磁控濺射制備ZnO-Al透明導(dǎo)電薄膜及其結(jié)構(gòu)、性能與刻蝕性研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物薄膜廣泛應(yīng)用于平板顯示器、太陽能電池等光電器件。目前多使用ITO材料,但I(xiàn)TO存在成本高,有毒性,在氫等離子體不穩(wěn)定等缺點(diǎn),所以要尋找ITO的替代材料。鋁摻雜氧化鋅(ZnO:Al,即ZAO)便是熱點(diǎn)候選材料之一,它不僅成本低廉,而且具有可與ITO材料相媲美的潛在光電性能。
　　以納米級(jí)的 ZnO和 Al2O3粉體為原材料,經(jīng)過濕式機(jī)械球磨得到了 Al2O3/ZnO混合粉體,采用模壓成型+常壓固相燒結(jié)工藝制備了直徑為6

2、0mm,Al2O3摻雜量為1wt％~4wt%之間的ZAO陶瓷靶材。分析表明,靶材為多晶纖鋅礦結(jié)構(gòu),并存在第二相:ZnAl2O4;隨著摻雜量的增加,有細(xì)化晶粒的作用;靶材的致密度超過了95%,最低電阻率可達(dá)10-2Ω·cm,能夠滿足直流磁控濺射系統(tǒng)對(duì)靶材的要求。
　　在常溫和純氬氣氣氛中,采用直流磁控濺射工藝在載玻片襯底上制備了ZAO透明導(dǎo)電薄膜。研究了摻雜量、濺射功率、氬氣壓強(qiáng)、熱處理溫度和濺射時(shí)間對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)、光電性能的影響。

3、同時(shí),研究了5‰的鹽酸溶液對(duì)表面形貌的影響,以及光刻性能。使用XRD、SEM、EDS、四探針、紫外-可見光分光光度計(jì)和金相顯微鏡等對(duì)薄膜進(jìn)行表征。結(jié)果表明:ZAO薄膜具有沿 c軸擇優(yōu)取向生長的纖鋅礦結(jié)構(gòu),無Al2O3或ZnAl2O4相;工藝參數(shù)對(duì)透光率的影響較小,最高透光率可達(dá)90%;摻雜時(shí), Al3+替代Zn2+產(chǎn)生自由電子導(dǎo)致電阻率降低,由于離子半徑的差異導(dǎo)致衍射峰向低角度偏移;薄膜的電阻率隨著功率的增加而降低,但表面形貌從包含離散

4、分布的晶核狀態(tài)過渡到光滑形態(tài),再到陷光結(jié)構(gòu),沉積速率與濺射功率滿足準(zhǔn)線性關(guān)系;隨著氬氣壓強(qiáng)的增大,電阻率先減小后增大,晶粒形狀由“片狀”向“球狀”轉(zhuǎn)變;真空熱處理有利于薄膜結(jié)晶質(zhì)量的提高和應(yīng)力的消除以及防止對(duì)氧的吸附,使電阻率下降;不同厚度的薄膜由于生長機(jī)制和結(jié)晶質(zhì)量的差異,方塊電阻隨著厚度的增加而下降;鹽酸溶液對(duì)光滑表面的腐蝕可以獲得陷光結(jié)構(gòu)非常好的形貌,對(duì)“片狀”和“球狀”表面的短時(shí)間腐蝕可以平整化表面,但長時(shí)間則加劇了薄膜的粗糙度

5、;光刻結(jié)果顯示薄膜在稀釋的王水中具有良好的刻蝕性,刻蝕無殘留,與ITO薄膜的光刻工藝兼容。
　　對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域來說,對(duì)薄膜表面形貌要求不一樣,平板顯示器要求光滑,而a-Si:H太陽能電池則要求陷光結(jié)構(gòu),本實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同的表面形貌要求有不同的最佳工藝參數(shù)。光滑表面的參數(shù)是,摻雜量3wt%,功率80W,壓強(qiáng)1.5Pa,熱處理溫度320℃,靶基距離67mm,其電阻率8.6×10-4Ω·cm;陷光結(jié)構(gòu)的是,摻雜量3wt%,功率120W,壓