聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亚胺(PI)；(2)安装靶材，基片装入真空室；(3)抽真空后通入氩气，控制通入氩气的流量；对靶材进行预溅射清洗；(4)室温条件下，调节溅射电压和电流，开始磁控溅射，在基片上制成具有择优取向AZO光电薄膜。本发明的方法在保证性能的基础上，整个制备过程无需加热和后期热处理，简化制备工艺，降低能耗。

Description

磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法

技术领域

本发明属于广电材料技术领域，特别涉及一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法。

背景技术

透明导电薄膜(TCO，transparent conductive oxide)在能源、信息、国防等领域具有广泛的应用价值和重要的研究意义；相较于传统的透明导电薄膜ITO和FTO，AZO薄膜具有价格低廉、绿色环保、无毒无害、原材料丰富易得等优点，更适合广泛应用于光电子器件、平面显示、触摸屏、薄膜太阳能电池等领域。

磁控溅射法作为工业上制备薄膜的最常用的方法，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，射频磁控溅射法是目前较为成熟的制备AZO薄膜的工艺之一。

制备AZO薄膜的晶体结构(002)取向性对其光电性能有极大的影响，因此目前射频磁控溅射制备AZO薄膜的过程中，需通过原位加热或者制备出薄膜后进行后期热处理，才能获得(002)择优取向，进而制备出优良光电性能的AZO薄膜，这样不仅提高了生产成本，而且极大限制了薄膜沉积基底的选择，尤其是柔性基底，不利于其大规模应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，不需原位加热或后期热处理，采用射频磁控溅射，原位室温直接生长出具有良好(002)取向的AZO薄膜，具有优异光电性能，制备过程中沉积速率快。

本发明的方法包括如下步骤：

1、将基片进行表面处理；所述的基片材质为电子玻璃或柔性衬底材料，所述的柔性衬底材料选用聚乙烯对苯二酸酯(PET)、聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亚胺(PI)；

2、在射频磁控溅射设备上安装靶材，然后将表面处理后的基片装入射频磁控溅射设备的真空室；所述的靶材为AZO靶材，按质量百分比含Al₂O₃ 2±0.5％，其余为ZnO；

3、对真空室抽真空至8×10^-4Pa以下，然后通入氩气，控制通入氩气的流量36～68sccm；通过调节射频磁控溅射设备的闸板阀，控制真空室内的氩气压力为0.8～1.2Pa，对靶材进行预溅射清洗，去除靶材表面的杂质，预溅射清洗时间5～15min；

4、在室温条件下，调节溅射电压1.52～1.75kV，电流110～120mA，保持氩气的流通量为36～68sccm；开始磁控溅射，时间20～30min，在基片上制成具有择优取向AZO光电薄膜。

上述的步骤3中，对真空室抽真空时，先抽真空至15Pa以下，再开启分子泵抽真空至8×10^-4Pa以下。

上述的表面处理是将基片依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中分别进行一次超声清洗，每次超声清洗的时间至少5min；最后取出用氮气吹干表面的无水乙醇。

上述的射频磁控溅射设备的射频匹配器的自偏压范围设为0.16～0.24kV。

上述的步骤3和4中，进行预溅射清洗和磁控溅射时的靶基距为60～80mm。

上述的具有择优取向AZO光电薄膜的厚度为590～1700nm，按质量百分比含Al 1.5～2.4％，Zn 80.60～82.40％，其余为O。

本发明采用室温下射频磁控溅射真空镀膜方法制备高性能AZO透明导电薄膜，通过优化本地真空度、工作气压、氩气流量、射频电压、射频电流、自偏压等参数，调整合适的靶材布局，实现AZO薄膜的可控制备；本发明通过改进工艺参数，可实现原位室温直接沉积出具有(002)择优取向的AZO薄膜，且薄膜光电综合性能优异，生长速率高，薄膜均匀性好；在保证性能的基础上，整个制备过程无需加热和后期热处理，可明显简化制备工艺，提高生产效率，降低能耗；对工业化大规模生产，可节省大量用电量，绿色环保，从而降低薄膜生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1和2中的AZO薄膜的XRD图；图中，上方为实施例1，下方为实施例2；

图2为本发明实施例1中的AZO薄膜表面和截面的SEM图；图中，(a)为表面，(b)为截面；

图3为本发明实施例1和2中的AZO薄膜在可见光范围内的透过率曲线图；

图4为本发明实施例中的AZO薄膜的光电综合性能曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的电子玻璃和柔性衬底材料为市购产品。

本发明实施例中电子玻璃基片的尺寸为20mm×20mm，厚度为1.1～3mm。

本发明实施例中柔性衬底基片的尺寸为20mm×20mm，厚度为0.2mm。

本发明实施例中的射频磁控溅射设备为JGP-450A，射频溅射功率范围50～400W。

本发明实施例中的氩气纯度99％。

本发明实施例中的AZO靶材为市购产品。

本发明实施例中的AZO靶材的直径Φ60cm。

本发明实施例中的具有(002)择优取向的AZO光电薄膜，在波长400～800nm的可见光范围内的透过率≥84％。

本发明实施例中的具有(002)择优取向AZO光电薄膜的方阻为8.2～13.7Ω/□(Ω/sq)。

本发明实施例中的具有(002)择优取向AZO光电薄膜的生长速率为54.8～56.6nm/min。

本发明实施例中采用UV紫外可见分光光度计测量薄膜的透过率，测试波长范围为350～1100nm，扣除玻璃背底，获得AZO薄膜的透过率。

本发明实施例中使用霍尔电学测试系统测得薄膜方阻和电阻率，品质因数由Ф_TC＝T¹⁰/Rs计算得到，其中T为透过率，Rs为方阻。

本发明实施例中生长速率由薄膜厚度除以溅射时间得到。

本发明实施例中预溅射时的功率180W。

本发明实施例中超声处理的频率为28kHz。

本发明实施例中采用的氮气纯度为99％。

本发明实施例中具有(002)择优取向AZO光电薄膜按质量百分比含Al 1.5～2.4％，Zn 80.60～82.40％，其余为O。

实施例1

将基片进行表面处理；将基片依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中分别进行一次超声清洗，每次超声清洗的时间至少5min；最后取出用氮气吹干表面的无水乙醇；基片材质为电子玻璃(钠钙玻璃)；

在射频磁控溅射设备上安装靶材，然后将表面处理后的基片装入射频磁控溅射设备的真空室；所述的靶材为AZO靶材，按质量百分比含Al₂O₃ 2±0.5％，其余为ZnO；

对真空室抽真空，先抽真空至15Pa以下，再开启分子泵抽真空至8×10^-4Pa以下，然后通入氩气，控制通入氩气的流量60sccm；通过调节射频磁控溅射设备的闸板阀，控制真空室内的氩气压力为0.8Pa，对靶材进行预溅射清洗，去除靶材表面的杂质，预溅射清洗时间5min；靶基距为70mm；

在室温条件下，调节溅射电压1.52kV，电流120mA，保持氩气的流通量为60sccm；开始磁控溅射，时间30min，射频匹配器的自偏压范围设为0.16kV，在基片上制成具有择优取向AZO光电薄膜，厚度1698nm，XRD图如图1所示，表面和截面的SEM图如图2所示，透过率曲线如图3所示(60sccm)，光电综合性能曲线如图4所示；具有择优取向AZO光电薄膜在400～800nm可见光范围内透过率大于84％，方阻为8.2Ω，薄膜的生长速率为56.6nm/min。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)氩气的流量44sccm；真空室内的氩气压力1.2Pa，预溅射清洗时间15min；靶基距为60mm；

(2)调节溅射电压1.75kV，电流110mA，保持氩气的流量44sccm；自偏压范围设为0.24kV，磁控溅射时间20min，基片上的具有择优取向AZO光电薄膜厚度1096nm，XRD图如图1所示，透过率曲线如图3所示(44sccm)；具有择优取向AZO光电薄膜在400～800nm可见光范围内透过率大于84％，方阻为10.1Ω，薄膜的生长速率为54.8nm/min。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)基片材质为柔性衬底材料聚酰亚胺(PI)；

(2)氩气的流量68sccm；真空室内的氩气压力1.0Pa，预溅射清洗时间10min；靶基距为80mm；

(3)调节溅射电压1.63kV，电流115mA，保持氩气的流量68sccm；自偏压范围设为0.20kV，磁控溅射时间25min，基片上的具有择优取向AZO光电薄膜厚度1378nm，在400～800nm可见光范围内透过率大于85％，方阻为13.7Ω，薄膜的生长速率为55.1nm/min。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

(1)基片材质为柔性衬底材料聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；

(2)氩气的流量36sccm；真空室内的氩气压力1.1Pa，预溅射清洗时间12min；靶基距为75mm；

(3)调节溅射电压1.66kV，电流120mA，保持氩气的流量36sccm；自偏压范围设为0.22kV，磁控溅射时间25min，基片上的具有择优取向AZO光电薄膜厚度1383nm，在400～800nm可见光范围内透过率大于86％，方阻为12.2Ω，薄膜的生长速率为55.3nm/min。

实施例5

方法同实施例1，不同点在于：

(1)基片材质为柔性衬底材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)；

(2)氩气的流量52sccm；真空室内的氩气压力0.9Pa，预溅射清洗时间8min；靶基距为65mm；

(3)调节溅射电压1.58kV，电流110mA，保持氩气的流量52sccm；自偏压范围设为0.18kV，磁控溅射时间25min，基片上的具有择优取向AZO光电薄膜厚度1403nm，在400～800nm可见光范围内透过率大于87％，方阻为11.9Ω，薄膜的生长速率为56.1nm/min。

实施例6

方法同实施例1，不同点在于：

(1)基片材质为聚乙烯对苯二酸酯(PET)；

(2)氩气的流量61ccm；真空室内的氩气压力0.9Pa，预溅射清洗时间10min；靶基距为68mm；

(3)调节溅射电压1.70kV，电流120mA，保持氩气的流量61sccm；自偏压范围设为0.20kV，磁控溅射时间28min，基片上的具有择优取向AZO光电薄膜厚度1582nm，在400～800nm可见光范围内透过率大于87％，方阻为10.1Ω，薄膜的生长速率为56.5nm/min。

以上对本发明的具体实施例进行的详细的阐述，但是此例仅作为示例，本发明包含但不限于上述描述的具体实施例。

Claims

1.一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将基片进行表面处理；所述的基片材质为电子玻璃或柔性衬底材料，所述的柔性衬底材料选用聚乙烯对苯二酸酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺；

(2)在射频磁控溅射设备上安装靶材，然后将表面处理后的基片装入射频磁控溅射设备的真空室；所述的靶材为AZO靶材，按质量百分比含Al₂O₃2±0.5％，其余为ZnO；

(3)对真空室抽真空至8×10^-4Pa以下，然后通入氩气，控制通入氩气的流量36～68sccm；通过调节射频磁控溅射设备的闸板阀，控制真空室内的氩气压力为0.8～1.2Pa，对靶材进行预溅射清洗，去除靶材表面的杂质，预溅射清洗时间5～15min；

(4)在室温条件下，调节溅射电压1.52～1.75kV，电流110～120mA，保持氩气的流通量为36～68sccm；开始磁控溅射，时间20～30min，在基片上制成具有择优取向AZO光电薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，其特征在于步骤(3)中，对真空室抽真空时，先抽真空至15Pa以下，再开启分子泵抽真空至8×10^-4Pa以下。

3.根据权利要求1所述的一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，其特征在于步骤(1)中，表面处理是将基片依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中分别进行一次超声清洗，每次超声清洗的时间至少5min；最后取出用氮气吹干表面的无水乙醇。

4.根据权利要求1所述的一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，其特征在于步骤(4)中，射频磁控溅射设备的射频匹配器的自偏压范围设为0.16～0.24kV。

5.根据权利要求1所述的一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，其特征在于步骤(3)和(4)中，进行预溅射清洗和磁控溅射时的靶基距为60～80mm。

6.根据权利要求1所述的一种磁控溅射原位制备具有择优取向AZO光电薄膜的方法，其特征在于所述的具有择优取向AZO光电薄膜的厚度为590～1700nm，按质量百分比含Al 1.5～2.4％，Zn 80.60～82.40％，其余为O。