射頻磁控濺射法製備ZnO∶Zr透明導電薄膜的方法

2023-07-07 06:36:01

專利名稱：射頻磁控濺射法製備ZnO∶Zr透明導電薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法，特別涉及一種射頻磁控濺射法製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法，屬於電子材料技術領域。
背景技術：
透明導電膜在微電子技術方面有著廣泛的應用。現在最常用的透明導電薄膜是ITO(In2O3:Sn)薄膜，但當溫度高於700K時，ITO薄膜的性能就開始退化，參見H.Kim等人的「用於有機發光器件的銦錫氧化物薄膜」，《應用物理快報》74(1999)3444(H.Kim al.，Indiumtin oxide thin films for organic light-emitting devices，Appl.Phys.Lett.74(1999)3444.)和C.Coutal等人的「用受激準分子雷射蒸發製備ITO薄膜及薄膜的特性」，《固體薄膜》288(1996)248(C.Coutal，al，Fabrication and characterization of ITO thinfilms deposited by excimer laser evaporation，Thin Solid Films 288(1996)248)。而當應用到透明加熱器和某些化學傳感器上時，透明導電膜的高溫(＞700K)穩定性是必須的。ZnO:Zr透明導電薄膜很有希望在高溫(＞700K)下穩定工作，參見S.B.Qadri等人的「In2O3-ZrO2，SnO2-ZrO2和ZnO-ZrO2透明導電薄膜」，《固體薄膜》377/378(2000)750(S.B.Qadri，al.，Transparent conducting films of In2O3-ZrO2，SnO2-ZrO2andZnO-ZrO2，Thin Solid Films 377/378(2000)750)。並且與ITO相比，ZnO:Zr透明導電薄膜的原料ZnO和ZrO2具有無毒、便宜和原料豐富等顯著優點，所以，ZnO:Zr透明導電薄膜被看做是高溫(＞700K)下ITO膜的理想取代者。
通過對現有文獻的檢索發現，製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法有脈衝雷射沉積(PLD)法，參見H.Kim等人的「基於Zr摻雜的ZnO薄膜的用於有機發光二極體的陽極材料」，《應用物理快報》83(2003)3809(H.Kim，al.，Anode material based on Zr-doped ZnO thinfilms for organic light-emitting diodes，Appl.Phys.Lett.83(2003)3809)，還有溶膠-凝膠(sol-gel)法，參見G.K.Paul等人的「溶膠-凝膠法沉積的Zr摻雜的ZnO薄膜的結構、光學和電學性質研究」，《材料化學與物理》79(2003)71(G.K.Paul，al.，opticaland electrical studies on sol-gel deposited Zr doped ZnO fi lms，Materials ChemistryAnd Physics 79(2003)71)。脈衝雷射沉積法雖然可以製得電阻率為5.4×10-4Ωcm的薄膜，但是設備昂貴，難以大面積成膜；溶膠-凝膠法雖然設備簡單便宜，易於大面積成膜，但是成膜的均勻性和光電性能都比較差，用這種方法製得的薄膜最低電阻率只有7.6×10-2Ωcm。

發明內容本發明針對現有製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法存在的不足，提供一種射頻磁控濺射法製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法。
本發明的技術方案如下一種射頻磁控濺射法製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法，步驟如下
(1)將純度均為99.99WT％的ZnO和ZrO2粉末按重量比99∶1-90∶10充分混合，在55-65MPa的壓強下壓製成型後，送入高溫燒結爐，在空氣中1250℃-1350℃下燒結300-400分鐘，燒製成ZnO:Zr靶材；(2)將步驟(1)的靶材和清洗過的基片送入射頻磁控濺射儀，濺射製備ZnO:Zr透明導電薄膜，濺射儀基礎真空為5.0×10-4Pa，濺射氣體為氬氣，氣壓0.6-3.0Pa，濺射功率為50-200W，濺射時間為4-20分鐘，膜厚為100-600nm。
上述步驟(1)中製備靶材時，ZnO和ZrO2粉末壓製成型時間是15-25分鐘。
上述步驟(2)中基片是#7059玻璃，對基片依次用超聲波和丙酮清洗。
上述(2)中濺射氣體氬氣的純度為99.99％。
本發明的方法與現有技術相比優良效果如下1.與脈衝雷射沉積法相比，設備簡單便宜、易於大面積成膜；2.與溶膠一凝膠法相比，薄膜的光電性能明顯改善，薄膜的電阻率可達到2.07×10-3Ωcm，可見光透過率達到92％。


圖1實施例1中濺射製得的ZnO:Zr薄膜的XRD圖像。
圖2實施例2中濺射製得的ZnO:Zr薄膜的XRD圖像。
圖3實施例3中濺射製得的ZnO:Zr薄膜的XRD圖像。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步說明。
實施例1.
(1)將純度均為99.99WT％的ZnO和ZrO2粉末按重量比95∶5，用球磨機充分混合；然後，將充分混合後的粉末在60MPa的壓強下擠壓15分鐘成型，然後送入高溫燒結爐，在空氣中1300℃下燒結360分鐘，製得ZnO:Zr靶材。
(2)選用#7059玻璃作為基片，對基片依次用超聲波和丙酮清洗。將步驟(1)的靶材和清洗過的基片送入射頻磁控濺射儀，濺射儀基礎真空為5.0×10-4Pa，濺射氣體為純度為99.99％的氬氣，調節濺射氣壓為0.6Pa，濺射功率為125W，濺射時間為6分鐘，膜厚為170nm，製備薄膜。薄膜的電阻率為9.76×10-3Ωcm。
所製備的ZnO:Zr薄膜的XRD圖像如圖1所示，由圖中可以看到，薄膜具有明顯的ZnO(002)峰，說明薄膜已經形成很好的ZnO六角結構，並且C軸垂直於基片。
實施例2.
如實施例1所述，所不同的是步驟(2)中濺射時間為16分鐘，膜厚為475nm。薄膜的電阻率為2.07×10-3Ωcm。所製備的ZnO:Zr薄膜的XRD圖像如圖2所示，與圖1相比，ZnO(002)峰的強度顯著增強，說明隨著膜厚的增加，薄膜的晶粒更大，晶化更強。薄膜的電阻率也明顯降低。
實施例3.
如實施例1所述，所不同的是步驟(2)中濺射時間為20分鐘，膜厚為600nm。薄膜的電阻率為4.24×10-3Ωcm。所製備的ZnO:Zr薄膜的XRD圖像如圖3所示，與圖2相比，ZnO(002)峰的強度變化不大，說明當膜厚增加到一定程度時，薄膜的晶粒大小和晶化程度趨於穩定。薄膜的電阻率有所升高。
實施例4.
如實施例1所述，所不同的是步驟(1)中ZnO和ZrO2粉末按重量比97∶3，擠壓20分鐘成型，濺射功率為100W，濺射時間為15分鐘，膜厚為300nm。薄膜的電阻率為1×102Ωcm。
權利要求
1.一種射頻磁控濺射法製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法，步驟如下(1)將純度均為99.99WT％的ZnO和ZrO2粉末按重量比99∶1-90∶10充分混合，在55-65MPa的壓強下壓製成型後，送入高溫燒結爐，在空氣中1250℃-1350℃下燒結300-400分鐘，燒製成ZnO:Zr靶材；(2)將步驟(1)的靶材和清洗過的基片送入射頻磁控濺射儀，濺射製備ZnO:Zr透明導電薄膜，濺射儀基礎真空為5.0×10-4Pa，濺射氣體為氬氣，氣壓0.6-3.0Pa，濺射功率為50-200W，濺射時間為4-20分鐘，膜厚為100-600nm。
2.如權利要求1所述的射頻磁控濺射法製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法，其特徵在於，所述步驟(1)中製備靶材時，ZnO和ZrO2粉末壓製成型時間是15-25分鐘。
3.如權利要求1所述的射頻磁控濺射法製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法，其特徵在於，所述步驟(2)清洗過的基片是#7059玻璃基片，對基片依次用超聲波和丙酮清洗。
4.如權利要求1所述的射頻磁控濺射法製備ZnO:Zr透明導電薄膜的方法，其特徵在於，所述步驟(2)中濺射氣體氬氣的純度為99.99％。
全文摘要
本發明涉及一種射頻磁控濺射法製備ZnO∶Zr透明導電薄膜的方法，屬於電子材料技術領域。首先將純度均為99.99WT％的ZnO和ZrO
文檔編號C23C14/35GK1718841SQ200510043960
公開日2006年1月11日 申請日期2005年6月29日 優先權日2005年6月29日
發明者韓聖浩, 呂茂水, 葉麗娜, 龐智勇, 修顯武 申請人:山東大學