磁控濺射摻鋁氧化鋅薄膜制備及其光電性能分析

楊珮?biāo)嚕跤理槪瑓?蓉

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070)

隨著超薄液晶顯示器的普及，透光導(dǎo)電薄膜錫摻雜氧化銦(ITO)的應(yīng)用日益廣泛[1-2]，但價(jià)格昂貴，有毒且污染環(huán)境[3-4].而作為“非銦”材料的摻鋁氧化鋅ZnO∶Al(簡稱AZO)中的Zn來源豐富、無毒環(huán)保、性能穩(wěn)定，備受研究者關(guān)注[5-6].但是，AZO納米材料在微納米器件的制備工藝上仍然存在一系列難題沒有攻克，例如實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的P型材料摻雜，接觸電極的制備[7]等.由于在不同生長環(huán)境下獲得的AZO納米棒結(jié)構(gòu)和形貌存在著較大的差異，而這些差異對于AZO納米材料的光電性能都有著重要影響[8].國內(nèi)外的一些科研機(jī)構(gòu)目前已經(jīng)利用水熱法制備得出了AZO納米棒狀材料，并對其一些基本結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了深入研究，但在如何提高ZnO晶體質(zhì)量、光電性能，以及取向性良好的納米棒陣列等方面的研究仍未得到根本性的進(jìn)展，仍有待做進(jìn)一步深入研究[9-10].目前工業(yè)上進(jìn)行ZnO納米材料的制備工藝有多種，如激光分子束外延法[11]、磁控濺射法[12]、MOCVD[13]、氣相傳輸法[14]、水熱法[15]、模板法[16]，其中磁控濺射法相比較于其他工藝具有工藝步驟簡單，儀器設(shè)備成本低，生長條件不嚴(yán)苛，適用于大批量生產(chǎn)制造的優(yōu)點(diǎn).本文研究AZO薄膜制備工藝的改進(jìn)，并對影響薄膜厚度及結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行對比分析，得到了優(yōu)化的薄膜制備工藝與參數(shù).

1 AZO薄膜磁控濺射制備過程

當(dāng)高速離子轟擊AZO靶材時，其表面會濺射出各種粒子[17]，通過動量傳遞使中性靶原子具有足夠動能[18]，逸出AZO靶材表面，并飛向基底白玻[19-20]，不同程度的濺射效果，沉積凝聚成不同的AZO薄膜[21-23].濺射裝置如圖1所示，濺射基底采用白玻，1.5×10-3Pa的濺射氣壓，濺射氣體為Ar氣.

制備射頻鍍膜的過程如下：

1) 先對腔體充氣，打開腔體門后，裝入清洗好的基底白玻片，并用耐高溫膠帶進(jìn)行固定.

2) 打開高真空計(jì)等待抽低真空，并等到達(dá)高閥時，機(jī)器會發(fā)出警報(bào)，打開“高閥”和兩個“節(jié)流閥”的按鈕開始進(jìn)行抽取低真空.

3) 氣壓2×10-3Pa時開始鍍膜.預(yù)熱射頻儀器，并調(diào)節(jié)通入的Ar氣流量為500 sccm.

4) 調(diào)節(jié)射頻功率直至起輝，使其反射功率處于最小的狀態(tài).調(diào)節(jié)氬氣流量來控制腔體內(nèi)的氣壓，并保證氣壓處于穩(wěn)定狀態(tài).

5) 調(diào)節(jié)射頻功率至所需的數(shù)值，預(yù)濺射5 min.

6) 預(yù)濺射結(jié)束之后，使腔體開始旋轉(zhuǎn)，并將調(diào)節(jié)電壓設(shè)定為75 V，開始鍍膜，鍍膜過程中設(shè)定鍍膜時間來調(diào)整膜厚.

2 濺射對AZO薄膜結(jié)構(gòu)特性的影響分析

為了進(jìn)一步研究AZO薄膜的電學(xué)與光學(xué)性能，本文采用XRD和SEM譜圖表征薄膜的厚度結(jié)構(gòu)和表面形貌[24-26].

2.1 濺射功率對AZO薄膜XRD譜圖的影響

在其他工藝參數(shù)設(shè)置不變的前提下，改變?yōu)R射功率值，測試各樣本的XRD圖譜，得到了具有不同形貌特性、不同透過率的薄膜結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示.

濺射功率：800 W、1 000 W、1 200 W、1 400 W；濺射氣壓：0.052 Pa；濺射時間：27 min 、22 min、17 min、13 min；薄膜厚度：240～250 nm.

當(dāng)波長為550 nm時，透過率最高，約為89%.各薄膜都具有明顯的取向，隨著濺射功率從800 W上升至1 000 W時，衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng).當(dāng)功率繼續(xù)上升至1200～1400 W時，衍射峰明顯減弱，這可能是由于過高功率下濺射出的離子具有很高的能量，沉積時破壞了已生長的薄膜.

2.2 濺射功率對AZO薄膜SEM譜圖的影響

在轟擊薄膜過程中，SEM掃描電子顯微鏡運(yùn)用粒子間反應(yīng)的不同機(jī)理，得出不同結(jié)果并顯示出來，使得薄膜檢測得以實(shí)現(xiàn).通過改變不同功率來制備AZO透明導(dǎo)電薄膜，測量所得的SEM形貌如圖4所示.

改變?yōu)R射功率至1 000 W，制作出相應(yīng)的薄膜后，進(jìn)行SEM測量，得到圖4(a)圖譜，晶粒大、均勻，薄膜遷移率大、導(dǎo)電性好.調(diào)節(jié)濺射功率至1 200 W時，制作出相應(yīng)的薄膜，并同樣進(jìn)行SEM測量.由圖4(b)可知，薄膜晶粒結(jié)合的更致密，但是晶粒卻在變小，晶粒之間的細(xì)縫也相對變小許多，使得電子的遷移率減小，電阻率上升.

3 濺射氣壓和時間對AZO薄膜XRD譜圖的影響

3.1 濺射氣壓對AZO薄膜XRD譜圖的影響

在濺射功率恒定為1 000 W時，改變?yōu)R射氣壓值，測試各樣本的XRD圖譜，得到了具有不同形貌特性、不同透過率的薄膜結(jié)構(gòu)，如圖5和圖6所示.

濺射功率：1 000 W；濺射氣壓：0.022 Pa、0.052 Pa、0.1 Pa、0.2 Pa；濺射時間：20 min；薄膜厚度：200～220 nm.

從圖5可以看出，衍射峰主要為ZnO的002取向.當(dāng)氣壓超過0.2 Pa時，衍射峰強(qiáng)度開始降低.由于濺射出的AZO粒子數(shù)量很少，使得薄膜結(jié)構(gòu)并不是很理想，而當(dāng)濺射氣壓較高時，導(dǎo)致粒子碰撞機(jī)會增大，能量損失較多，結(jié)晶程度較高.實(shí)驗(yàn)過程中改變?yōu)R射氣壓時，薄膜光透過率在可見光范圍內(nèi)一直高于80%.

3.2 濺射時間對AZO薄膜XRD譜圖的影響

濺射功率和氣壓恒定，改變?yōu)R射時間，測試各樣本的XRD圖譜，得到了具有不同形貌特性、不同透過率的薄膜結(jié)構(gòu)，如圖7和圖8所示.

射頻功率：1 000 W；濺射氣壓：0.052 Pa；濺射時間：8.5 min、15 min、22 min、33.5 min、65 min、87 min；薄膜厚度：95 nm、175 nm、255 nm、415 nm、850 nm、1 125 nm.

如圖8所示，不同的濺射時間對AZO薄膜有著比較顯著的影響.濺射時間越長，薄膜越厚，衍射強(qiáng)度越強(qiáng)，但是其光透過率卻從84.5%下降至74.5%左右.當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度約為34 ℃時，衍射峰開始變得尖銳，薄膜的晶粒逐漸增大，晶粒化程度提高.

4 結(jié)論

不同濺射功率條件下的SEM形貌圖表明，濺射功率越低，薄膜晶粒越大.增加濺射功率可提高總體光透過率，最佳濺射功率為1 000 W.最佳濺射氣壓為0.052 Pa時，離子能量最高.實(shí)驗(yàn)溫度約為34 ℃時，濺射時間為87 min時，薄膜最厚為1 125 nm，薄膜的晶粒化程度最高.濺射功率和氣壓對于AZO薄膜的光透過率影響不明顯.未來，AZO薄膜將以其價(jià)格、工藝、和性能等優(yōu)勢，占據(jù)巨大的市場份額.