[发明专利]一种掺铝氧化锌透明导电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明导电氧化物薄膜的制备方法。

背景技术

透明导电氧化物薄膜(TCO)具有较低的电导率，可见光区域高的透过率和红外区域高的反射率，使其在平板显示、触摸面板、太阳能电池窗口电极、仪表窗口、汽车、飞机等挡风玻璃、建筑节能玻璃等众多领域得到广泛的应用。目前研究和应用最多的TCO薄膜是掺Sn氧化银（ITO）薄膜和掺铝氧化锌（AZO）薄膜，TCO薄膜电阻率为10^-4Ω·cm，可见光区域透过率85%以上，已经广泛应用于平板显示、太阳能电池、触摸面板等领域。但由于In为稀散金属，地壳丰度很低，难以支持ITO薄膜的大规模应用，且ITO薄膜在氢等离子体环境中稳定性较差。与ITO薄膜相比，AZO薄膜具有原材料丰富、成本低、性能优异、沉积温度低以及在氢等离子体环境中稳定性较好等特点，逐步应用于平板显示、太阳能电池等领域。

目前制备AZO薄膜的方法主要有蒸发、磁控溅射（薄膜电阻率8.7×10^－4，可见区透过率83％）、溶胶凝胶（薄膜电阻率3.3×10^－3Ω·cm，可见区透过率90％）、脉冲激光沉积（薄膜电阻率4.7×10^－4Ω·cm，可见光区透过率90％）等。磁控溅射方法具有设备成本低，工艺控制相对简单，且适宜工业化生产，是制备AZO透明导电薄膜的主要方法。溅射工艺使用的靶材主要有ZnO掺杂Al₂O₃的陶瓷靶材和AlZn合金靶或AL靶、Zn靶共溅射。目前溅射过程中需要通入少量氧气，氧气通入使金属靶材表面氧化中毒，工艺控制难度较大，因此氧气氛ZnO掺杂Al₂O₃的陶瓷靶磁控溅射工艺是制备AZO薄膜的主流方法。

氧气氛条件下，室温或低温沉积（150℃～200℃）AZO预制膜，随后真空条件下、高温（400℃～500℃）退火是目前磁控溅射制备AZO薄膜的主要工艺方法。制备的AZO薄膜可见光区透过率83%，电阻率8.7×10^－4，在1500nm处红外反射率为10％，在2500nm处红外反射率高达60％，作为太阳电池透明电极和光学减反，层反射系数处于1.8%－2.0%之间。

AZO薄膜规模化应用存在的主要问题是大尺寸薄膜制备时，薄膜性能均匀性，以及批次稳定性较差，同时薄膜制备在高温条件下完成，工艺能耗较高，工艺稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是克服现有AZO制备工艺成本高，工艺稳定性差的缺点，提供一种AZO透明导电薄膜的制备方法。本发明可用于太阳能电池、平板显示、触摸面板、节能玻璃等领域。

本发明在氩氢混合气氛、室温条件下，采用AZO陶瓷靶直流磁控溅射工艺制备AZO薄膜。

本发明制备方法的工艺步骤如下：

采用Al₂O₃掺杂量为2%的热压成型AZO陶瓷靶材为溅射靶材，靶材尺寸为Φ75×5mm，沉积气氛为氢气氛，Ar：H₂=40：0.5～40：8SCCM，工作气压为0.08Pa～0.4Pa，溅射功率80W，靶基距160mm，制备AZO透明导电膜的具体步骤如下：

(1)将玻璃片用王水（V_HCl：V_HNO3=3：1）浸泡15min，用去离子水冲洗干净，再先后分别在丙酮和酒精中超声清洗5min，随后放入烘箱干燥待用；

(2)将上述清洗后的玻璃片装卡在磁控溅射设备的样品台上，安装AZO陶瓷靶材，调整靶基距至160mm；

(3)磁控溅射设备沉积室抽真空，并预抽氩气和氧气气路，待磁控溅射沉积室真空度优于8.5×10^-4Pa时，同时通入氩气和氢气，通过气体流量计调节氩气流量为40SCCM，氢气流量为0.5～8SCCM，调节闸板阀，使工作气压为0.08Pa～0.4Pa；

(4)打开直流溅射电源，调节至溅射功率为180W，预溅射10min，然后打开样品挡板，沉积30min，沉积完成后，关闭样品挡板，关闭溅射电源，关闭气体，关闭真空系统。

在上述AZO薄膜制备方法中，所述步骤（2）中预抽气路是为避免腔室残余氧影响薄膜性能。所述玻璃片尺寸为100×100×1mm。所述的步骤（4）溅射得到的薄膜厚度为500nm，样品旋转速度为30r/min。