简介概要

溅射电压和铝掺杂对透明导电氧化锌薄膜性能的影响

来源期刊：稀有金属2000年第2期

论文作者：沈克明施昌勇

关键词：透明导电膜; ZnO∶Al; ECR微波等离子体反应溅射;

摘要：研究了用微波ECR等离子体反应溅射制备透明导电氧化锌薄膜工艺中靶压及铝的掺入对薄膜电阻率和透光率的影响, 制得电阻率为10-5 Ω.m数量级, 可见光平均透光率大于80%的透明导电ZnO∶Al (AZO) 膜.

稀有金属 2000,(02),154-156 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.02.018

溅射电压和铝掺杂对透明导电氧化锌薄膜性能的影响

沈克明

北京服装学院基础部!北京100029,中国科学院等离子体物理所!合肥230031

摘要：

研究了用微波ECR等离子体反应溅射制备透明导电氧化锌薄膜工艺中靶压及铝的掺入对薄膜电阻率和透光率的影响 , 制得电阻率为 1 0 -5Ω·m数量级 , 可见光平均透光率大于 80 %的透明导电ZnO∶Al (AZO) 膜。

关键词：

透明导电膜;ZnO∶Al;ECR微波等离子体反应溅射;

中图分类号： TM241

收稿日期：1999-04-19

Influence of Sputtering Voltage and Al Dopping on Electrical and Optical Characteristics of Transparent Conducting ZnO Thin Film

Abstract：

The influence of sputtering voltage and Al dopping on the electrical and optical characteristics of ZnO thin film prepared by electron cyclotron resonance (ECR) plasma sputtering method was studied. By controlling the sputtering voltage and dopping Al, the ZnO∶Al film was obtained, the resistivity of the ZnO∶Al film 10 -5 Ω·m and its average transmittance in the visible region is above 80%.

Keyword：

Transparent conducting film; ZnO∶Al; ECR sputtering;

Received： 1999-04-19

人们对氧化锌薄膜的研究主要有两个目标:一是制备c轴取向极好的压电氧化锌薄膜, 这种薄膜主要用在表面波器件。二是制备高透光率和高导电率的透明导电氧化锌薄膜, 这种薄膜主要用在显示器及太阳能电池上。氧化锌薄膜的透明导电特性受到人们重视是最近10年的事。长期以来, 作为透明导电材料应用的是SnO₂、In₂O₃和InSnO (ITO) 薄膜。目前, 电阻率为10^-6Ψ·m数量级并有稳定电、光、机械性能的ITO薄膜已得到广泛的应用。但是这些材料存在着在某些环境中不稳定的弱点。例如:在等离子体加强CVD工艺制备太阳能电池过程中, 作为透明导电材料的SnO₂、In₂O₃薄膜或ITO薄膜受到氢等离子体的还原作用, 功效降低, 这种现象在低温、低等离子体密度下也会发生 ^[1,2] 。而氧化锌以及含掺杂物的氧化锌薄膜 (如ZnO∶Al) 材料在氢等离子中有很强的稳定性, 在常温下也比In₂O₃, SnO₂和ITO薄膜的化学稳定性强。此外, 氧化锌材料价格低廉, 锌的来源丰富、无毒, 因此在大规模低成本的工业生产中, 氧化锌被认为是最有可能取代SnO₂、In₂O₃和ITO薄膜的材料。

虽然在一定的工艺条件下可制备出很高的电导率和透光率的氧化锌薄膜 ^[3,4] , 但这种薄膜在高温下的电稳定性不好, 在经过真空热处理以后, 其方块电阻会增加个数量级因此不掺杂铝的氧化锌薄膜的性能不如ITO膜 ^[5,6,7] 。本文研究了掺杂铝的氧化锌薄膜的光电特性。

1 实验

图1给出电子回旋共振 (ECR) 微波等离子体镀膜装置原理图, 磁场为发散型。系统由等离子体发生腔、磁场线圈、溅射靶、微波源、真空系统、基片架及相应电源等主要部件组成。微波源由RE-630D家用微波炉改装而成, 其输出频率为2.45GH。为了克服实际存在的因等离子体作用而引起的升温, 设计了水冷式谐振腔体;调节线圈相对位置和线圈电流, 以在期望位置上产生共振面并有效地吸收微波。

系统本底真空为1.3×10^-4Pa;靶材是纯度为99.99%的锌靶 (内嵌一定大小铝条) , 氧气纯度99.5%, 氩气纯度99.999%;基片为经过专门清洗的载波片。

图1 实验装置原理图

薄膜透光率用日本双束分光光度计UV-210A测量, 扫描范围2.5×10^-7～8.5×^-7 m, 薄膜厚度用椭圆偏振法测得, 电阻率用四探针法测算。

微波ECR等离子体溅射反应制备薄膜的基本实验过程是:2.45 GH的微波经石英窗输入作为微波谐振腔的等离子体发生室, 在低气压氩气氛中产生ECR放电, 形成高电离度、高密度的等离子体;当在溅射靶上施加一个负偏压时, Ar⁺离子轰击靶溅射出靶原子 (原子团) , 它们和输入的氧气反应生成氧化锌薄膜。装置设计中将等离子体产生室和薄膜沉积室分开并分别独立控制, 避免了传统等离子体增强工艺中放电和沉积在同一个腔体发生而造成的不稳定。

2 分析讨论

2.1 溅射靶压Ut对ZnO∶Al薄膜电阻率和透光率的影响

表1为溅射实验条件, 图2给出ZnO∶Al薄膜电阻率受靶压的影响, 图3是相应薄膜的透光率。

表1 微波ECR溅射成膜条件下载原图

表1 微波ECR溅射成膜条件

图2 ZnO∶Al薄膜电阻率随靶压变化曲线

微波ECR等离子体溅射沉积薄膜过程可以看成由3个相对独立的微过程组成:一是放电过程, 对一定的放电条件 (本底气压, 微波功率, 磁场分布等) 和一定流量溅射气体氩气, 会产生确定的溅射Ar⁺离子数量, 第二微过程是溅射过程, 包括Ar⁺离子溅射靶材, 靶材原子运动到基片表面的过程。第三个微过程是反应和沉积过程, 在此过程中, 控制反应气体氧气的流量和基片表面的活性, 可最终控制氧化锌成膜, 影响基片表面活性的主要因素是沉积温度。

对于确定的放电过程和反应沉积过程, 靶压控制成为重要的因素, 控制溅射靶压就控制了到达基片表面参与反应的锌粒子数, 从而形成的薄膜具有不同结构和特性。

图3 不同靶压下ZnO∶Al薄膜的透光率曲线

靶压增大时, 到达基片表面参与反应的粒子数增多, 和一定量的氧气反应, 易形成化学计量比偏移的ZnO_x薄膜 (x≤1) , 表现为较低的电阻率;但靶压过大时, 通入的一定量反应气体氧气, 不能 (或来不及) 与溅射出的大量锌粒子反应, 造成锌膜的沉积, 这时会影响薄膜的透光性。本实验条件下, 靶压U_t=-600 V时, 薄膜的光电综合性能较好。

2.2 铝掺杂对氧化锌薄膜光电性能的影响

本实验采用在靶内表面嵌入铝条的方法, 在U_t=-600 V和表1的条件下, 定性地研究了掺杂铝和不掺铝两种情况下氧化锌薄膜的透光性和导电性。

不掺杂铝的氧化锌薄膜由于有较宽的能隙, 表现为绝缘性, 而掺杂的ZnO∶Al (AZO) 薄膜的电阻率降到10^-5Ψ·m数量级, 电阻率的降低显然是与Al³⁺置换Zn²⁺有关, 铝元素在氧化锌薄膜中起施主作用, 大大增加了载流子浓度。

图4比较了氧化锌薄膜和ZnO∶Al薄膜的透光性, 两者的可见光平均透光率都在80%以上, 但由于铝的掺入, 不同波长处的吸收和反射有所改变。ZnO∶Al薄膜的吸收边向短波长方向移动, 这归因于Burstein-Moss Shife ^[8] , 而在红外光波长处, 由于载流子浓度和迁移率变化, ZnO∶Al薄膜对红外线的反射比氧化锌薄膜大。