專利名稱：一種直流磁控共濺射法制備ZnO∶Al透明導(dǎo)電薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，尤其涉及一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，屬于光電信息材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透明導(dǎo)電薄膜是一種重要的光電信息材料，不僅兼?zhèn)涞碗娮韬透叩目梢姽馔高^率，還具有優(yōu)良的膜強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。優(yōu)良的光電特性使其在電子工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它可用作液晶顯示器、電致發(fā)光顯示器、非晶硅太陽能電池的透明電極；在汽車、機(jī)車、飛機(jī)、冷庫、儀器儀表等方面做可視觀察的防霜防霧膜；利用其良好的微波屏蔽作用，用于計算機(jī)房、雷達(dá)屏蔽防護(hù)等。目前國內(nèi)所生產(chǎn)的透明導(dǎo)電薄膜從材料上看主要集中在ITO(In2O3:Sn)薄膜，且絕大部分靶材依賴進(jìn)口。ITO薄膜價格昂貴，迫使研究人員去尋找新的膜系。近幾年發(fā)現(xiàn)ZnO膜系中的ZnO:Al薄膜的光電性能與ITO薄膜性能相當(dāng)，但其成本等方面比ITO薄膜有較大的優(yōu)勢。Zn價格比In、Sn的價格低，以其為原料的ZnO:Al薄膜必然比ITO薄膜成本低；In有毒，它不但污染環(huán)境，而且還會對人體健康造成危害，而Zn是人體成長所不可缺的微量元素；在氫等離子體等特殊場合下應(yīng)用ZnO:Al薄膜，其性能穩(wěn)定，ITO薄膜則無法相比；任何制備ITO薄膜的方法可以用來制備ZnO:Al薄膜。因ZnO:Al薄膜資源豐富、價格便宜、無毒、進(jìn)一步研究的空間很大，可望成為ITO薄膜的替代，從而解決In資源短缺的困擾。
通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法有射頻磁控濺射(RF magnetron sputtering)法，參見Satoshi Kobayakawa等人的“射頻磁控濺射法制備的Al摻雜的ZnO薄膜的性質(zhì)研究”，《核儀器與物理研究方法》B249(2006)536-539(Satoshi Kobayakawa，Yoshikazu Tanaka，Ari Ide-Ektessabi.Characteristics of Al doped zinc oxide(ZAO)thin films deposited by RF magnetronsputtering，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B249(2006)536-539)；直流磁控反應(yīng)濺射(dc magnetron reactive sputtering)法，參見M.Chen等人的“直流磁控反應(yīng)濺射法制備Al摻雜的ZnO薄膜”，《材料快報》48(2001)194-198(M.Chen，Z.L.Pei，C.Sun，etal.Formation of Al-doped ZnO films bydc magnetron reactive sputtering，Materials Letters 48(2001)194-198)；脈沖激光沉積(pulsed laser deposition)法，參見R.K.Shukla等人的“用脈沖激光沉積法生長透明導(dǎo)電納米晶Al摻雜的ZnO薄膜”，《晶體生長》294(2006)427-431(R.K.Shukla，Anchar Srivastave，Atul Srivastava，et al.Growth of transparent conductingnanocrystalline Al doped ZnO thin films by pulsed laser deposition，Journal of CrystalGrowth 294(2006)427-431)；熱噴涂(Spray pyrolysis)法，參見M.T.Mohammad等人的“熱噴涂法制備導(dǎo)電透明的ZnO薄膜”，《材料化學(xué)與物理》99(2006)382-387(M.T.Mohammad，A.A.Hashim，M.H.Al-Maamory.Highly conductive andtransparent ZnO thin films prepared by spray pyrolysis technique，MaterialsChemistry and Physics 99(2006)382-387)；溶膠-凝膠(sol-gel)法，參見V.Musat等人的“退火處理對ZnO:Al薄膜電學(xué)和光學(xué)性能影響”，《固體薄膜》502(2006)219-222(V.Musat，B.Teixeira，E.Fortunato，et al.Effect of post-heat treatment onthe electrical and optical properties of ZnO:Al thin films，Thin Solid Films 502(2006)219-222)。
射頻磁控濺射法用ZnO/Al2O3氧化物陶瓷靶，氧化物靶的制造麻煩，靶的成本高，靶材不能回收利用；直流磁控反應(yīng)濺射法用Zn/Al合金靶，在最佳工藝條件下可以制得電阻率為4.8×10-4Ωcm和可見光透過率接近90％的薄膜，合金靶較陶瓷靶制造方便，但金屬易氧化的本性決定了合金靶容易毒化，對濺射鍍膜有影響，靶材不能回收利用。脈沖激光沉積法在最佳工藝條件下可以制得電阻率為6×10-4Ωcm和可見光透過率接近85％的薄膜，但是設(shè)備昂貴，難以大面積成膜；熱噴涂法設(shè)備簡單便宜，但在最佳工藝條件下制得薄膜電導(dǎo)率和可見光透過率分別為0.3(Ωcm)-1和70％；溶膠-凝膠法設(shè)備簡單便宜，在最佳工藝條件下制得薄膜電阻率和可見光透過率分別為2.9×10-3Ωcm和80％，薄膜光電性能和旋轉(zhuǎn)涂膜的厚度均勻性比較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)中的不足而提供一種用直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，該方法成本低廉、靶材制造方便且可回收利用，易于大面積成膜，所制成的透明導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電性和光學(xué)透過率高，厚度均勻性好，性能優(yōu)越。
本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，步驟如下(1)將高純度的金屬Zn靶安裝在直流磁控濺射裝置的濺射室的水冷的陰極靶槽中，高純度的金屬Al片附著在Zn靶表面，將清洗過的基片放入基片架，把基片架插入濺射室的基片盤中，調(diào)整靶基距(靶與基片之間的距離)為40-80mm，優(yōu)選50mm；(2)對濺射室進(jìn)行抽氣，使濺射室的基礎(chǔ)真空小于1.0×10-3Pa，優(yōu)選4.0×10-4Pa，給基片加熱至100℃-300℃，后向?yàn)R射室內(nèi)分別充入濺射氣體氬氣和反應(yīng)氣體氧氣，氬氣和氧氣的流量比值為4-10，濺射氣體Ar氣由導(dǎo)管引到金屬靶面附近，反應(yīng)氣體O2氣由導(dǎo)管引到基片附近，并減少抽氣量，使濺射室的氣體壓力為0.5-3Pa，最后磁控濺射，制得ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的金屬Al片的有效區(qū)域面積占2-8份，Zn靶有效區(qū)域面積占92-98份。優(yōu)選金屬Al片的有效區(qū)域面積占4份，Zn靶有效區(qū)域面積占96份。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的金屬Zn靶的純度大于99.99wt.％，金屬Al片的純度大于99.99wt.％。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的金屬Zn靶的形狀為圓形，金屬Al片的形狀為扇形。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的Zn靶直徑為60mm，濺射室的濺射功率20W-50W。優(yōu)選Corning1737F玻璃片，厚度1.1mm。所述的基片在玻璃洗液中浸泡，在酒精和去離子水中超聲清洗，用氮?dú)鈽尨蹈伞?br> 為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的基片盤能0-360°回轉(zhuǎn)。
為了避免金屬靶的氧化，提高薄膜沉積速率，本發(fā)明采用反應(yīng)濺射成膜技術(shù)，濺射氣體Ar氣不僅提供了轟擊金屬靶材的離子源，而且惰性氣體Ar氣保護(hù)了金屬靶。
在優(yōu)選工藝條件下，即濺射室氣體壓力1.8Pa、氬氣和氧氣流量分別為24sccm和4sccm、濺射功率46W和基片溫度250℃，制得薄膜的電阻率為5.2×10-4Ωcm，可見光范圍內(nèi)薄膜的透過率高于95％。
本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)良效果如下1.與射頻磁控濺射法和直流磁控反應(yīng)濺射法相比，純金屬靶材制造簡單，價格低廉，可以回收利用；2.與脈沖激光沉積法相比，設(shè)備簡單便宜、易于大面積成膜；3.與熱噴涂法和溶膠-凝膠法相比，薄膜的導(dǎo)電性和可見光范圍的光學(xué)透過率明顯提高，厚度均勻性好。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明實(shí)施例1
(1)將純度99.99wt.％、直徑60mm的金屬Zn靶安裝在直流磁控濺射裝置的濺射室的水冷的陰極靶槽中，純度99.99wt.％的金屬Al片附著在Zn靶表面，Zn靶的形狀為圓形，金屬Al片的形狀為扇形。金屬Al片的有效區(qū)域面積占4份，Zn靶有效區(qū)域面積占96份。以厚度1.1mm的Corning 1737F玻璃為基片，基片在玻璃洗液中浸泡，在酒精和去離子水中超聲清洗，用氮?dú)鈽尨蹈?，將清洗過的基片放入基片架，把基片架插入濺射室的基片盤中，基片盤能0-360°回轉(zhuǎn)，調(diào)整靶基距(靶與基片之間的距離)為50mm；(2)對濺射室進(jìn)行抽氣，使濺射室的基礎(chǔ)真空為4.0×10-4Pa，給基片加熱至100℃(即襯底溫度)，后向?yàn)R射室內(nèi)分別充入濺射氣體氬氣和反應(yīng)氣體氧氣，濺射氣體氬氣流量24sccm，反應(yīng)氣體氧氣流量4sccm，氬氣和氧氣的流量比值為6，濺射氣體Ar氣由導(dǎo)管引到金屬靶面附近，反應(yīng)氣體O2氣由導(dǎo)管引到基片附近，并減少抽氣量，使濺射室的氣體壓力為1.8Pa，最后磁控濺射的濺射功率46W，濺射8分鐘，制得ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜，制得薄膜厚度150nm，薄膜的電阻率為8.2×10-4Ωcm，薄膜的可見光范圍的光學(xué)透過率超過94％，薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2濺射用靶與實(shí)施例1相同，所不同的是步驟(2)中襯底溫度為250℃，薄膜其它制備條件與實(shí)施例1相同。薄膜的電阻率為5.2×10-4Ωcm，薄膜的可見光范圍的光學(xué)透過率超過95％，薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3.
濺射用靶與實(shí)施例1相同，所不同的是步驟(2)中襯底溫度為300℃，薄膜其它制備條件與實(shí)施例1相同。薄膜的電阻率為7.3×10-4Ωcm，薄膜的可見光范圍的光學(xué)透過率超過92％，薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例4將純度99.999wt.％的直徑60mm的金屬Zn靶安裝在水冷的陰極靶槽中，純度99.999wt.％的扇形金屬Al片附著在Zn靶表面，磁控濺射Al片的有效區(qū)域面積占8份，Zn靶有效區(qū)域面積占92份。薄膜制備條件與實(shí)施例2相同。薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)，薄膜的電阻率為8.6×10-4Ωcm，薄膜的可見光范圍的光學(xué)透過率超過93％。
實(shí)施例5將純度99.999wt.％的直徑60mm金屬Zn靶安裝在水冷的陰極靶槽中，純度99.99wt.％的扇形金屬Al片附著在Zn靶表面，磁控濺射Al片的有效區(qū)域面積占2份，Zn靶有效區(qū)域面積占98份。薄膜制備條件與實(shí)施例2相同。薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)，薄膜的電阻率為6.7×10-4cm，薄膜的可見光范圍的光學(xué)透過率超過94％。
實(shí)施例6濺射用靶和基片與實(shí)施例1相同，所不同的是調(diào)整靶基距為40mm，基片加熱溫度250℃，濺射氣體氬氣流量24sccm，反應(yīng)氣體氧氣流量2.4sccm，氬氣和氧氣的流量比值為10，濺射室的氣體壓力為0.5Pa，最后磁控濺射的濺射功率20W，濺射時間18分鐘，制得薄膜厚度150nm，薄膜其它制備條件與實(shí)施例1相同。薄膜的電阻率為6.4×10-4Ωcm，薄膜的可見光范圍的光學(xué)透過率大于87％。
實(shí)施例7濺射用靶和基片與實(shí)施例1相同，所不同的是調(diào)整靶基距為80mm，濺射室的基礎(chǔ)真空為2.0×10-4Pa，基片加熱溫度250℃，濺射氣體氬氣流量24sccm，反應(yīng)氣體氧氣流量6sccm，氬氣和氧氣的流量比值為4，濺射室的氣體壓力為3Pa，最后磁控濺射的濺射功率50W，濺射時間10分鐘，制得薄膜厚度150nm，薄膜其它制備條件與實(shí)施例1相同。薄膜的電阻率為8.0×10-4Ωcm，薄膜的可見光范圍的光學(xué)透過率超過94％，薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于步驟如下(1)將高純度的金屬Zn靶安裝在直流磁控濺射裝置的濺射室的水冷的陰極靶槽中，高純度的金屬Al片附著在Zn靶表面，將清洗過的基片放入基片架，把基片架插入濺射室的基片盤中，調(diào)整靶基距為40-80mm；(2)對濺射室進(jìn)行抽氣，使濺射室的基礎(chǔ)真空小于1.0×10-3Pa，給基片加熱至100℃-300℃，后向?yàn)R射室內(nèi)分別充入濺射氣體氬氣和反應(yīng)氣體氧氣，氬氣和氧氣的流量比值為4-10，濺射氣體Ar氣由導(dǎo)管引到金屬靶面附近，反應(yīng)氣體O2氣由導(dǎo)管引到基片附近，并減少抽氣量，使濺射室的氣體壓力為0.5-3Pa，最后磁控濺射，制得ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的金屬Al片的有效區(qū)域面積占2-8份，Zn靶有效區(qū)域面積占92-98份。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的金屬Al片的有效區(qū)域面積占4份，Zn靶有效區(qū)域面積占96份。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的金屬Zn靶的純度大于99.99wt.％，金屬Al片的純度大于99.99wt.％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的金屬Zn靶的形狀為圓形，金屬Al片的形狀為扇形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的Zn靶直徑為60mm，濺射室的濺射功率20W-50W。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的基片是玻璃片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的基片是Corning 1737F玻璃片，厚度1.1mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的基片在玻璃洗液中浸泡，在酒精和去離子水中超聲清洗，用氮?dú)鈽尨蹈伞?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流磁控共濺射法制備ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征在于所述的基片盤能0-360°回轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直流磁控共濺射法制備ZnO∶Al透明導(dǎo)電薄膜的方法，用直流磁控共濺射技術(shù)在玻璃基片上制備出具有多晶結(jié)構(gòu)的ZnO∶Al透明導(dǎo)電膜，濺射靶為分離的純金屬鋅靶和鋁靶，調(diào)整靶基距為40－80mm，濺射室基礎(chǔ)真空為小于1.0×10
文檔編號C23C14/54GK1944705SQ200610069500
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者閆金良, 李清山, 孫學(xué)卿 申請人:魯東大學(xué)