CN1718841A - 射频磁控溅射法制备ZnO∶Zr透明导电薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种射频磁控溅射法制备ZnO∶Zr透明导电薄膜的方法，属于电子材料技术领域。首先将纯度均为99.99WT％的ZnO和ZrO2粉末按重量比99∶1－90∶10充分混合，压制成型后，在空气中1250℃－1350℃下烧制成ZnO∶Zr靶材；然后将靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪，溅射制备ZnO∶Zr透明导电薄膜，溅射仪基础真空为5.0×10－4Pa，溅射气体为氩气。本发明的方法设备简单便宜、易于大面积成膜；与溶胶—凝胶法相比，薄膜的光电性能明显改善，薄膜的电阻率达到2.07×10－3Ωcm，可见光透过率达到92％。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法，特别涉及一种射频磁控溅射法制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法，属于电子材料技术领域。
(二)背景技术
透明导电膜在微电子技术方面有着广泛的应用。现在最常用的透明导电薄膜是ITO(In2O3:Sn)薄膜，但当温度高于700K时，ITO薄膜的性能就开始退化，参见H.Kim等人的“用于有机发光器件的铟锡氧化物薄膜”，《应用物理快报》74(1999)3444(H.Kim al.，Indiumtin oxide thin films for organic light-emitting devices，Appl.Phys.Lett.74(1999)3444.)和C.Coutal等人的“用受激准分子激光蒸发制备ITO薄膜及薄膜的特性”，《固体薄膜》288(1996)248(C.Coutal，al，Fabrication and characterization of ITO thinfilms deposited by excimer laser evaporation，Thin Solid Films 288(1996)248)。而当应用到透明加热器和某些化学传感器上时，透明导电膜的高温(＞700K)稳定性是必须的。ZnO:Zr透明导电薄膜很有希望在高温(＞700K)下稳定工作，参见S.B.Qadri等人的“In2O3-ZrO2，SnO2-ZrO2和ZnO-ZrO2透明导电薄膜”，《固体薄膜》377/378(2000)750(S.B.Qadri，al.，Transparent conducting films of In2O3-ZrO2，SnO2-ZrO2 andZnO-ZrO2，Thin Solid Films 377/378(2000)750)。并且与ITO相比，ZnO:Zr透明导电薄膜的原料ZnO和ZrO2具有无毒、便宜和原料丰富等显著优点，所以，ZnO:Zr透明导电薄膜被看做是高温(＞700K)下ITO膜的理想取代者。
通过对现有文献的检索发现，制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法有脉冲激光沉积(PLD)法，参见H.Kim等人的“基于Zr掺杂的ZnO薄膜的用于有机发光二极管的阳极材料”，《应用物理快报》83(2003)3809(H.Kim，al.，Anode material based on Zr-doped ZnO thinfilms for organic light-emitting diodes，Appl.Phys.Lett.83(2003)3809)，还有溶胶-凝胶(sol-gel)法，参见G.K.Paul等人的“溶胶-凝胶法沉积的Zr掺杂的ZnO薄膜的结构、光学和电学性质研究”，《材料化学与物理》79(2003)71(G.K.Paul，al.，opticaland electrical studies on sol-gel deposited Zr doped ZnO fi lms，Materials ChemistryAnd Physics 79(2003)71)。脉冲激光沉积法虽然可以制得电阻率为5.4×10-4Ωcm的薄膜，但是设备昂贵，难以大面积成膜；溶胶-凝胶法虽然设备简单便宜，易于大面积成膜，但是成膜的均匀性和光电性能都比较差，用这种方法制得的薄膜最低电阻率只有7.6×10-2Ωcm。
(三)发明内容
本发明针对现有制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法存在的不足，提供一种射频磁控溅射法制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法。
本发明的技术方案如下：
一种射频磁控溅射法制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法，步骤如下：
(1)将纯度均为99.99WT％的ZnO和ZrO2粉末按重量比99∶1-90∶10充分混合，在55-65MPa的压强下压制成型后，送入高温烧结炉，在空气中1250℃-1350℃下烧结300-400分钟，烧制成ZnO:Zr靶材；
(2)将步骤(1)的靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪，溅射制备ZnO:Zr透明导电薄膜，溅射仪基础真空为5.0×10-4Pa，溅射气体为氩气，气压0.6-3.0Pa，溅射功率为50-200W，溅射时间为4-20分钟，膜厚为100-600nm。
上述步骤(1)中制备靶材时，ZnO和ZrO2粉末压制成型时间是15-25分钟。
上述步骤(2)中基片是#7059玻璃，对基片依次用超声波和丙酮清洗。
上述(2)中溅射气体氩气的纯度为99.99％。
本发明的方法与现有技术相比优良效果如下：
1.与脉冲激光沉积法相比，设备简单便宜、易于大面积成膜；
2.与溶胶一凝胶法相比，薄膜的光电性能明显改善，薄膜的电阻率可达到2.07×10-3Ωcm，可见光透过率达到92％。
(四)附图说明
图1实施例1中溅射制得的ZnO:Zr薄膜的XRD图像。
图2实施例2中溅射制得的ZnO:Zr薄膜的XRD图像。
图3实施例3中溅射制得的ZnO:Zr薄膜的XRD图像。
(五)具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1.
(1)将纯度均为99.99WT％的ZnO和ZrO2粉末按重量比95∶5，用球磨机充分混合；然后，将充分混合后的粉末在60MPa的压强下挤压15分钟成型，然后送入高温烧结炉，在空气中1300℃下烧结360分钟，制得ZnO:Zr靶材。
(2)选用#7059玻璃作为基片，对基片依次用超声波和丙酮清洗。将步骤(1)的靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪，溅射仪基础真空为5.0×10-4Pa，溅射气体为纯度为99.99％的氩气，调节溅射气压为0.6Pa，溅射功率为125W，溅射时间为6分钟，膜厚为170nm，制备薄膜。薄膜的电阻率为9.76×10-3Ωcm。
所制备的ZnO:Zr薄膜的XRD图像如图1所示，由图中可以看到，薄膜具有明显的ZnO(002)峰，说明薄膜已经形成很好的ZnO六角结构，并且C轴垂直于基片。
实施例2.
如实施例1所述，所不同的是步骤(2)中溅射时间为16分钟，膜厚为475nm。薄膜的电阻率为2.07×10-3Ωcm。所制备的ZnO:Zr薄膜的XRD图像如图2所示，与图1相比，ZnO(002)峰的强度显著增强，说明随着膜厚的增加，薄膜的晶粒更大，晶化更强。薄膜的电阻率也明显降低。
实施例3.
如实施例1所述，所不同的是步骤(2)中溅射时间为20分钟，膜厚为600nm。薄膜的电阻率为4.24×10-3Ωcm。所制备的ZnO:Zr薄膜的XRD图像如图3所示，与图2相比，ZnO(002)峰的强度变化不大，说明当膜厚增加到一定程度时，薄膜的晶粒大小和晶化程度趋于稳定。薄膜的电阻率有所升高。
实施例4.
如实施例1所述，所不同的是步骤(1)中ZnO和ZrO2粉末按重量比97∶3，挤压20分钟成型，溅射功率为100W，溅射时间为15分钟，膜厚为300nm。薄膜的电阻率为1×102Ωcm。
Claims (4)
1.一种射频磁控溅射法制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法，步骤如下：
(1)将纯度均为99.99WT％的ZnO和ZrO2粉末按重量比99∶1-90∶10充分混合，在55-65MPa的压强下压制成型后，送入高温烧结炉，在空气中1250℃-1350℃下烧结300-400分钟，烧制成ZnO:Zr靶材；
(2)将步骤(1)的靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪，溅射制备ZnO:Zr透明导电薄膜，溅射仪基础真空为5.0×10-4Pa，溅射气体为氩气，气压0.6-3.0Pa，溅射功率为50-200W，溅射时间为4-20分钟，膜厚为100-600nm。
2.如权利要求1所述的射频磁控溅射法制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(1)中制备靶材时，ZnO和ZrO2粉末压制成型时间是15-25分钟。
3.如权利要求1所述的射频磁控溅射法制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)清洗过的基片是#7059玻璃基片，对基片依次用超声波和丙酮清洗。
4.如权利要求1所述的射频磁控溅射法制备ZnO:Zr透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)中溅射气体氩气的纯度为99.99％。
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