一种超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜及其制备方法，该超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜从下至上依次包括基片、AZO籽晶层和AZO主体层，AZO籽晶层厚度为5～20nm，AZO主体层厚度为100～180nm，该超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的电阻率为2.9～9.7×10-4Ω·cm，380～780nm波长范围内的平均透过率为80～90%。本发明中通过合理设置氧气与氩气的体积比为0～1，能够制备超薄的AZO籽晶层（小于20nm），且形成完美（002）择优取向的高质量AZO籽晶层。本发明通过设置与AZO主体层同质的AZO籽晶层，提高薄膜的应力减小；且能够在温度不高于200℃的条件下制备厚度不超过200nm的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，无需后续处理环节，节省生产能耗，降低了生产成本，提高了生产效率，适用于工业生产。
【专利说明】一种超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种透明导电氧化物薄膜，特别是涉及一种平板显示器用的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，在平板显示领域，锡掺杂氧化铟(ΙΤ0)作为透明导电电极得到广泛的应用并占据主要地位。随着人们对智能电子设备需求量的增大，ITO的用量也应随之增长，然而由于铟属于稀有金属，在地球上储量不多，原材料价格昂贵，同时具有一定的毒性，因此急需寻找一种电学性能及光学性能可以与ITO媲美的材料。招掺杂氧化锌(Alumina-dopedZnO, ΑΖ0)材料光电特性优异、原料来源丰富、价格低廉，因而成为替代ITO材料的最佳选择。
[0003]平板显示领域中，为保证显示质量，电极层必须具备良好的导电性和透过率，这就需要电极材料具备电阻率小(导电性好)，厚度薄(减小对光的吸收，提高透过率)，且从工业生产的角度，制备温度不能太高(目前工业中电极制备一般不高于200°C)。因此，在实际应用中，AZO薄膜只有具备厚度薄、沉积温度低，电阻率小等特性，才能发挥其相对于ITO电极材料的优势。然而，高性能的AZO薄膜一般是在200?300°C甚至更高温度才能获得。为获得低温下高性能的AZO薄膜，Bikowski等人(The impact of negative oxygenion bombardment on electronic and structural properties of magnetron sputteredZnO:Al films，Applied Physics Letters，2013，102，242106)米用氧阴离子束辅助沉积，在温度为200°C、射频溅射频率为27.12MHz的条件下，制备了厚度为350?550mn、电阻率为(5.4±2.0) X IO"4 Ω.cm 的 AZO 薄膜；W.F.Yang 等人(Low substrate temperaturefabrication of high-performance metal oxide thin—film by magnetron sputteringwith target self-heating, Applied Physics Letters，2013，102，111901)米用革巴材自热法，将靶材温度控制在100 °C左右，在非故意加热基片、射频磁控溅射条件下制备出厚度为 500nm、电阻率为 2.88X 10—4Ω.cm 的 AZO 薄膜；Martin Y.等人(Highly conductiveand transparent alumina-doped ZnO films processed by direct pulsed laserrecrystallization at room temperature， Applied Physics Letters，2011，99，051904)利用原子层沉积方法先沉积厚度为250nm的AZO薄膜，再用KrF激光照射是AZO薄膜再结晶的方法，制备出2.33X10—4Ω.αη的AZO薄膜。然而，以上方法需要额外的辅助设备或者是后续处理来获得高电学性能的AZO薄膜，生产成本高，且不适合大面积沉积。Zhu Ke等人(Room temperature DC magnetron sputtering deposition of hydrogenated aluminumdoped zinc oxide thin films on polyethylene terephthalate substrates,MaterialsLetters, 2013，106，364-366页)利用DC磁控溅射在室温、气氛为AhH2条件下制备出电阻率为3.0X10—3Ω.cm的AZO薄膜，显著降低了薄膜的电阻率。相比前面几个方法，掺杂H制备HAZO薄膜的方法能够有效、简便地提高薄膜的电学性能。另外，对于AZO薄膜来说，除了低温制备薄膜有重要意义之外，制备超薄的AZO薄膜也具有非常重要的意义。AZO薄膜电学性能随着薄膜厚度的减小而降低，特别是厚度小于200nm的薄膜，这主要是因为薄膜的结晶质量随着薄膜厚度的减小而降低；另一方面，在多晶的AZO薄膜中除了存在不纯离子散射机制外还存在一些由于如晶体学缺陷和晶界引起的散射机制，特别是晶界散射机制。还有，获得完美的(002)择优取向的ZnO薄膜也是提高薄膜电学性能的非常关键的因素。因此，非常有必要通过控制沉积条件获得生长初始阶段完美(002)取向的ZnO基薄膜，进而获得具有高度择优取向的、结晶质量的和电学性能优异的AZO透明导电薄膜。目前，获得高质量结晶性的方法主要是调整沉积条件。Kumar M.等人(Pulsed laser depositionof epitaxial Al-doped ZnO film on sapphire with GaN buffer layer, Thin SolidFilms, 2005,484,174-183)利用脉冲激光沉积的方法，在衬底温度为400°C、脉冲重复频率为5Hz、氧分压为ImTorr的条件下，制备出厚度为900nm电阻率为6.0Χ10_4Ω.cm的AZO薄膜，该薄膜具有很强的(002)择优取向同时XRD测试显示半高宽为0.1°。TetsuyaYamamoto 等人(Effects of grain boundary scattering on carrier transport ofhighly transparent conductive Ga—doped ZnO polycrystalline films,Physica StatusSolidi C，2013，10,603-606)利用直流电弧放电离子镀在衬底温度为200°C的条件下制备出厚度为405nm电阻率为1.77X 10_4 Ω.cm的GZO薄膜，薄膜晶粒尺寸达到39nm。尽管以上方法获得了一些结晶质量较高的薄膜，但是现在工业生产上需要更加简便和适合大规模生产的方法。目前，磁控溅射法具有沉积速率快、薄膜附着力强、可控性强等优点，是工业生产研究最多、工艺最成熟以及应用最广的薄膜沉积方法。如何采用磁控溅射方式在低温条件下制备高性能超薄AZO薄膜仍没有得到解决。
【发明内容】
[0004]为解决低温下磁控溅射沉积的超薄AZO薄膜性能不足的问题，本发明提供一种低温沉积超薄AZO透明导电氧化物的薄膜及其制备方法。
[0005]一种超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，从下至上依次包括基片、AZO籽晶层和AZO主体层，所述的AZO籽晶层厚度为5?20nm，所述的AZO主体层厚度为100?180nm，所述超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的电阻率为9.7?2.9Χ10_4Ω.cm, 380?780nm波长范围内的平均透过率为80?90%。
[0006]AZO薄膜的厚度直接影响着AZO薄膜的电学性能和透过率，在平板显示领域为满足透过率要求，厚度一般在200nm以下，但现有的制备工艺中，很难低温(不高于200°C )制备厚度小于200nm的AZO薄膜，且由于AZO薄膜的结晶质量随着薄膜厚度的减小而降低，其导电性随着薄膜厚度的减小而降低，特别是厚度小于200nm的薄膜，其导电性较差。本发明的AZO薄膜具有AZO籽晶层和AZO主体层的双层结构，由于籽晶层处的晶核形成能较低，同时ZnO基薄膜具有(002)取向的自织构特性，且结晶特性及取向性能优异的籽晶层能够诱导主体层薄膜朝优异的结晶特性及取向性能生长，使得低温下制备厚度不大于200nm (约200nm)的AZO薄膜得以实现，且该AZO薄膜同时具有较高的透过率和良好的导电性，其在380?780nm波长范围内的透过率(包括玻璃基片)为80?90%电阻率为2.9?9.7Χ10_4Ω.cm，能够用于平板显示领域，且制备温度不高于200°C，适用于大规模的工业生产。
[0007]在多晶的AZO薄膜中除了存在着不纯离子散射机制外还存在一些由于如晶体学缺陷和晶界引起的散射机制，特别是晶界散射机制对薄膜电学性能的影响较大。晶界散射机制的调节可以用过调节薄膜的晶粒尺寸来实现，晶粒尺寸的增大，特别是晶粒生长为矮粗壮晶粒生长时，可以减少薄膜中晶界的数量，从而减少载流子运输受晶界散射的作用，提高薄膜的电学性能。作为优选，所述AZO主体层的晶粒尺寸为20?lOOnm。
[0008]由于受到制备工艺的限制，晶粒尺寸做大后会使晶粒的质量下降，进而影响整个AZO薄膜的性能，AZO多晶薄膜的晶粒尺寸目前不大于lOOnm。进一步优选,所述AZO主体层的晶粒尺寸为20?60nm。
[0009]所述的AZO薄膜中晶体的择优取向为(002)，且测试波长为1.54nm的XRD摇摆曲线中择优取向对应的衍射角为17.1°?17.5°，半高宽为2.05°?4.15°。
[0010]具有完美(002)取向的且晶粒垂直基片的AZO薄膜来说，一方面可以减少晶界散射的作用，另外一方面使得面内的载流子迁移率提高，从而提高了薄膜的电学性能。通过XRD摇摆取向扫描，可以进一步了解(002)晶粒取向的质量。样品方位角方向Φ=0°和Φ=90°，即取薄膜两处相互垂直的方向进行摇摆曲线扫描，若扫描得到的强度大同时扫描曲线能够相互重合且半高宽小，则说明该薄膜晶粒具有较强的(002)择优取向且晶粒垂直基片表面。因此，获得完美的(002)择优取向的且晶粒垂直基片的AZO薄膜也是提高薄膜电学性能的非常关键的因素，非常有必要通过控制沉积条件获得生长初始阶段完美(002)取向的ZnO基薄膜，进而获得具有高度择优取向的、结晶质量的和电学性能优异的AZO透明导电薄膜。
[0011]所述AZO籽晶层和AZO主体层同质。
[0012]AZO籽晶层和AZO主体层同质具体应理解为AZO籽晶层和AZO主体层由具有相同组成成分和相同结构的同种材料组成。当AZO籽晶层和AZO主体层同质时，AZO籽晶层和AZO主体层中的晶体的晶格指数基本相同，能够有效的减小上述2层-因晶格常数不同而引起的内应力。
[0013]AZO籽晶层和AZO主体层的表面粗糙度与AZO薄膜的透过率有关。表面粗糙度太大，对光的散射大，透过率也随之降低，可令AZO籽晶层和AZO主体层的表面粗糙度分别不大于1.923nm和8.73nm。但由于表面粗糙度与制备工艺以及制备设备有关，因此不可能无限制的小。
[0014]作为优选，所述AZO籽晶层的表面粗糙度为0.373?1.923nm。
[0015]作为优选，所述AZO主体层的表面粗糙度为1.23?8.73nm。
[0016]AZO薄膜中由于少量的铝原子容易成为替位原子占据锌原子的位置，使ZnO薄膜中的自由电子增多，增大其导电性。但是过多的铝原子容易与氧原子结合，以氧化铝的缺陷形式存在于薄膜中，增加了散射机制的作用，，使电学性能和光学性能下降。而利用氧化铝质量百分比为2%的靶材溅射沉积的薄膜由于受到离子不纯散射机制、自由电子浓度较大等原因影响，薄膜的性能较好。
[0017]作为优选，所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜所用溅射靶材中氧化铝的质量百分比为0.5%?4%。进一步，所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜所用溅射靶材中氧化铝的质量百分比为2%。
[0018]一种超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤:
[0019]S1:基片处理:清洗玻璃基片，且在清洗完成后对玻璃基片进行表面处理:在紫外臭氧清洗机中恒温条件下对玻璃片进行紫外臭氧清洗；
[0020]S2:安装靶材和基片:将AZO陶瓷靶材和经步骤SI处理过的玻璃基片装入超高真空磁控溅射设备的真空腔体中；
[0021]S3:制备AZO籽晶层:采用直流磁控溅射法溅射所述的AZO陶瓷靶材，在玻璃基片上沉积得到AZO籽晶层，溅射条件为:溅射功率为20?80W，本底真空度为2.0?6.0X10_4Pa，溅射气压为0.2?0.8Pa，基片温度不高于200°C，溅射气体为高纯氧气掺杂高纯氩气的混合气体，氧气与氩气的流量比O?I ;
[0022]S4:制备AZO主体层:采用直流磁控溅射法溅射所述的AZO陶瓷靶材，在沉积有AZO籽晶层的玻璃基片上沉积得到AZO主体层，即形成超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，溅射条件为:溅射功率为150?250W，本底真空度为2.0?6.0X 10_4Pa，溅射气压为0.1?
0.4Pa，基片温度不高于200°C，溅射气体为高纯氢气掺杂高纯氩气，其中氢气的体积百分比为2?10% ο
[0023]采用相同的靶材溅射沉积制备AZO籽晶层和AZO主体层，使形成的AZO籽晶层与AZO主体层的组成一致(即AZO籽晶层与AZO主体层同质)，进一步使低温沉积的AZO薄膜兼具高导电性和高透过率。现有的籽晶层制备方法中制备的籽晶层为ZnO超薄层或者是不优化氧气与氩气比例制备的AZO或ZnO超薄层，制备的AZO籽晶层厚度一般为10?300nm，存在着溅射过程中更换溅射靶材以及不能获得高质量籽晶层的缺点，从而限制了 AZO薄膜性能的进一步提高。本发明中通过合理设置氧气与氩气的体积比为O?1，能够制备超薄的AZO籽晶层(小于20nm)。合理的氧气与氩气的比例，能够降低溅射气氛中Zn/ZnO的比例，使得溅射过程处于平衡状态，而常态下的ZnO是六角纤锌矿结构，促进氧化锌四面体配位的形成，从而形成完美(002)择优取向的高质量AZO籽晶层。
[0024]作为优选，所述步骤S3中待AZO籽晶层的厚度达到5?20nm时停止溅射。
[0025]作为优选，所述步骤S4中待AZO主体层的厚度为100?180nm时停止溅射。
[0026]进一步，所述步骤SI中紫外臭氧清洗时过程中，低压紫外汞灯的功率为50?100W,处理时间为0.5?2h，处理温度为30?50°C。
[0027]对玻璃基片表面进行紫外臭氧清洗，主要是利用VUV紫外低压汞灯将O2分解为O3并进一步分解为O2和活性0，活性O与基片表面的有机物进行反应，然后挥发逸出基片表面。进行紫外臭氧清洗可以有效地清除表面的有机物，降低玻璃基片的表面能，提高薄膜与基片表面的结合能力，减少薄膜因表面污染而引起的缺陷，提高了薄膜质量。
[0028]本发明超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜及其制备方法具有以下优点:
[0029]a.在低温(不高于200°C)下制备AZO薄膜，节省生产能耗，适用于工业生产；
[0030]b.薄膜厚度<200nm，节约原材料的同时减少了薄膜对光的吸收，符合平板显示器用的透明电极要求；
[0031]c.薄膜光电性能优异；
[0032]d.采用DC磁控溅射，能实现大面积、可控、高效率沉积；
[0033]e.在溅射过程中使用同一靶材，无需更换靶材，无需破真空，可以满足连续生产线要求；
[0034]f.AZO薄膜主体层通过同质籽晶层的缓冲作用，薄膜的应力减小；
[0035]g.所制备的超薄AZO薄膜无需再进行任何外加的后续处理环节，降低了生产成 本，提闻了生广效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明的超薄AZO薄膜的结构示意图；
[0037]图2 (a)为实施例1的超薄AZO薄膜的光学透过光谱；
[0038]图2 (b)为实施例2的超薄AZO薄膜的光学透过光谱；
[0039]图2 (C)为实施例3的超薄AZO薄膜的光学透过光谱；
[0040]图2 (d)为对比例的超薄AZO薄膜的光学透过光谱；
[0041]图3 (a)为实施例1的超薄AZO薄膜的XRD图谱；
[0042]图3 (b)为实施例2的超薄AZO薄膜的XRD图谱；
[0043]图3 (C)为实施例3的超薄AZO薄膜的XRD图谱；
[0044]图3 (d)为对比例的超薄AZO薄膜的XRD图谱；
[0045]图4 (a)为实施例1的超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线；
[0046]图4 (b )为实施例2的超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线；
[0047]图4 (c )为实施例3的超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线；
[0048]图4 (d)为对比例的超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线；
[0049]图5 (a)为实施例1的超薄AZO薄膜的AZO籽晶层的AFM图像；
[0050]图5 (b)为实施例1的超薄AZO薄膜的ZAO主体层的AFM图像；
[0051]图5 (C)为实施例2的超薄AZO薄膜的AZO籽晶层的AFM图像；
[0052]图5 (d)为实施例2的超薄AZO薄膜的ZAO主体层的AFM图像；
[0053]图5 (e)为实施例3的超薄AZO薄膜的AZO籽晶层的AFM图像；
[0054]图5 (f)为实施例3的超薄AZO薄膜的ZAO主体层的AFM图像；
[0055]图5 (g)为对比例的超薄AZO薄膜的ZAO主体层的AFM图像。
【具体实施方式】
[0056]以下将结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明。
[0057]以下各实施例和对比例中，未作特殊说明，使用的气体(包括氩气、氢气和氧气)均为高纯气体，即气体的纯度大于99.999%。
[0058]实施例1
[0059]选用氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO)的质量比为Al203:Zn0=2:98的自制AZO陶瓷靶材(即Al2O3的质量百分比为2%的AZO陶瓷靶材)，将其装入超高真空磁控溅射设备真空腔体中；选取超白玻璃基片为基片，在通常的清洗条件后，对玻璃基片进行紫外臭氧清洗，紫外臭氧清洗的条件为=VUV低压紫外汞灯功率为60W，处理时间为lh，处理温度为40°C，然后装入超高真空磁控溅射设备真空腔体中；
[0060]用机械泵以及分子泵对真空腔体进行抽真空，将真空腔体的真空度(即本底真空度)保持在3.0X 10_4Pa，后对基片进行加热处理，温度为180°C，保持30min ；
[0061]通入氩气(即氧气与氩气的流量比为0)，溅射腔体压强(溅射气压)为0.6Pa，直流溅射功率(溅射功率)为60W，制备得到厚度约为IOnm的AZO籽晶层；
[0062]然后，通入氩气(Ar)和氢气(H2)的混合气体，氢气的体积百分比为8%。溅射腔体压强(溅射气压)为0.3Pa，直流溅射功率(溅射功率)为180W，制备得到厚度约为168nm的AZO主体层。
[0063]以上方法制备得到的AZO薄膜如图1所示，包括基片1，AZO籽晶层2和AZO主体层3，该AZO薄膜的总厚度为178nm，其电阻率为7.7Χ10_4Ω.cm。
[0064]图2 (a)为本实施例的超薄AZO薄膜的的透过光谱，计算得到本实施例的AZO薄膜(含玻璃基片)在380?780nm波长范围内的平均透过率为86.8%。
[0065]图3 (a)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD图谱，可得AZO薄膜的择优取向为(002)，并进一步计算得到晶粒尺寸为34nm。
[0066]图4 Ca)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线，可以看出择优取向对应的衍射角为θ=17.2°，且样品方位角取向Φ=0°和Φ=90°在θ=17.2°处的半高宽分别为4.02°和4.18°，可以看出该薄膜的晶粒生长不完全垂直于玻璃基片表面，衍射峰强度较弱和半高宽较大则说明薄膜晶粒生长质量还有待提高。
[0067]图5 (a)、(b)分别为该AZO薄膜中AZO籽晶层和AZO主体层的AFM图片，可以得到AZO籽晶层和AZO主体层的粗糙度分别为0.373nm和5.71nm。
[0068]实施例2
[0069]选用氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO)的质量比为Al203:Zn0=2:98的自制AZO陶瓷靶材(即Al2O3的质量百分比为2%的AZO陶瓷靶材)，将其装入超高真空磁控溅射设备真空腔体中；选取超白玻璃基片，在通常的清洗条件后，对玻璃基片进行紫外臭氧清洗，具体条件为=VUV低压紫外汞灯功率为80W，处理时间为1.5h，处理温度为50°C，然后装入超高真空磁控溅射设备的真空腔体中；
[0070]用机械泵以及分子泵对真空腔体进行抽真空，将真空腔体的真空度(即本底真空度)保持在2.0X 10_4Pa，后对基片进行加热处理，温度为200°C，保持30min ；
[0071]同时通入氩气和氧气，且氧气与氩气的流量比为0.09，溅射腔体压强(溅射气压)为0.6Pa，直流溅射功率(溅射功率)为60W，制备得到厚度约为IOnm的AZO籽晶层；
[0072]然后，通入氩气(Ar)和氢气(H2)的混合气体，氢气的体积百分比为8%，溅射腔体压强(溅射气压)为0.2Pa，直流溅射功率(溅射功率)为200W，制备得到厚度约为180nm的AZO主体层。
[0073]以上方法制备得到的AZO薄膜如图1所示，包括基片1，AZO籽晶层2和AZO主体层3，该AZO薄膜的总厚度为190nm，其电阻率为4.2Χ10_4Ω.cm。
[0074]图2 (b)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的透过光谱，得到本实施例的AZO薄膜(含玻璃基片)在380?780nm波长范围内的平均透过率为85.4%。
[0075]图3 (b)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD图谱，可得AZO薄膜的择优取向为(002),进一步计算得到晶粒尺寸为53nm。
[0076]图4 (b)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线，可以看出择优取向对应的衍射角为θ=17.2°，且样品方位角取向Φ=0°和Φ=90°在θ=17.2°处的半高宽分别为2.05°和2.23°，可以看出该薄膜晶粒生长垂直于玻璃基片表面，同时衍射峰强度较大和半高宽较小则说明该薄膜晶粒生长质量优异。
[0077]图5 (C)、Cd)分别为该AZO薄膜中AZO籽晶层和AZO主体层的AFM图片，可以得到AZO籽晶层和AZO主体层的粗糙度分别为0.912nm和2.36nm。[0078]实施例3
[0079]选用氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO)的质量比为Al203:Zn0=4:96自制AZO陶瓷靶材(即Al2O3的质量百分比为4%的AZO陶瓷靶材)，将其装入超高真空磁控溅射设备真空腔体中；选取超白玻璃基片，在通常的清洗条件后，对玻璃基片进行紫外臭氧清洗，具体清洗条件为:VUV低压紫外汞灯功率为60W，处理时间为1.5h，处理温度为40°C，然后装入超高真空磁控溅射设备的真空腔体中；
[0080]用机械泵以及分子泵对真空腔体进行抽真空，将真空腔体的真空度(即本底真空度)保持在4.0X 10_4Pa，后对基片进行加热处理，温度为200°C，保持30min ；
[0081]同时通入氩气和氧气，且氧气与氩气的流量比为0.25，溅射腔体压强(溅射气压)为0.4Pa，直流溅射功率(溅射功率)为60W，制备得到厚度约为IOnm的AZO籽晶层；
[0082]然后，通入氩气(Ar)和氢气(H2)的混合气体，氢气的体积百分比为5%。溅射腔体压强(溅射气压)为0.2Pa，直流溅射功率(溅射功率)为200W，制备得到厚度约为190nm的AZO主体层。
[0083]以上方法制备得到的AZO薄膜如图1所示，包括基片I，AZO籽晶层2和AZO主体层3，该AZO薄膜的总厚度为200nm，其电阻率为4.6X 10_4 Ω.cm。
[0084]图2 (c)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的透过光谱，得到本实施例的AZO薄膜(含玻璃基片)在380?780nm波长范围内的平均透过率为85.6%。
[0085]图3 (C)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD图谱，可得AZO薄膜的择优取向为(002),进一步计算得到晶粒尺寸为37nm。
[0086]图4 (c)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线，可以看出择优取向对应的衍射角为θ=17.2°，且样品方位角取向Φ=0°和Φ=90°在θ=17.2°处的半高宽分别为3.04°和3.28°，可以看出该薄膜晶粒生长并不完全垂直于玻璃基片表面，两个方向的衍射峰强度不一和半高宽较大，则说明晶粒生长质量有待提高。
[0087]图5 Ce), Cf)分别为该AZO薄膜中AZO籽晶层和AZO主体层的AFM图片，可以得到AZO籽晶层和AZO主体层的粗糙度分别为0.605nm和2.91nm。
[0088]实施例4
[0089]选用氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO)的质量比为Al2O3:ZnO=1:99自制AZO陶瓷靶材(即Al2O3的质量百分比为2%的AZO陶瓷靶材)，将其装入超高真空磁控溅射设备真空腔体中；选取超白玻璃基片，在通常的清洗条件后，对玻璃基片进行紫外臭氧处理，处理条件为:VUV低压紫外汞灯功率为80W，处理时间为1.5h，处理温度为50°C，然后装入超高真空磁控溅射设备的真空腔体中；
[0090]用机械泵以及分子泵对真空腔体进行抽真空，将真空腔体的真空度(即本底真空度)保持在3.0X 10_4Pa，后对基片进行加热处理，温度为180°C，保持30min ；
[0091]同时通入氩气和氧气，且氧气与氩气的流量比为0.5，溅射腔体压强(溅射气压)为
0.8Pa，直流溅射功率(溅射功率)为80W，制备得到厚度约为15nm的AZO籽晶层；
[0092]然后，通入氩气(Ar)和氢气(H2)的混合气体，氢气的体积百分比为6%。溅射腔体压强(溅射气压)为0.3Pa，直流溅射功率(溅射功率)为180W，制备得到厚度约为178nm的AZO主体层。
[0093]以上方法制备得到的AZO薄膜如图1所示，包括基片I，AZO籽晶层2和AZO主体层3，该AZO薄膜的总厚度为193nm，其电阻率为7.6Χ10_4Ω.cm，在380?780nm波长范围内的平均透过率为86.4%。
[0094]实施例5
[0095]选用氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO)的质量比为Al203:Zn0=3:97自制AZO陶瓷靶材(即Al2O3的质量百分比为3%的AZO陶瓷靶材)，将其装入超高真空磁控溅射设备真空腔体中；选取超白玻璃基片，在通常的清洗条件后，对玻璃基片进行紫外臭氧清洗，具体清洗条件为:VUV低压紫外汞灯功率为200W，处理时间为2h，处理温度为50°C，然后装入超高真空磁控溅射设备的真空腔体中；
[0096]用机械泵以及分子泵对真空腔体进行抽真空，将真空腔体的真空度(即本底真空度)保持在2.0X 10_4Pa，不对基片进行加热处理，即基片温度为室温；
[0097]同时通入氩气和氧气，且氧气与氩气的流量比为0.09，溅射腔体压强(溅射气压)为0.6Pa，直流溅射功率(溅射功率)为60W，制备得到厚度约为15nm的AZO籽晶层；
[0098]然后，通入氩气(Ar)和氢气(H2)的混合气体，氢气的体积百分比为8%。溅射腔体压强(溅射气压)为0.2Pa，直流溅射功率(溅射功率)为250W，制备得到厚度约为183nm的AZO主体层。
[0099]以上方法制备得到的AZO薄膜如图1所示，包括基片I，AZO籽晶层2和AZO主体层3，该AZO薄膜的总厚度为198nm，电阻率为9.5Χ10_4Ω.cm，在380?780nm波长范围内的平均透过率为87.2%。
[0100]对比例I
[0101]选用氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO)的质量比为Al2O3:Zn0=2:98自制AZO陶瓷靶材(即Al2O3的质量百分比为2%的AZO陶瓷靶材)，将其装入超高真空磁控溅射设备真空腔体中；选取超白玻璃基片，在通常的清洗条件后，对玻璃基片进行紫外臭氧清洗，清洗条件为:VUV低压紫外汞灯功率为50W，处理时间为0.5h，处理温度为30°C，然后装入超高真空磁控溅射设备的真空腔体中；
[0102]用机械泵以及分子泵对真空腔体进行抽真空，将真空腔体的真空度(即本底真空度)保持在4.0X 10_4Pa，后对基片进行加热处理，温度为200°C ；
[0103]然后，通入氩气(Ar)和氢气(H2)的混合气体，氢气的体积百分比为8%。溅射腔体压强(溅射气压)为0.2Pa，直流溅射功率(溅射功率)为200W，制备得到厚度约为169nm的AZO主体层。
[0104]以上方法制备得到的AZO薄膜没有籽晶层，该AZO薄膜的厚度即为AZO主体层的厚度，为169nm，电阻率为8.4Χ10_4Ω.cm。
[0105]图2 (d)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的透过光谱，得到本对比例中的AZO薄膜(含玻璃基片)在380?780nm波长范围内的平均透过率为85.7%。
[0106]图3 (d)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD图谱，可得AZO薄膜的择优取向为(002),进一步计算得到晶粒尺寸为26nm。
[0107]图4 Cd)为本实施例的低温制备超薄AZO薄膜的XRD摇摆曲线，可以看出择优取向对应的衍射角为θ=17.2°，且样品方位角取向Φ=0°和Φ=90°在θ=17.2°处的半高宽分别为7.25°和7.38°，可以看出该薄膜的晶粒生长出垂直于玻璃基片表面，但是由于衍射峰强度较弱和半高宽较大则说明薄膜晶粒生长质量还有待提高。[0108]图5 (g)为该AZO薄膜中AZO主体层的AFM图片，可以得到AZO主体层的粗糙度为 6.55nm。
[0109]应当理解的是，上述针对本发明中较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应当以所附的权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，从下至上依次包括基片、AZO籽晶层和AZO主体层，所述的AZO籽晶层厚度为5~20nm，所述的AZO主体层厚度为100~180nm, 所述超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的电阻率为2.9~9.7 X 10_4 Ω -cm, 380~780nm波长范围内的平均透过率为80~90%。
2.如权利要求1所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述AZO主体层的晶粒尺寸为20~lOOnm。
3.如权利要求2所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述的AZO主体层中的晶粒择优取向为(002)，且测试波长为1.54nm的XRD摇摆曲线中择优取向对应的衍射角为17.1°~17.5°，半高宽为2.05°~4.15°。
4.如权利要求3所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述AZO籽晶层和AZO主体层同质。
5.如权利要求4所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述AZO籽晶层的表面粗糙度为0.373~1.923nm。
6.如权利要求5所述超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述AZO主体层的表面粗糙度为1.23~8.73nm。
7.一种超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 51:基片处理:清洗玻 璃基片，且在清洗完成后对玻璃基片进行表面处理:在紫外臭氧清洗机中恒温条件下对玻璃片进行紫外臭氧清洗； 52:安装靶材和基片^fAZO陶瓷靶材和经步骤SI处理过的玻璃基片装入超高真空磁控溅射设备的真空腔体中； 53:制备AZO籽晶层:采用直流磁控溅射法溅射所述的AZO陶瓷靶材，在玻璃基片上沉积得到AZO籽晶层，溅射条件为:溅射功率为20~80W，本底真空度为2.0~6.0X 10_4Pa，溅射气压为0.2~0.8Pa，基片温度不高于200°C，溅射气体为高纯氧气掺杂高纯氩气的混合气体，氧气与IS气的流量比O~I; 54:制备AZO主体层:采用直流磁控溅射法溅射所述的AZO陶瓷靶材，在沉积有AZO籽晶层的玻璃基片上沉积得到AZO主体层，即形成超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，溅射条件为:溅射功率为150~250W，本底真空度为2.0~6.0 X 10_4Pa，溅射气压为0.1~0.4Pa，基片温度不高于200°C，溅射气体为高纯氢气掺杂高纯氩气，其中氢气的体积百分比为2~10%。
8.如权利要求7所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述的AZO陶瓷靶材由氧化锌和氧化铝粉体烧结而成，其中氧化铝的质量百分比为0.5%~4% ο
9.如权利要求8所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中待AZO籽晶层的厚度达到5~20nm时停止溅射。
10.如权利要求9所述的超薄铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中待AZO主体层的厚度为100~180nm时停止溅射。
【文档编号】C30B29/16GK103632754SQ201310590933
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】杨晔, 王木钦, 朱科, 黄金华, 兰品军, 宋伟杰 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所