磁控濺射制備ZnO-Al透明導電薄膜及其結構、性能與刻蝕性研究.pdf

1、透明導電氧化物薄膜廣泛應用于平板顯示器、太陽能電池等光電器件。目前多使用ITO材料,但ITO存在成本高,有毒性,在氫等離子體不穩定等缺點,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。
　　以納米級的 ZnO和 Al2O3粉體為原材料,經過濕式機械球磨得到了 Al2O3/ZnO混合粉體,采用模壓成型+常壓固相燒結工藝制備了直徑為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構,并存在第二相:ZnAl2O4;隨著摻雜量的增加,有細化晶粒的作用;靶材的致密度超過了95%,最低電阻率可達10-2Ω·cm,能夠滿足直流磁控濺射系統對靶材的要求。
　　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透明導電薄膜。研究了摻雜量、濺射功率、氬氣壓強、熱處理溫度和濺射時間對薄膜微觀結構、光電性能的影響。

3、同時,研究了5‰的鹽酸溶液對表面形貌的影響,以及光刻性能。使用XRD、SEM、EDS、四探針、紫外-可見光分光光度計和金相顯微鏡等對薄膜進行表征。結果表明:ZAO薄膜具有沿 c軸擇優取向生長的纖鋅礦結構,無Al2O3或ZnAl2O4相;工藝參數對透光率的影響較小,最高透光率可達90%;摻雜時, Al3+替代Zn2+產生自由電子導致電阻率降低,由于離子半徑的差異導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、分布的晶核狀態過渡到光滑形態,再到陷光結構,沉積速率與濺射功率滿足準線性關系;隨著氬氣壓強的增大,電阻率先減小后增大,晶粒形狀由“片狀”向“球狀”轉變;真空熱處理有利于薄膜結晶質量的提高和應力的消除以及防止對氧的吸附,使電阻率下降;不同厚度的薄膜由于生長機制和結晶質量的差異,方塊電阻隨著厚度的增加而下降;鹽酸溶液對光滑表面的腐蝕可以獲得陷光結構非常好的形貌,對“片狀”和“球狀”表面的短時間腐蝕可以平整化表面,但長時間則加劇了薄膜的粗糙度

5、;光刻結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。
　　對不同的應用領域來說,對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構,本實驗針對不同的表面形貌要求有不同的最佳工藝參數。光滑表面的參數是,摻雜量3wt%,功率80W,壓強1.5Pa,熱處理溫度320℃,靶基距離67mm,其電阻率8.6×10-4Ω·cm;陷光結構的是,摻雜量3wt%,功率120W,壓