一種制備含氫氧化鋅鋁透明導電薄膜的方法
【專利摘要】一種制備含氫氧化鋅鋁透明導電薄膜制備的方法。首先將濺射真空腔體背底真空抽至8.0×10-4pa，樣品臺溫度為室溫，隨后打開針閥，向真空腔體中通入水蒸氣，通過針閥調(diào)整水蒸氣為3×10-3pa～1.0×10-2pa，再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整腔體真空至0.5Pa～2Pa，濺射功率為80W～120W，沉積時間為40min～60min。
【專利說明】一種制備含氫氧化鋅鋁透明導電薄膜的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種制備含氫氧化鋅基透明導電薄膜的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]透明導電薄膜具有低的電阻率和高的可見光透過率，在太陽能電池，如硅基太陽能電池、碲化鎘薄膜電池和銅銦鎵砸薄膜電池等領(lǐng)域，以及節(jié)能窗戶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前研宄和應(yīng)用最為廣泛的是ITO薄膜，但其使用的原材料In等地殼豐度很低，資源有限，因此其價格較高，且隨應(yīng)用量的增大，價格將會快速上漲，嚴重制約太陽能電池等新興行業(yè)的發(fā)展。通過Al、Sc、Ga等元素摻雜制備的氧化鋅基透明導電薄膜，性能與ITO薄膜接近，且其原材料價格低廉。目前針對氧化鋅基透明導電薄膜的制備工藝開展了大量的研宄工作，但在制備大尺寸氧化鋅基透明導電薄膜時，均勻性和工藝可靠性成為突出的問題，制約其代替ITO薄膜在太陽能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]氧化鋅基透明導電薄膜的工業(yè)化制備方法主要有直流磁控濺射、射頻磁控濺射和脈沖磁控濺射，使用靶材主要是氧化鋁摻雜的氧化鋅陶瓷靶材。沉積時通入氧氣，改善薄膜的光學性能，但氧氣分壓區(qū)間較小，工藝控制難度加大。在濺射過程中，高的氧分壓容易產(chǎn)生負氧離子反濺射，對薄膜轟擊較嚴重，引入應(yīng)力，致使薄膜綜合性能下降。氫進入氧化鋅鋁薄膜晶格或與氧空位復合形成淺施主，增加薄膜的載流子濃度，從而提高薄膜電學性能。在派射氣氛中引入氫氣是實現(xiàn)氫摻雜的常規(guī)手段，而氫氣中氫原子結(jié)合能很高，僅有極少量被等離子體離化，產(chǎn)生少量氫原子，因此在使用氫氣進行氫摻雜時摻雜效率不高，且存在部分氫分子進入薄膜，這些氫分子對電學性能改善沒有益處，相反引起較大的晶格畸變，使薄膜光學性能惡化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)氫摻雜過程中分子氫進入薄膜引起性能退化、氫摻雜效率低，以及相對較高氧含量下制備薄膜時，由負氧離子反濺射引入的引力等問題的缺點，提出一種制備含氫氧化鋅鋁透明導電薄膜的方法。
[0005]本發(fā)明制備方法為射頻磁控濺射，靶材采用氧化鋁重量百分比3%的氧化鋅鋁陶瓷靶材，襯底為普通鈉玻璃。本發(fā)明以裝在冰水混合物中的密封水罐形成的水蒸氣為反應(yīng)氣體，由于冰水混合物在常壓下溫度恒定為o°c，因此本發(fā)明采用針閥和恒溫裝置控制水蒸氣流量。與傳統(tǒng)工藝使用高純氧為反應(yīng)氣體相比，價格低廉。
[0006]本發(fā)明在磁控濺射輝光等離子體作用下，水蒸氣分解生成原子氫和原子氧。氫原子可以進入氧化鋅鋁透明導電薄膜形成淺施主，改善其電學性能，由于氫原子尺寸很小，進入薄膜產(chǎn)生的晶格畸變很小，真空腔體中大部分氫以原子形式存在，氫分子數(shù)量很少，氫以分子形式進入薄膜的幾率很小，因此本發(fā)明制備的透明導電薄膜具有低的電阻率和高的透過率。同時氫原子可以對生長中的氧化鋅鋁薄膜進行刻蝕，將缺陷密度高的高能量區(qū)域刻蝕掉，增加薄膜表面粗糙度，降低薄膜的光學反射。本發(fā)明制備的氧化鋅鋁透明導電薄膜用于太陽能電池，可提高光子利用率，從而提高電池轉(zhuǎn)換效率。氫可以進入薄膜中的氧空位，并將其鈍化，防止使用過程中，空氣中的氧分子吸附在氧空位處，影響其性能，以改善其在使用過程總的穩(wěn)定性。
[0007]氧化鋅鋁陶瓷靶含有氧原子，濺射制備氧化鋅鋁透明導電薄膜時，通入真空腔體的氧分壓要求較低。使用水蒸氣作為反應(yīng)氣體時，分解生成的氧原子活性高，因此與常規(guī)方法相比，用水蒸氣作為反應(yīng)氣體，可在極低的氧分壓下制備氧化鋅鋁薄膜，從而可以大大降低濺射過程中的負氧離子反濺射，改善薄膜電性能。
[0008]本發(fā)明采用氧化鋅鋁陶瓷靶材射頻磁控濺射方法，步驟如下:
[0009](I)先后用丙酮、去離子水、酒精超聲清洗鈉鈣玻璃襯底5min，然后烘干鈉鈣玻璃襯底，將此襯底裝入磁控濺射設(shè)備的樣品臺，安裝氧化鋅鋁陶瓷靶材；
[0010](2)打開磁控濺射設(shè)備真空機組，將磁控濺射設(shè)備的真空腔體背底真空抽至8.0Xl(T4pa，樣品臺不加熱；
[0011](3)將貯水罐放入裝有冰水混合物的泡沫箱中，并熱平衡20min ;通過常壓下溫度恒定為0°c的冰水混合物和針閥共同控制水蒸氣流量；
[0012](4)打開連接貯水罐管道上的針閥，貯水罐與真空腔體用不銹鋼氣路連接，向真空腔體中通入水蒸氣；通過針閥調(diào)整水蒸氣流量，使水蒸氣的壓力范圍為3Xl(T3pa?
1.0X10_2pa ;再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整真空腔體的真空度至0.5Pa?2Pa。開始濺射，將濺射功率調(diào)節(jié)至80W?120W。待輝光穩(wěn)定后，移開擋板，開始沉積氧化鋅鋁薄膜，沉積時間為40min?60min，沉積完畢取出氧化鋅鋁薄膜樣品。
[0013]所述氧化鋅鋁陶瓷靶材純度為99.99%，其中Al2O3重量百分比為3%，靶基距為110mm，所制備的氧化鋅銷薄膜厚度為800nm。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明以水蒸氣為反應(yīng)氣體，通過濺射氧化鋅鋁陶瓷靶材制備含氫的氧化鋅鋁透明導電薄膜。該方法使用的反應(yīng)氣體價格低廉，濺射工藝可靠性高，將氫引入薄膜中，所制備的氧化鋅鋁薄膜在具有低的電阻率的同時可保持高的透過率，薄膜綜合性能優(yōu)異。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實施例1制備的薄膜透過率和反射率圖譜；
[0016]圖2是本發(fā)明實施例2制備的薄膜透過率和反射率圖譜；
[0017]圖3是本發(fā)明實施例3制備的薄膜透過率和反射率圖譜；
[0018]圖4是本發(fā)明實施例4制備的薄膜透過率和反射率圖譜；
[0019]圖5是本發(fā)明實施例5制備的薄膜透過率和反射率圖譜。

【具體實施方式】
[0020]實施例1
[0021](I)用丙酮、去離子水、酒精先后超聲清洗鈉鈣玻璃襯底5min，烘干后裝入磁控濺射設(shè)備的樣品臺，并安裝氧化鋅鋁陶瓷靶材；
[0022](2)打開真空機組，將濺射真空腔體背底真空抽至8.0X 10_4pa，樣品臺不加熱；
[0023](3)將貯水罐放入冰水混合物中，并熱平衡20min ；
[0024](4)打開貯水罐管道上的針閥，向真空腔體中通入水蒸氣。通過針閥調(diào)整水蒸氣為3X 10_3pa ;再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整腔體真空至1.0Pa，開濺射，將濺射功率增加至80W，輝光穩(wěn)定后，移開擋板，開始沉積氧化鋅鋁薄膜，沉積時間為60min。
[0025]所述氧化鋅鋁陶瓷靶材純度為99.99%, Al2O3重量百分比含量為3%，靶基距為110mm，制備的薄膜厚度為800nmo
[0026]圖1為本實施例制備的透明導電薄膜紫外-可見-紅外分光光度計測試的透過率曲線和反射率曲線，其400nm?800nm范圍平均透過率為89%，電阻率為4.2X 10_4Ω.cm，表面粗糙度為10nm。
[0027]實施例2
[0028](I)用丙酮、去離子水、酒精先后超聲清洗鈉鈣玻璃襯底5min，烘干后裝入磁控濺射設(shè)備的樣品臺，并安裝氧化鋅鋁陶瓷靶材；
[0029](2)打開真空機組，將濺射真空腔體背底真空抽至8.0X 10_4pa，樣品臺不加熱；
[0030](3)將貯水罐放入冰水混合物中，并熱平衡20min ；
[0031](4)打開貯水罐管道上的針閥，向真空腔體中通入水蒸氣。通過針閥調(diào)整水蒸氣為8X 10_3pa ;再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整腔體真空至1.0Pa，開濺射，將濺射功率增加至120W，輝光穩(wěn)定后，移開擋板，開始沉積氧化鋅鋁薄膜，沉積時間為40min。
[0032]所述氧化鋅鋁陶瓷靶材純度為99.99%, Al2O3重量百分比含量為3%，靶基距為110mm，制備的薄膜厚度為800nmo
[0033]圖2為本實施例制備的透明導電薄膜紫外-可見-紅外分光光度計測試的透過率曲線和反射率曲線，其400nm?800nm范圍平均透過率為87%，電阻率為3.6X 10_4Ω.cm，表面粗糙度為16nm。
[0034]實施例3
[0035](I)用丙酮、去離子水、酒精先后超聲清洗鈉鈣玻璃襯底5min，烘干后裝入磁控濺射設(shè)備的樣品臺，并安裝氧化鋅鋁陶瓷靶材；
[0036](2)打開真空機組，將濺射真空腔體背底真空抽至8.0X 10_4pa，樣品臺不加熱；
[0037](3)將貯水罐放入冰水混合物中，并熱平衡20min ；
[0038](4)打開貯水罐管道上的針閥，向真空腔體中通入水蒸氣。通過針閥調(diào)整水蒸氣為1.0X10_2pa ;再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整腔體真空至0.5Pa，開濺射，將濺射功率增加至100W，輝光穩(wěn)定后，移開擋板，開始沉積氧化鋅鋁薄膜，沉積時間為50mino
[0039]所述氧化鋅鋁陶瓷靶材純度為99.99%, Al2O3重量百分比含量為3%，靶基距為110mm，制備的薄膜厚度為800nmo
[0040]圖3為本實施例制備的透明導電薄膜紫外-可見-紅外分光光度計測試的透過率曲線和反射率曲線，其400nm?800nm范圍平均透過率為88%，電阻率為4.0X 10_4Ω.cm，表面粗糙度為14nm。
[0041]實施例4
[0042](I)用丙酮、去離子水、酒精先后超聲清洗鈉鈣玻璃襯底5min，烘干后裝入磁控濺射設(shè)備的樣品臺，并安裝氧化鋅鋁陶瓷靶材；
[0043](2)打開真空機組，將濺射真空腔體背底真空抽至8.0X 10_4pa，樣品臺不加熱；
[0044](3)將貯水罐放入冰水混合物中，并熱平衡20min ；
[0045](4)打開貯水罐管道上的針閥，向真空腔體中通入水蒸氣。通過針閥調(diào)整水蒸氣為8.0X10_3pa ;再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整腔體真空至2.0Pa，開濺射，將濺射功率增加至100W，輝光穩(wěn)定后，移開擋板，開始沉積氧化鋅鋁薄膜，沉積時間為45min0
[0046]所述氧化鋅鋁陶瓷靶材純度為99.99%, Al2O3重量百分比含量為3%，靶基距為110mm，制備的薄膜厚度為800nmo
[0047]圖4為本實施例制備的透明導電薄膜紫外-可見-紅外分光光度計測試的透過率曲線和反射率曲線，其400nm?800nm范圍平均透過率為85%，電阻率為5.8X 10_4Ω.cm，表面粗糙度為20nm。
[0048]實施例5
[0049](I)用丙酮、去離子水、酒精先后超聲清洗鈉鈣玻璃襯底5min，烘干后裝入磁控濺射設(shè)備的樣品臺，并安裝氧化鋅鋁陶瓷靶材；
[0050](2)打開真空機組，將濺射真空腔體背底真空抽至8.0X 10_4pa，樣品臺不加熱；
[0051](3)將貯水罐放入冰水混合物中，并熱平衡20min ；
[0052](4)打開貯水罐管道上的針閥，向真空腔體中通入水蒸氣。通過針閥調(diào)整水蒸氣為1.0X10_2pa ;再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整腔體真空至1.5Pa，開濺射，將濺射功率增加至120W，輝光穩(wěn)定后，移開擋板，開始沉積氧化鋅鋁薄膜，沉積時間為40mino
[0053]所述氧化鋅鋁陶瓷靶材純度為99.99%, Al2O3重量百分比含量為3%，靶基距為110mm，制備的薄膜厚度為800nmo
[0054]圖5為本實施例制備的透明導電薄膜紫外-可見-紅外分光光度計測試的透過率曲線和反射率曲線，其400nm?800nm范圍平均透過率為83%，電阻率為5.3X 10_4Ω.cm，表面粗糙度為19nm。
【權(quán)利要求】
1.一種制備含氫氧化鋅基透明導電薄膜的方法，其特征在于，所述的制備方法采用陶瓷靶射頻磁控濺射，步驟如下: (1)將濺射真空腔體的背底真空抽至8.0X 10_4pa ； (2)將水罐放入裝有冰水混合物的泡沫箱中，并熱平衡20min； (3)打開連接貯水罐的管道上的針閥，向真空腔體中通入水蒸氣，調(diào)整針閥，調(diào)整通入真空腔體的水蒸氣流量，控制水蒸氣壓力為3X10_3pa?1.0X10_2pa ;再向真空腔體中通入氬氣，通過質(zhì)量流量計調(diào)整濺射真空腔體的真空度至0.5Pa?2Pa ;開始濺射，將濺射功率調(diào)節(jié)至80W?120W ;待輝光穩(wěn)定后，移開擋板，開始沉積氧化鋅鋁薄膜，沉積時間為40min?60min，沉積完畢取出氧化鋅銷薄膜樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備含氫氧化鋅鋁透明導電薄膜的方法，其特征在于，以所述的水蒸氣作為反應(yīng)氣體，在等離子體和襯底溫度的雙重作用下，水蒸氣分解產(chǎn)生原子氧和原子氫，原子氧為氧化鋅鋁透明導電膜形成提供氧原子，原子氫在氧化鋅鋁薄膜中形成淺施主。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備含氫氧化鋅鋁透明導電薄膜的方法，其特征在于，所述的陶瓷革E材純度為99.99% ,Al2O3的重量百分比含量為3%，革E基距為110mm，所制備的氧化鋅鋁薄膜厚度為800nm。
【文檔編號】C23C14/08GK104480442SQ201410740483
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】屈飛, 張騰, 丁發(fā)柱, 古宏偉, 王紅艷 申請人:中國科學院電工研究所