利用磁控溅射法制备电阻率分布均匀的azo薄膜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铝掺杂氧化锌（简称AZ0)薄膜的制备领域，具体涉及一种利用磁控溅 射法制备电阻率分布均匀的AZ0薄膜的方法。
【背景技术】
[0002] 铝掺杂氧化锌透明导电薄膜因其较低的电阻率（约104n.cm)，较高的可见光透 过率（T>85% )，优良的红外反射特性，且ZnO来源广泛，价格低廉，能够稳定于氢等离子体 中等众多优异性能，在薄膜太阳能电池、平板显示器、红外反射窗和热反射器等许多领域具 有广阔的应用。
[0003] 在所有制备AZ0薄膜的方法中，磁控溅射法是目前工业界最常用的方法。原因 在于磁控溅射制备薄膜可以实现低温沉积，并且其工艺稳定、可控性好、可在较大面积 (3X6m2)上规模化生产。然而，利用该法制备AZ0薄膜时，存在一个很严重的问题，即薄膜 性质均匀性的问题-很难获得大尺寸且性质均匀的薄膜。原理上，一方面，溅射出来的氧原 子极易得到电子变成负离子，从而被靶上的负电压加速，以很高的能量冲向薄膜，对薄膜结 构造成伤害；另一方面，由于磁场的约束，最强的等离子体密度出现在靶上的"跑道"处，该 处发生最强烈的溅射，也是形成最多的氧负离子的地方。这样相对于其他各处的薄膜，正对 "跑道"处的薄膜受到最强烈的高能粒子轰击，造成薄膜性质在该处发生严重损伤。因此对 于同批次同片AZ0薄膜，存在着因位置不同而电阻率存在较大差异的现象，行业叫面电阻 率分布不均匀。这种电阻率分布不均匀的弊端严重的影响了大面积、高质量AZ0薄膜的获 得，尤其在低温沉积下更为严重。
[0004] 目前，针对磁控溅射制备AZ0薄膜电阻率分布不均匀的问题，许多人试图通过工 艺调控来进行改善。如日本德岛大学Tominaga组（Tominaga et al，Radiation effect due to energetic oxygen atoms on conductive Al-Doped ZnO films, Japanese Journal of Applied Physics, 1998, 7 (27)，1176 ~1180)发现将沉积气压从 1. 3Pa 提高至 13Pa 沉积 得到的AZ0薄膜电阻率分布变的均匀，但升高气压也会导致薄膜表面粗糙度的增加而增强 对入射光的散射进而降低薄膜的透光率。日本东曹公司（Sato et al，Highly conductive and transparent ZnO:A1 thin films prepared on high-temperature substrates by d.c. magnetron sputtering，Thin Solid Films, 1992, 220, 327 ~332)通过提高沉积时 基体的温度（300°C~350°C)来改善AZ0薄膜电阻率的均匀性，也得到了一定的效果。但 该种方法限制了 AZ0薄膜在一些聚合物、高分子等不耐高温基底上的使用。另一种可行 的方法是降低溅射靶材的电压。因为氧负离子的能量和靶压直接相关，通过降低靶压可 以使得"跑道"处溅射出的离子能量显著降低，从而减少该处薄膜的损伤，提高AZ0薄膜电 阻率的均匀性。但降低靶材电压的同时，薄膜沉积速率也发生了严重的降低，如Bikowski 等（Bikowski et al.The impact of negative ion bombardment on electronic and structural properties of magnetron sputtered Zn0:Al films. 2013, 102, 242106)将革巴 材电压从500V降到90V，沉积速率从12nm/min降到6nm/min。沉积速率降低，沉积相同厚 度的薄膜需要更长的时间，生产效率下降，也不利于工业生产。因此，现有公开技术中，靶压 降低到150V以下且以较高沉积速率（多40nm/min)制备电阻率分布均匀等高质量的AZO 薄膜还未见报道。
[0005] 综上所述，本领域尚缺一种有效的改进方法来改善磁控溅射AZ0薄膜电阻率分布 不均的问题，因此发明一种改进方法是目前研究的方向之一。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种利用磁控溅射法制备电阻率分布均匀的AZ0薄膜的方法。采用 了射频辅助直流的电源设备，并通过调节射频电源与直流电源的功率，使得在靶电压小于 150V的情况下，仍以较高的沉积速率（约40nm/min)沉积得到AZ0薄膜；制备得到的AZ0薄 膜的电阻率较低（约3 X 10 4 Q cm)，且分布均匀。
[0007] -种利用磁控溅射法制备电阻率分布均匀的AZ0薄膜的方法，采用射频电源辅助 直流电源的方式沉积AZ0薄膜，设置射频电源功率P RF为50~400W，直流电源功率P DC为 10~150W，并调节射频电源功率的比值fRF为0. 38~0. 98,以控制靶电压为60~150V， AZ0薄膜的沉积速率不低于35nm/min，在常温下制备得到电阻率分布均匀的AZ0薄膜。
[0008] 其中，fRF= p RF/ (PDC+PRF)。
[0009] 本发明采用射频叠加直流电源，可有效地提高等离子体密度，这样在相同的靶电 压下，得到更多的溅射产额，从而提高薄膜沉积速率。通过控制直流电源和射频电源的功率 比例以及射频电源的频率，来提高溅射离子数量的同时，并且可以很有效地降低靶电压，使 得负离子的能量降到不足以对"跑道"出的薄膜结构造成损伤，从而获得一个电阻率更加均 匀的AZ0薄膜。
[0010] 作为优选，所述电阻率分布均匀的AZ0薄膜的具体制备步骤如下：
[0011] ⑴基片清洗；
[0012] ⑵安装靶材和基片：以AZ0陶瓷靶材为溅射靶材，将溅射靶材与射频电源叠加的 直流电源相连，基片安装在真空室中可旋转的机架上；
[0013] (3)靶材预溅射：将背底真空抽至1. 0X 10 4Pa以下，再充入氩气，并调节靶电源功 率为50~80W，然后开启电源，预先溅射靶材10~30min ;
[0014] (4)沉积AZ0薄膜：当背底真空低于5. 0X 10 5Pa，充入高纯氩气并保持气压为 0. 3~1. OPa，设置射频电源的频率为30~100MHz，同时设置射频电源功率PRF为200~ 300W、直流电源功率P De为30~100W，并调节f RF为0. 71~0. 91，使得靶材的电压值为60V~ 100V，再开启电源，在基片上沉积得到电阻率分布均匀的AZ0薄膜。
[0015] 作为优选，步骤（1)中，所述基片的清洗方式为化学清洗和等离子体辉光刻蚀清 洗。
[0016] 化学清洗具体为：将基片依次放入丙酮、酒精、去离子水中各超声波清洗10~ 20min，然后在温度为80~100°C的干燥箱里鼓风干燥1~2h，或采用纯度为99. 99%的高 纯队吹干。
[0017] 等离子体辉光刻蚀清洗具体为：将化学清洗后的玻璃基片放入真空室中可旋转的 机架上，利用氩气产生的等离子体对基片刻蚀5~lOmin，使得基片表面附着的水分子、气 体分子或者微尘颗粒被完全轰击掉。
[0018] 作为优选，步骤（2)中，所述的AZ0陶瓷靶材中A120 3掺杂量为2~5wt. %，靶材 纯度大于99. 99%。
[0019] 作为优选，步骤（2)中，所述的AZ0陶瓷靶材为圆形，直径为101~201mm，厚度为 4 ~5mm〇
[0020] 作为优选，步骤（2)中，所述的AZ0陶瓷靶材与基片平行正对放置。
[0021] 作为优选，步骤（3)中，充入氩气调节气压为0? 3~0? 7Pa。
[0022] 作为优选，步骤（3)中，所述的电源为直流电源。
[0023] 步骤（4)中，当背底真空低于5. 0X 10 5Pa，能够减少沉积过程中气体分子进入涂 层中成为杂质，提高本发明沉积得到的AZ0薄膜纯度和质量。
[0024] 作为优选，步骤（4)中，所述高纯氩气的纯度大于99. 99 %，流量为10~lOOsccm。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026] (1)本发明提供了一种磁控溅射法制备均匀电阻率AZ0薄膜的方法，制备的AZ0薄 膜在靶的直径范围内，电阻率的值恒定的维持在（3~4) X 10 4 Q cm，可见光范围内的透光 率恒定的维持在87%以上。
[0027] (2)本发明提供的这种磁控溅射制备AZ0薄膜的方法，基片不需要加热，在常温条 件下、在较低的派射