一种制备fto透明导电薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，采用等静压固相反应合成工艺制备FTO即SnO2-0.5xFx(0.04≤x≤0.3)靶材，利用磁控溅射沉积技术，使用Ar和O2作为溅射气体，沉积得到厚度为200～700nm的FTO透明导电薄膜。本发明显著降低了薄膜的电阻率，提高了薄膜中的载流子浓度，可大面积规模化生产，工艺简单，成本低，所制薄膜表面平整，结晶致密，颗粒大小均匀，具有低电阻率、高透明性、重复性和稳定性；薄膜的透过率≥80％，电阻率<5.0×10-3Ω·cm。
【专利说明】一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于电子信息材料与元器件的，特别涉及一种以磁控溅射沉积法制备F掺杂的二氧化锡即FTO透明导电薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]透明导电氧化物(TCO)薄膜由于具有高的可见光透射率和低的电阻率，在抗静电涂层、触摸显示屏、太阳能电池、平板显示、发热器、防结冰装置、光学涂层以及透明光电子等方面具有广阔的发展前景，其中的代表性TCO薄膜是In2O3 = Sn(ITO)薄膜，具有良好的光电性能。相对于传统的ITO薄膜而言，二氧化锡基薄膜在价格上是便宜、无毒的，并且在大气环境中化学稳定性和热稳定性都很好。纯净的二氧化锡薄膜光电性质不甚理想，为了改良它的光学性质和电学性质，F已经被研究者作为杂质掺进二氧化锡中进行了研究。二氧化锡薄膜的制备方法主要有:化学气相沉积、脉冲激光沉积、喷雾热解、溶胶-凝胶等技术。
[0003]脉冲激光沉积虽然能够制备出高质量的薄膜，但是不利于大规模生产；喷雾热解和溶胶-凝胶属于化学制备方法，薄膜质量相对较低，也不利于规模化生产。化学气相沉积虽然可以大规模生产，其缺点是设备复杂且昂贵，且所用的F源毒性较大。于是，寻找一种工艺简单、成本低的制备技术制备FTO薄膜，将更有利于推进FTO薄膜的产业化应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，是为克服现有技术制备FTO薄膜存在的缺点和不足，提供一种采用磁控溅射沉积法制备F掺杂二氧化锡透明导电薄膜的制备方法。
[0005]本发明通过如下技术方案予以实现。
[0006]一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，具有如下步骤:
[0007](I)采用等静压固相反应合成工艺制备FTO即F掺杂的二氧化锡的靶材
[0008]按Sn02_Q.5xFx，其中0.04≤x≤0.3对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体，充分混合后，先预压成型，然后采用冷等静压，最后置于电炉中于1000°c烧制成FTO的靶材；
[0009](2)将清洁干燥的衬底放入磁控溅射系统反应室中；
[0010](3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至l.0XlOljr以下，然后加热衬底至500 ~700。。；
[0011 ] (4)在步骤3系统中，使用Ar和O2作为溅射气体，溅射功率为50~200W，氧气和氩气的分压比在0.02~0.2，进行沉积得到厚度为200~700nm的FTO透明导电薄膜。
[0012]所述步骤(1)的SnO2和SnF2原料的纯度均在99.9%以上。[0013]所述步骤(1)的FTO靶材的烧制条件为:逐步升温至200°C保温10小时，然后再逐步升温至1000°C保温2小时。
[0014]所述步骤(2)的衬底为玻璃、石英或者Si衬底。
[0015]所述步骤⑷的Ar和O2的纯度均在99.99%以上。[0016]所述步骤(4)的薄膜厚度通过调节制备工艺参数或沉积时间进行控制，薄膜的电阻率通过调节靶材中的F的含量以及制备过程中的氧分压来控制。
[0017]本发明的有益效果如下:
[0018](I)本发明磁控溅射法使F离子均匀掺杂于SnO2中，F的引入可以显著降低薄膜的电阻率，提高薄膜中的载流子浓度，并获得高质量的薄膜，为光电子器件的应用提供了优良的材料基础。
[0019](2)本发明的制备方法可大面积规模化生产，工艺简单，成本低，所制得的F掺杂的SnO2透明导电薄膜表面平整，结晶致密，颗粒大小均匀，具有低电阻率、高透明性、重复性和稳定性；薄膜的透过率≥80%，电阻率〈5.0X Kr3 Ω.cm。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为实施例1的SnO1.92F0.16薄膜的XRD图谱；
[0021]图2为实施例1的制备在石英玻璃衬底上的SnOu2Fai6薄膜的扫描电子显微镜照片;
[0022]图3为实施例1的制备在石英玻璃衬底上的SnOu2Fai6薄膜的光学透过性能(紫外-可见光谱)图谱。
【具体实施方式】 [0023]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
[0024]实施例1
[0025]以16%摩尔F掺杂SnO2。
[0026](I)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnOh92Fai6靶材:
[0027]用电子天平按SnOh92Fa 16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体，纯度均为99.9%，经充分混合后，先预压成型(50MPa)，然后采用冷等静压(200MPa)，最后置于电炉中逐步升温至200°C保温10小时，再逐步升温至1000°C保温2小时，制得SnO1.92F0.16靶材。
[0028](2)将石英玻璃衬底清洗，以N2吹干并放入磁控溅射制备室中。
[0029](3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至7.0X KT6Torr，然后加热衬底至700°C。
[0030](4)以高纯(99.99% )Ar和O2作为溅射气体，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为IOmTorr,溅射功率为150W，进行沉积得到厚度为200nm的F掺杂SnO2薄膜。
[0031]经检测得到图1~3。
[0032]图1为实施例1的F掺杂的SnO2薄膜的XRD图谱，可见所得的薄膜结晶性良好。
[0033]图2为实施例1的制备在石英玻璃衬底上的SnOu2Fai6薄膜扫描电子显微镜照片，可见所得到的SnOh92Fai6薄膜表面平整，颗粒均匀。
[0034]图3为实施例1的制备在石英玻璃衬底上的SnOh92Fai6薄膜光学透过性能(紫外-可见光谱)图谱，可见在可见光范围内的平均光学透过率达85 %。
[0035]经检测所得的FTO透明导电薄膜的导电性能如表1所示，薄膜的电阻率低至
2.1Χ10-3Ω.cm，载流子浓度为1.36 X 102°cnT3，载流子迁移率为21.9cmW1。[0036]实施例2
[0037]以30 %摩尔F掺杂SnO2。
[0038](I)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnOh85Fa3靶材，用电子天平按SnOL92F0.16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体，纯度均为99.9%，经充分混合后，先预压成型(50MPa)，然后采用冷等静压(200MPa)，最后置于电炉中逐步升温至200°C保温10小时，再逐步升温至1000°C保温2小时，制得SnOh85Fa3靶材。
[0039](2)将石英玻璃衬底清洗，以N2吹干并放入磁控溅射制备室中。
[0040](3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至7.0 X 10_6Torr，然后加热衬底至700°C。
[0041](4)以高纯(99.99% )Ar和O2作为溅射气体，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为IOmTorr,溅射功率为150W，进行沉积得到厚度为200nm的F掺杂的SnO2薄膜。
[0042]经检测所得的FTO透明导电薄膜的导电性能如表1所示，薄膜的电阻率低至
3.9X 10_3Ω.cm，载流子浓度为0.89 X 102°cnT3，载流子迁移率为18.2cmW1。
[0043]实施例3
[0044]以4 %摩尔F掺杂SnO2。
[0045](I)采用标准的等静压固相反应合成工艺制备SnOh98Faci4祀材，用电子天平按SnOL92F0.16的对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体，纯度均为99.9%。经充分混合后，先预压成型(50MPa)，然后采用冷等静压(200MPa)，最后置于电炉中逐步升温至200°C保温10小时，然后逐步升温至1000°C保温2小时，制得SnOh98Fatl4靶材。
[0046](2)将石英玻璃衬底清洗，以N2吹干并放入磁控溅射制备室中。
[0047](3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至7.0X 10_6Torr，然后加热衬底至700°C。
[0048](4)以高纯(99.99% )Ar和O2作为溅射气体，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为IOmTorr,溅射功率为150W，进行沉积得到厚度为700nm的F掺杂的SnO2薄膜。
[0049]经检测所得的FTO透明导电薄膜的导电性能如表1所示，薄膜的电阻率低至
4.9X 10_3Ω.cm，载流子浓度为0.56 X 102°cnT3，载流子迁移率为22.6cmW1。
[0050]表1
【权利要求】
1.一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，具有如下步骤: (1)采用等静压固相反应合成工艺制备FTO即F掺杂的二氧化锡的靶材 按Sn02_Q.5xFx，其中0.04≤X≤0.3对应元素的化学计量比称取SnO2和SnF2粉体，充分混合后，先预压成型，然后采用冷等静压，最后置于电炉中于1000°C烧制成FTO的靶材； (2)将清洁干燥的衬底放入磁控溅射系统反应室中； (3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0XKT5Torr以下，然后加热衬底至500~700 V ； (4)在步骤3系统中，使用Ar和O2作为溅射气体，溅射功率为50~200W，氧气和氩气的分压比在0.02~0.2，进行沉积得到厚度为200~700nm的FTO透明导电薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)的SnO2和SnF2原料的纯度均在99.9%以上。
3.根据权利要求1所述的一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)的FTO靶材的烧制条件为:逐步升温至200°C保温10小时，然后再逐步升温至1000°C保温2小时。
4.根据权利要求1所述的一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的衬底为玻璃、石英或者Si衬底。
5.根据权利要求 1所述的一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤⑷的Ar和O2的纯度均在99.99%以上。
6.根据权利要求1所述的一种制备FTO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的薄膜厚度通过调节制备工艺参数或沉积时间进行控制，薄膜的电阻率通过调节靶材中的F的含量以及制备过程中的氧分压来控制。
【文档编号】C23C14/08GK103993281SQ201410238871
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】李玲霞, 于仕辉, 许丹, 董和磊, 金雨馨 申请人:天津大学