一种扩散法制备高浓度梯度azo单晶导电薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于透明导电氧化物薄膜制备领域，特别涉及一种扩散法制备高浓度梯度AZO单晶导电薄膜的方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体、计算机、太阳能等产业的发展，一种新的功能材料一一透明导电氧化物薄膜(简称TCO薄膜)随之产生、发展起来。其中掺铝氧化锌(AZO)透明导电膜因其自然资源丰富、生产工艺简单、成本低、无毒性、性能稳定，成为至今为止最佳的透明导电薄膜材料，尤其梯度AZO单晶薄膜因其具有界面无应力、电子传输快等优点，在太阳能电池、液晶显示器、热反射镜等方面具有重要的应用前景领域。由于梯度AZO薄膜成分要求变化均匀，因此存在AZO薄膜制备过程中梯度可控难的问题。
[0003]目前，AZO薄膜的制备方法有溶胶-凝胶法、真空蒸镀法和脉冲激光沉积法。其中，溶胶-凝胶法需要多次重复涂膜、预烧，费时费力，成膜效率低。真空蒸镀就是将需要制成薄膜的物质放于真空室中进行蒸发或升华，使之在基片表面上析出；真空蒸镀中真空度的高低直接影响薄膜的结构和性能，真空度低，材料受残余气体分子污染严重，薄膜性能变差。采用脉冲激光沉积法沉沉积速度慢，成膜质量差且需要特殊的设备和高真空，生产成本高，不利于大规模工业化。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种制备成本低廉，成膜率高，薄膜性导电性能优良，适合作为薄膜太阳能电池钝化层的扩散法制备高浓度梯度AZO单晶导电薄膜的方法。
[0005]本发明的技术解决方案是:
一种扩散法制备高浓度梯度AZO单晶导电薄膜的方法，其具体步骤如下:
1)清洗
以单晶硅作为基片，对单晶硅基片进行清洗；
2)靶材和基片安装
溅射使用的靶材为ZnO靶和Al靶，氧化锌靶安装在磁控溅射设备的射频靶上，铝靶安装在磁控溅射设备的直流靶上，同时在磁控溅射设备的真空室顶部的样品台安装单晶硅基片;
3)溅射沉积
采用磁控溅射法室温下制备梯度AZO薄膜，首先将真空室抽真空，本底真空度到2X 10 4Pa?5X 10 4Pa,派射气体为高纯氩气和氧气混合气，所述氩气和氧气的体积比1:0?9:1，工作气压调节至0.4Pa?0.7Pa，开始镀膜；镀膜过程中，样品台转动速率为10rad/min?15rad/min，调节ZnO靶材的溅射功率为180W?200W，Al靶材的溅射功率为15W?25W ;磁控溅射时，在单晶硅基片上交替进行AZO层和ZnO层溅射沉积，溅射沉积时靶材的功率保持不变，通过定时调节Al靶材挡板来控制Al元素沉积，Al靶材挡板的遮挡时间为4min?247min，ZnO靶单独溅射完成后，打开铝挡板，开始Al靶和ZnO靶共溅射，每次共派射时间为15s?20s ；
4)退火扩散处理
将沉积好的单晶硅基片放入真空管式炉中进行退火处理，退火温度为300°C?500°C，保温时间为0.5h?2h，制得梯度AZO薄膜。
[0006]Al靶材挡板的遮挡使ZnO靶能够单独溅射的时间不断增加。
[0007]所述ZnO 革巴单独派射的时间依次为 4min，8min，12min，18min，25min，34min，48min，63min，85min，125min，247min。
[0008]所述AZO层和ZnO层梯度范围是42%?2%0
[0009]对单晶娃基片进行清洗时，先在丙酮中超声清洗1min?20min，再在无水乙醇中清洗1min?20min，最后用去离子水冲洗干净，烘干。
[0010]所述ZnO靶的纯度为99.99%，所述Al靶的纯度的99.999%。
[0011]真空室顶部装载单晶硅基片装载过程中，确保基片表面的整洁。
[0012]本发明的有益效果:
I)通过磁控溅射镀膜仪生长出的AZO/ZnO分层结构薄膜，而后放入退火炉进行气氛退火，通过原子扩散得到梯度成分均匀的AZO导电薄膜，扩散法制备的梯度AZO单晶薄膜，梯度掺杂浓度梯度变化大、梯度均匀、结晶质量高、单晶性能好、薄膜表面平整，导电性能优良，十分适合作为薄膜太阳能电池钝化层。
[0013]2)采用直流/射频共溅射技术制备梯度AZO单晶薄膜，磁控溅射方法沉积速率高、结合力好、过程容易控制、能够方便地控制各个组元的成分比例，该技术工艺简单、成本低廉，可适用于大规模商业生产。
【附图说明】
[0014]图1是本发明(对应实施例1)的梯度AZO薄膜的XRD图；
图2是本发明(对应实施例1)的梯度AZO薄膜的XRD图；
图3是本发明(对应实施例1)的梯度AZO薄膜的XRD图；
图4是本发明的AZO薄膜分层结构的示意图；
图5是本发明的梯度AZO薄膜侧面的表面形貌SEM图；
图6是本发明的梯度AZO薄膜正面的表面形貌SEM图。
【具体实施方式】
[0015]实施例1
1)清洗
对单晶娃基片进行清洗，先在丙酮中超声清洗lOmin，再在无水乙醇中清洗lOmin，最后用去离子水冲洗干净，烘干；
2)靶材和基片安装
溅射使用的靶材为ZnO (纯度99.99% )和Al (纯度99.999%),氧化锌靶安装在磁控溅射设备的射频靶上，铝靶安装在磁控溅射设备的直流靶上，同时在磁控溅射设备的真空室顶部的样品台安装单晶硅基片，注意装载过程中确保基片表面的整洁；
3)溅射沉积
采用磁控溅射方法室温下制备梯度AZO薄膜，首先将真空室抽成高真空，本底真空度到2 X 10 4Pa,溅射气体为高纯氩气，工作气压调0.4Pa，一切就绪，开始镀膜；镀膜过程中，样品台转动速率为10rad/min，调节ZnO靶材的溅射功率为180W，Al靶材的溅射功率为15W ;磁控溅射时，在单晶硅基片上交替进行AZO层和ZnO层溅射沉积，溅射沉积时靶材的功率保持不变，通过定时调节Al靶材挡板来控制Al元素沉积，Al靶材挡板的遮挡时间由4min到247min依次增加(即每次铝靶挡板打开前ZnO靶单独溅射的时间不断增加)，ZnO革巴单独派射的时间依次为 4min，8min，12min，18min，25min，34min，48min，63min，85min，125min，247min，对应的 Al 的掺杂量依次为 42%, 38%, 34%, 30%, 26%, 22%, 18%, 14%,10 %，6 %，2 %。ZnO靶单独溅射完成后，打开铝挡板，开始Al靶和ZnO靶共溅射，每次共溅射时间为15s，梯度范围42%?2% (梯度范围是AZO层与ZnO层的体积比)，具体分层结构如图4。(具体的单独溅射时间要写出来)
4)退火扩散处理
将沉积好的单晶硅基片放入真空管式炉中进行退火处理，退火温度为300°C，保温时间为0.5h，最后获得梯度AZO薄膜。XRD图如图1所示；梯度AZO薄膜的表面形貌如图5、图6所示，由图5和图6可以看出，薄膜正面和侧面平整，光滑、无表面缺陷，无针眼空洞，具有非常理想的表面性能；并且侧面厚度均匀，厚度大约为120nm ;
实施例2
1)清洗
对单晶娃基片进行清洗，先在丙酮中超声清洗15min，再在无水乙醇中清洗15min，最后用去离子水冲洗干净，烘干；
2)靶材和基片安装
溅射使用的靶材为ZnO (纯度99.99% )和Al (纯度99.999%),氧化锌靶安装在磁控溅射设备的射频靶上，铝靶安装在磁控溅射设备的直流靶上，同时在磁控溅射设备的真空室顶部的样品台安装单晶硅基片，注意装载过程中确保基片表面的整洁；
3)溅射沉积
采用磁控溅射方法室温下制备