透明導(dǎo)電氧化物(TCO)，作為一類獨特的半導(dǎo)體光電材料，因其卓越的導(dǎo)電性和透明性在光電器件、觸摸屏和太陽能電池等多個高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。其中，氧化銦錫、氧化銦和其他氧化物混合的薄膜是透明導(dǎo)電氧化物薄膜的主要研究對象，已經(jīng)商業(yè)化30多年了，廣泛運用在傳感器、平面顯示等領(lǐng)域[3-4]。但是這類材料的稀有性、制備過程中的環(huán)境危害性等問題，日益成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，亟需一種更加優(yōu)異的材料來代替5。氧化鋅薄膜由于其無毒無害、高透明性、廉價和穩(wěn)定性好等特點正逐步成為新的研究熱點6-7。氧化鋅的結(jié)構(gòu)決定了它能夠比較容易地與其他元素進(jìn)行摻雜，從而實現(xiàn)對材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控。尤其是摻雜Al的氧化鋅(AZO)被看作是能代替氧化銦錫的材料，其性能與氧化銦錫極其相似，還具有氧化銦錫所不具備的儲量大、成本低、無毒害及在氫氣中穩(wěn)定性好等優(yōu)點[8]。氧化鋅薄膜作為一種新型材料，具有極高的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用前景，目前已經(jīng)在儀器儀表、計算機(jī)、軍事通訊、航空航天等多種領(lǐng)域開始應(yīng)用9-10]。隨著研究工作的不斷深入，高質(zhì)量、高性能氧化鋅薄膜的制備及其摻雜改性技術(shù)，已成為當(dāng)前材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點與難點問題。

制備AZO薄膜的方法主要包括磁控濺射法[11-12]、激光脈沖沉積法[13-14]、分子束外延法[15-16]，溶膠-凝膠法17和金屬化學(xué)氣相沉積法18等。在眾多方法中，磁控濺射法由于具有膜層與基材的結(jié)合力強(qiáng)、膜層致密、均勻等優(yōu)點，并且可以實現(xiàn)高速、低溫、低損傷的濺射過程而被廣泛應(yīng)用在各種薄膜的制備與生產(chǎn)中。在磁控濺射過程中，濺射功率、濺射氣壓、基底溫度和靶基距等多種因素均會對薄膜的性能產(chǎn)生影響[19-20]。本研究采用單一變量控制法，通過改變?yōu)R射過程中的濺射功率、濺射氣壓和襯底溫度，研究不同工藝參數(shù)對AZO薄膜透光性與導(dǎo)電性的影響規(guī)律。

1、試樣制備及檢測方法

1.1 AZO薄膜制備

通過雙靶磁控濺射技術(shù)制備摻鋁氧化鋅薄膜，實驗設(shè)備為鵬程真空技術(shù)有限公司研發(fā)的真空磁控濺射鍍膜設(shè)備。靶材為德陽奧納新材料有限公司生產(chǎn)的純度為99.99%、規(guī)格為D60mmx(3+2)mm的氧化鋅靶材(靶材厚度為3mm，為保證靶材散熱綁定的銅背板厚度為2mm)且純度為99.99%、規(guī)格為D60mmx2mm的鋁靶材。襯底為20mm×20mm耐高溫玻璃，可承受800℃的高溫，氣體為純度99.99%的氬氣。

實驗開展之前對襯底進(jìn)行清洗，首先使襯底浸沒在丙酮溶液中超聲清洗10min，再用純凈水沖凈;然后將其浸沒到無水乙醇溶液中超聲清洗10min，再用純凈水沖凈;最后用純凈水超聲清洗10min，用高純氮氣吹干。實驗過程中本底真空為8x10-4Pa，在濺射制備薄膜之前對靶材預(yù)濺射5min去除靶材表面雜質(zhì)，保證薄膜制備的高質(zhì)量。

本次實驗設(shè)計三組不同條件下的濺射工藝參數(shù)。第一組改變?yōu)R射功率，分別為30W、35W、40W、45W和50W，濺射氣壓為0.8Pa，襯底溫度為室溫。第二組改變?yōu)R射氣壓，分別為0.6Pa、0.7Pa、0.8Pa、0.9Pa和1.0Pa，通過對濺射功率實驗的分析，選擇光電性能較優(yōu)的40W為不同氣壓的濺射功率，襯底溫度為室溫。第三組改變襯底溫度，分別為100℃、150℃、200℃、250℃和300℃，分析上述兩個實驗的結(jié)果分別選取濺射功率為40W、濺射氣壓為0.8Pa。濺射氣體為純Ar，氣體流量為30 sccm，濺射時間為5min，襯底的旋轉(zhuǎn)速度為8r/min。

1.2薄膜物相表征方式

采用了紫外-可見分光光度計和四探針測試儀，對薄膜樣品在可見光波范圍的透過率及薄膜電阻率進(jìn)行測定和表征。

2、實驗結(jié)果與分析

2.1濺射功率對AZO薄膜透光度和電阻率的影響

改變Al靶材濺射功率實際上是改變氧化鋅中摻雜鋁的含量。圖1是AZO薄膜在不同濺射功率下的透光度曲線，可以看出，在可見光(波長380~780nm)范圍內(nèi)的透光度要明顯高于紫外光(波長4~380nm)波段。這是因為在近紫外光波段，光子具有較大的能量，足以激發(fā)電子從價帶頂端跳躍到導(dǎo)帶底端而發(fā)生本征吸收，而在可見光范圍內(nèi)的光子能量不足以激發(fā)本征吸收而使得光線被透過。

如圖2所示，當(dāng)濺射功率范圍為30~50W時，隨著濺射功率的增大，AZO薄膜的透光度逐漸下降，在30W的濺射功率條件下，薄膜的透光度最好，達(dá)到75%以上。這一現(xiàn)象可歸因于以下幾個因素:濺射功率較低時，濺射出來的粒子能量較低，在玻璃襯底上生成的晶粒較小，所制備的薄膜致密性與粗糙度較好，透光性較好;由于鋁離子的半徑大于鋅離子，當(dāng)鋁離子摻雜進(jìn)入氧化鋅中時會增大晶格填充率，導(dǎo)致透光度下降;此外，伴隨濺射功率的增大，濺射出的Al也逐漸增加，進(jìn)而導(dǎo)致了薄膜的透光率逐漸下降;同時，Al靶材濺射功率增加會使得薄膜厚度增加，這也會進(jìn)一步使透光度下降。

圖3是AZO薄膜在不同濺射功率下電阻率的變化曲線，可以看出，AZO薄膜的電阻率隨鋁靶材濺射功率增大呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢。當(dāng)濺射功率為30W時，AZO薄膜的電阻率最高，為62Ω·cm;當(dāng)Al靶材的濺射功率達(dá)到50W時，通過優(yōu)化工藝參數(shù)獲得的AZO薄膜電阻率達(dá)到最低水平，為44Ω·cm。當(dāng)靶材濺射功率較低時，被Ar濺射出來的粒子能量較小，遷移率也較小，能夠到達(dá)玻璃基底的粒子數(shù)量和靶材與襯底之間的粒子濃度都比較低，且粒子尺寸偏小，結(jié)晶性能不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致薄膜的電阻率較高。

隨著鋁靶材濺射功率的提高，濺射粒子的能量與濃度均得到顯著提升，粒子的遷移率及載流子濃度也會隨之提高，從而實現(xiàn)薄膜電阻率的降低。

2.2濺射氣壓對AZO薄膜透光度和電阻率的影響

圖4為AZO薄膜在不同濺射氣壓下的透光度變化曲線。可以看出，在可見光波段，AZO薄膜的整體透光率隨濺射氣壓的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)濺射壓強(qiáng)較小時，濺射室中氬氣所具有的能量較小，轟擊出來的粒子能量同樣比較小，無法維持正常的輝光放電過程。當(dāng)濺射壓強(qiáng)達(dá)到起輝放電的要求時，濺射出的粒子具有的能量達(dá)到鍍膜要求，能夠較好地沉積在襯底上，形成質(zhì)量較好的薄膜，此時薄膜的透光率較高。當(dāng)濺射氣壓持續(xù)升高時，濺射出來的粒子具有較大的能量，粒子在到達(dá)襯底之前會發(fā)生多次碰撞，離子間的散射作用加強(qiáng)，造成能量的損失，使成膜的質(zhì)量變差，薄膜透光性有所下降。從圖5可以看出，在濺射氣壓為0.7Pa時AZO薄膜的平均透光度最好，可以達(dá)到90%，當(dāng)氣壓為0.9Pa時平均透光度最差。

圖6是AZO薄膜在不同濺射氣壓下電阻率的變化曲線，可以看出在氣壓從0.6Pa增加至1.0Pa的過程中，AZO薄膜的電阻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)濺射氣壓為0.7Pa時，AZO薄膜電阻率最高，為60Ω·cm;當(dāng)濺射功率為1.0Pa時，AZO薄膜電阻率最低，為43Ω·cm。當(dāng)濺射氣壓小于0.7Pa時，隨著濺射氣壓的增大，從靶材上濺射出來的粒子具有較大的動能，粒子在沉積到襯底的過程中碰撞的概率提高，造成薄膜的結(jié)晶性變差，粗糙度變大，進(jìn)而使AZO薄膜的電阻率增大。當(dāng)濺射氣壓大于0.7Pa時，Al³⁺和Zn²⁺的替換增加，產(chǎn)生了更多的自由電子，并且由于薄膜的厚度和致密性的增加，薄膜的電阻率降低。

2.3襯底溫度對AZO薄膜透光度和電阻率的影響

圖7是AZO薄膜在不同襯底溫度下的透光度曲線。圖8是AZO薄膜在不同襯底溫度下的平均透光度曲線。可以看出:隨著溫度的逐漸升高，AZO薄膜在可見光波段的透光度呈現(xiàn)波動變化趨勢，在250℃時平均透光度最好，可以達(dá)到87%。這是因為在襯底溫度較低時，粒子在樣品表面的遷移能力較弱，難以成核生長，導(dǎo)致薄膜晶粒尺寸較大，透光度較差。隨著襯底溫度的上升，濺射出來的粒子能夠獲得足夠大的熱能，使沉積在襯底上的薄膜致密性與粗糙度較好，薄膜的透光性提高。當(dāng)襯底溫度繼續(xù)增加時，薄膜中的缺陷增多，導(dǎo)致薄膜的粗糙度升高，從而影響其透光度。

圖9為不同襯底溫度下AZO薄膜的電阻率曲線，可以看出，在襯底溫度為100℃時AZO薄膜電阻率最高，可以達(dá)到55Ω·cm。隨著襯底溫度的繼續(xù)增加，AZO薄膜的電阻率呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，當(dāng)襯底溫度達(dá)到300℃時ATO薄膜的電阻率最低，為35Ω·cm。AZO薄膜能夠?qū)щ姷闹饕蚴潜∧ぶ写嬖诖罅康淖杂呻娮樱@些自由電子主要是氧空位與Al³⁺置換Zn²⁺所產(chǎn)生的。溫度的升高有利于Al對Zn²⁺的替代，提升了載流子濃度與遷移率，實現(xiàn)了AZO薄膜電阻率的進(jìn)一步降低。

3、結(jié)論

采用雙靶磁控濺射技術(shù)在石英玻璃襯底上制備了AZO薄膜，研究了不同工藝參數(shù)(濺射功率、濺射氣壓和襯底溫度)對薄膜光學(xué)和電學(xué)特性的影響。實驗結(jié)果表明，隨著濺射功率的增加，薄膜的透光度和電阻率逐漸下降，在30W鋁靶濺射功率下透光性最好，在50W時達(dá)到最低電阻率，為44Ω.cm;隨著濺射氣壓的增大，薄膜透光度和電阻率先增加后降低，在0.7Pa濺射氣壓下AZO薄膜在可見光范圍內(nèi)的透光性最好，達(dá)到90%以上，在1.0Pa濺射氣壓下電阻率最低，為43Ω.cm;隨著襯底溫度的升高，透光度波動變化，而電阻率逐漸降低。在250℃的襯底溫度下AZO薄膜的性能達(dá)到最佳，其在可見光范圍內(nèi)的平均透光度為87%，電阻率為38Ω.cm。

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（注，原文標(biāo)題：雙靶磁控濺射工藝參數(shù)對AZO薄膜性能的影響_張健）

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