WO2014000708A1 - 铝掺杂氧化锌薄膜、制备方法以及包括其的微机电系统器件 - Google Patents

铝掺杂氧化锌薄膜、制备方法以及包括其的微机电系统器件 Download PDF

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Abstract

一种铝掺杂氧化锌薄膜（200）、制备方法以及包括其的微机电系统器件，该AZO（铝掺杂氧化锌）薄膜（200）形成于衬底（100）之上，所述AZO薄膜（200）的铝掺杂浓度在薄膜厚度方向上逐渐递增；该制备方法中使用溶胶-凝胶法制备形成该AZO薄膜（200）;该MEMS（微机电系统）器件使用该AZO薄膜（200）并在该AZO薄膜（200）之上化学气相沉积成膜形成复合薄膜层（300）。该AZO薄膜（200）导电性能好，且能与复合薄膜层（300）晶格匹配良好，热膨胀相匹配，成本低、无毒、无污染、制备简单。

Description

铝掺杂氧化锌薄膜、 制备方法以及包括其的微机电系统器件 技术领域
本发明属于透明导电薄膜技术领域， 涉及梯度膜结构的 AZO (铝 掺杂氧化锌） 薄膜、 制备方法以及使用该 AZO 薄膜的 MEMS ( Micro-Electro-Mechanical System, 机电系统 ) 器件。 背景技术
透明导电薄膜在太阳能电池、 MEMS 器件、 显示装置等领域广泛 使用， 例如， 在 MEMS器件中， 透明导电薄膜的制备是其制造工艺中 的一步重要工艺。
传统地， MEMS器件中通常使用的透明导电薄膜为 ITO( Indium Tin Oxide, 铟锡金属氧化物） 薄膜。 但是， ITO薄膜具有制造成本昂贵、 使用的原材料有毒、 对环境危害大等缺点。 并且在 MEMS器件中， 通 常需要在 ITO薄膜上沉积形成其他介质薄膜， 而 ITO薄膜上通常难以 进行化学气相沉积（ CVD )成膜， 这是由于 ITO薄膜难以与 CVD形成 的薄膜相晶格匹配造成的。 发明内容
本发明的目的之一在于， 提出一种 AZO薄膜及其制备方法， 从而 能在 AZO薄膜上进行 CVD成膜， 提高该 AZO薄膜与 CVD制备形成 的薄膜的晶格匹配度。
为实现以上目的或者其他目的， 本发明提供以下技术方案。
按照本发明的一方面， 提供一种铝掺杂氧化锌 （AZO ) 薄膜， 其 形成于衬底之上， 所述铝掺杂氧化锌薄膜的铝掺杂浓度在薄膜厚度方 向上逐渐递增。
按照本发明一实施例的铝掺杂氧化锌薄膜， 其中， 所述铝掺杂氧 化锌薄膜基本由 5层子薄膜由下至上依次堆叠形成， 厚度方向上从下 至上的 5层子薄膜的铝掺杂原子百分比含量分别为 1%、 2%、 3%、 4%、 5%。
进一步， 所述铝掺杂氧化锌薄膜可以通过溶胶 -凝胶法或者磁控溅 射法形成。 按照本发明的又一方面， 提供一种制备以上所述的铝掺杂氧化锌 薄膜的方法， 其包括以下步骤：
至少选择二水合乙酸锌、 六水氯化铝、 乙二醇甲醚按一定比例配 比形成溶胶， 其中二水合乙酸锌作为锌源， 六水氯化铝作为铝源； 采用所述溶胶在衬底上进行镀膜；
重复以上过程以形成多层的铝离子逐渐递增的镀膜； 以及
进行退火处理。
进一步， 较佳地， 形成溶胶过程中， 还选择单乙醇胺， 所述单乙 醇胺与所述二水合乙酸锌等摩尔量比。
进一步， 较佳地， 形成溶胶过程中， 配比的溶液在恒温磁力搅拌 器上以 70°C恒温的条件搅拌 120分钟。
进一步， 较佳地， 搅拌结束以后， 所述溶液至少陈化 48小时。 进一步， 较佳地， 所述镀膜过程中， 采用旋涂法镀膜， 所述旋涂 法中， 设置旋转的转速为 3500转 /分钟。
进一步， 较佳地， 每次旋涂结束后， 进行干燥处理。
进一步， 较佳地， 所述退火处理采用管式炉进行， 退火温度设置 在 400°C至 1000 °C之间。
按照本发明的还以方面， 提供一种微机电系统器件， 其至少包括： 以上所述及的任一种铝掺杂氧化锌薄膜； 以及
化学气相沉积成膜形成于所述铝掺杂氧化锌薄膜上的复合薄膜 层。
按照本发明一实施例的微机电系统器件， 其中， 所述复合薄膜层 是由从下至上依次设置的第一氮化硅薄膜、 第一氧化硅薄膜、 非晶硅 薄膜、 第二氧化硅薄膜和第二氮化硅薄膜组成。
较佳地， 所述铝掺杂氧化锌薄膜使用以上所述及的任一种制备方 法制备形成。
较佳地， 所述化学气相沉积为等离子增强型化学气相沉积。
本发明的技术效果是， 该 AZO薄膜具有在薄膜厚度方向上逐渐递 增的铝掺杂浓度， 其不但导电性能好， 而且其能与 CVD成膜形成的复 合薄膜层具有良好的晶格匹配。 选择 AZO薄膜作为 MEMS器件的透 明导电薄膜时， 其能够与其上形成的复合薄膜层晶格匹配良好、 热膨 胀相匹配； 并且 AZO薄膜成本低、 无毒、 无污染、 制备简单。 附图说明
从结合附图的以下详细说明中， 将会使本发明的上述和其他目的 及优点更加完全清楚， 其中， 相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图 1所示为按照本发明一实施例提供的 AZO薄膜的结构示意图。 图 2所示为按照本发明一实施例的制备如图 1所示 AZO薄膜的流 程示意图。
图 3所示为使用如图 2所示的 AZO薄膜的 MEMS器件的局部结 构示意图。 具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些， 旨在提供对本发 明的基本了解， 并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要 保护的范围。 容易理解， 根据本发明的技术方案， 在不变更本发明的实 质精神下， 本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。 因此， 以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说 明， 而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限 制。 在附图中， 为了清楚起见， 夸大了层和区域的厚度。
申请人注意到， AZO薄膜作为一种新提出的宽禁带半导体薄膜， 其禁带宽带约为 3.37eV, 对应的电子结合能为 60meV, 同时其也是一 种透明导电薄膜， 其具有原材料存储丰富、 易于制造、 无毒、 对环境 危害小等优点， 其晶体结构为铅锌矿结构。
图 1所示为按照本发明一实施例提供的 AZO薄膜的结构示意图。 如图 1所示， 该 AZO薄膜 200为一种复合膜， 其包括多层掺杂浓度不 一致的 AZO子薄膜 （ 210至 250 ) , AZO薄膜 200的铝掺杂浓度由下 表面 201至上表面 202逐渐递增， 从而形成梯度膜结构。 在该实施例 中， AZO薄膜 200可以形成在诸如单晶硅衬底的衬底 100上， 其与衬 底 100的接触面为下表面 201 , AZO薄膜 200的上表面为 202, 其在厚 度上从下表面 201至上表面 202铝掺杂浓度逐渐递增， 具体地， AZO 薄膜 200可以在原子百分比浓度为 1%至 5%的范围内逐渐递增。 优选 地， AZO薄膜 200由下至上由 5层 AZO子薄膜 210至 250堆叠形成， 其中， AZO子薄膜 210的铝掺杂原子百分比含量大致为 1%, AZO子 薄膜 220的铝掺杂原子百分比含量大致为 2% , AZO子薄膜 230的铝掺 杂原子百分比含量大致为 3% , AZO子薄膜 240的铝掺杂原子百分比含 量大致为 4% , AZO子薄膜 250的铝掺杂原子百分比含量大致为 5%。 这种结构的薄膜透光率高， 而且电阻率相对较低， MEMS 器件应用时 的导电性能要求。 特别地， 梯度膜结构容易使其上表面 202容易与其 上形成的 CVD薄膜晶格相匹配， 在上表面 202上 CVD成膜容易。
图 2所示为按照本发明一实施例的制备如图 1所示 AZO薄膜的流 程示意图。 在该实施例中， 选择用溶胶-凝胶法 （SOL-Gel ) 制备 AZO 薄膜 200。 如图 2所示， 首先选择二水合乙酸锌 (Zn(CH3COO)2*2H20)、 乙二醇甲醚（ CH30(CH2)2OH ) 、 单乙醇胺（ NH2(CH2)2OH ) 、 六水氯 化铝 (Α ¾·6Η20)按一定量配比配制形成溶胶。 具体地， 二水合乙酸锌 作为锌源， 六水氯化铝作为掺杂元素的铝源， 乙二醇甲醚作为溶剂； 称取一定量的二水合乙酸锌和相应摩尔比的六水氯化铝溶解于乙二醇 甲醚的有机溶剂中， 滴入与二水合乙酸锌等摩尔量的单乙醇胺以保证 溶液的酸碱度保持中性， 并起到稳定溶胶的作用。 需要说明的是， 由 于需要制备铝掺杂浓度不同的五层 ΑΖΟ子薄膜， 本领域技术人员可以 根据需要根据欲制备的 ΑΖΟ子薄膜的铝掺杂含量， 相应地计算出各成 分的配比。 并且， 对每一次镀膜， 可以分别配制成不同配比的溶胶， 从而实现铝掺杂的梯度递增。 在形成溶胶的过程中， 配比形成的溶液 可以在恒温磁力搅拌器上 70°C恒温搅拌 120分钟， 形成具有一定锌离 子浓度的淡黄色透明溶胶， 并可以利用丁达尔效应来判断生成的是不 是溶胶， 配好的溶胶静置陈化 48小时后用于其后的涂膜过程。
进一步， 如图 2所示， 在衬底 （或称为基片） 清洗后， 在衬底表 面采用溶胶镀膜， 在该实施例中， 5次分别采用 5种不同配比的溶胶重 复镀膜。 从而可以在其后分别形成 AZO子薄膜 210至 250。 具体地， 可以选择旋转法进行镀膜，旋转的转速为 3500转 /分钟； 一共需要采用 不同的溶胶来旋涂 5次，每镀完一层薄膜后， 需要在 350°C条件下干燥 10分钟。
进一步， 进行退火处理， 形成如图 2所示的 AZO薄膜 200。 在该实 施例中， 可以但不限于采用管式炉进行退火处理， 退火温度大致在 400°C -1000°C之间。
在该实施例中， 还可以但不限于对该 AZO薄膜进行了性能测试分 析过程。
至此， 采用溶胶-凝胶法制备形成了如图 2所示的 AZO薄膜 200。 该方法尤其适用于梯度膜结构的制备， 并且成本低、 无毒、 无污染。
在其他实施例中， 也可以采用诸如磁控溅射薄膜沉淀法形成 AZO 薄膜 200, 在磁控溅射过程中， AZO薄膜 200的 AZO子薄膜的铝掺杂 的含量通过工艺条件控制实现， 重复进行 5 次磁控溅射沉积， 即可形 成梯度膜结构的 AZO薄膜 200。
图 3所示为使用如图 2所示的 AZO薄膜的 MEMS器件的局部结 构示意图。 在该 MEMS器件中使用 AZO薄膜 200作为透明导电薄膜， 并且包括在其上 CVD成膜的复合薄膜层 300。 在该实施例中， MEMS 器件可以红外传感器或者压力传感器， 复合薄膜层 300 优选地通过 PECVD(等离子增强化学气相沉积）的方法形成于 AZO薄膜 200之上， 其与 AZO薄膜 200之间具有良好的晶格匹配， 并且， 溶胶-凝胶法形 成的 AZO薄膜 200与复合薄膜层 300具有良好的热膨胀匹配性能。 具 体地， 复合薄膜层 300 可以主要是由从下至上依次设置的氮化硅薄膜 310、 氧化硅薄膜 320、 非晶硅薄膜 330、 氧化硅薄膜 340和氮化硅薄 膜 350组成。 氮化硅薄膜 310、 氧化硅薄膜 320、 非晶硅薄膜 330、 氧 化硅薄膜 340和氮化硅薄膜 350均可以通过 PECVD方法逐层地沉积形 成。
根据 MEMS器件的具体类型差异， CVD成膜的复合薄膜层 300的 结构并不限于本发明实施例， 复合薄膜层 300 中的每层薄膜的沉积工 艺条件、 薄膜厚度等可以根据 MEMS器件的具体类型要求来设定。
以上例子主要说明了本发明的 AZO薄膜、 AZO薄膜的制备方法以 及使用该 AZO薄膜的 MEMS器件。 尽管只对其中一些本发明的实施 方式进行了描述， 但是本领域普通技术人员应当了解， 本发明可以在 不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。 因此， 所展示的例子 与实施方式被视为示意性的而非限制性的， 在不脱离如所附各权利要 求所定义的本发明精神及范围的情况下， 本发明可能涵盖各种的修改 与替换。

Claims

权利要求书
1. 一种铝掺杂氧化锌薄膜， 其形成于衬底之上， 其特征在于， 所 述铝掺杂氧化锌薄膜的铝掺杂浓度在薄膜厚度方向上逐渐递增。
2. 如权利要求 1所述的铝掺杂氧化锌薄膜， 其特征在于， 所述铝 掺杂氧化锌薄膜基本由 5层子薄膜由下至上依次堆叠形成， 厚度方向 上从下至上的 5层子薄膜的铝掺杂原子百分比含量分别为 1%、 2%、 3%、 4%、 5%。
3. 如权利要求 1或 2所述的铝掺杂氧化锌薄膜， 其特征在于， 所 述铝掺杂氧化锌薄膜通过溶胶-凝胶法或者磁控溅射法形成。
4. 一种制备如权利要求 1所述的铝掺杂氧化锌薄膜的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤：
至少选择二水合乙酸锌、 六水氯化铝、 乙二醇甲醚按一定比例配 比形成溶胶， 其中二水合乙酸锌作为锌源， 六水氯化铝作为铝源； 采用所述溶胶在衬底上进行镀膜；
重复以上过程以形成多层的铝离子逐渐递增的镀膜； 以及
进行退火处理。
5. 如权利要求 4所述的方法， 其特征在于， 形成溶胶过程中， 还 选择单乙醇胺， 所述单乙醇胺与所述二水合乙酸锌等摩尔量比。
6. 如权利要求 4所述的铝掺杂氧化锌薄膜， 其特征在于， 形成溶 胶过程中，配比的溶液在恒温磁力搅拌器上以 70°C恒温的条件搅拌 120 分钟。
7. 如权利要求 6所述的铝掺杂氧化锌薄膜， 其特征在于， 搅拌结 束以后， 所述溶液至少陈化 48小时。
8. 如权利要求 4所述的铝掺杂氧化锌薄膜， 其特征在于， 所述镀 膜过程中， 采用旋涂法镀膜， 所述旋涂法中， 设置旋转的转速为 3500 转 /分钟。
9. 如权利要求 8所述的铝掺杂氧化锌薄膜， 其特征在于， 每次旋 涂结束后， 进行干燥处理。
10. 如权利要求 4所述的铝掺杂氧化锌薄膜， 其特征在于， 所述退 火处理采用管式炉进行， 退火温度设置在 400°C至 1000°C之间。
11. 一种微机电系统器件， 其特征在于， 至少包括：
如权利要求 1至 3中任一项所述的铝掺杂氧化锌薄膜； 以及 化学气相沉积成膜形成于所述铝掺杂氧化锌薄膜上的复合薄膜 层。
12. 如权利要求 11所述的微机电系统器件， 其特征在于， 所述复 合薄膜层是由从下至上依次设置的第一氮化硅薄膜、 第一氧化硅薄膜、 非晶硅薄膜、 第二氧化硅薄膜和第二氮化硅薄膜组成。
13. 如权利要求 11或 12所述的微机电系统器件， 其特征在于， 所 述铝掺杂氧化锌薄膜使用权利要求 4至 10中任一项所述的方法制备形 成。
14. 如权利要求 13所述的微机电系统器件， 其特征在于， 所述化 学气相沉积为等离子增强型化学气相沉积。
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ZHOU, JIAN ET AL.: "Preparation and Properties of Gradient Doped AZO Thin Films.", JOURNAL OF SOUTHWEST UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY., vol. 25, no. 3, September 2010 (2010-09-01), pages 1 - 5 *

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