磁控溅射法制备AZO透明导电薄膜及其性能的研究

【摘要】：透明导电氧化物(TCO)薄膜是广泛应用于太阳能电池、平板显示器和传感器等领域的一类薄膜材料,其在可见光波长范围内的平均透过率超过80%,电阻率一般在10-3 Ω·cm以下。锡掺杂氧化铟(ITO)薄膜因为其优异的光电性能是目前应用最为广泛的TCO材料。但是,铟资源的严重短缺造成的高成本以及铟元素具有毒性,使得寻找一种廉价无毒且性能足以媲美ITO的新型透明导电薄膜来替代ITO薄膜势在必行。和传统ITO相比,铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜具有资源丰富、廉价无毒、化学和热稳定性能良好等优势,被认为是替代ITO薄膜的最佳候选材料。本文利用射频磁控溅射法(RFMS),在普通载波片上制备了AZO透明导电薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、四探针测试仪和紫外-可见分光光度计研究了溅射功率、溅射气压、基底偏压和次级磁场对AZO薄膜表面形貌、粗糙度、晶体结构以及光电性能的影响。实验结果表明：1.制备的AZO薄膜呈六角纤锌矿结构,晶粒沿(002)晶面定向生长。薄膜的晶粒尺寸、表面粗糙度以及(002)面衍射峰强度随着溅射功率的增加逐渐增大。溅射功率较低时,薄膜的生长模式为层状模式,而溅射功率较高时,薄膜的生长模式为岛状模式。薄膜电阻随着溅射功率的增加而减小,溅射功率为150 W时,薄膜的方阻降至30 Ω/□。溅射功率较小时薄膜具有较高的可见光透过率,薄膜的光学带隙宽度随着溅射功率的提高缓慢增加；2.溅射气压较小时,薄膜晶粒尺寸很小,但大小均匀,随着气压的增加,晶粒尺寸逐渐增大,表面粗糙度先增大后减小。溅射气压不超过2.0 Pa时,(002)晶面衍射峰的强度随着溅射气压的增加而增强,说明增大溅射气压可以加快晶粒的生长速度。溅射气压过高会导致薄膜的晶体结构变差,减缓薄膜的生长的速度。溅射气压为0.5 Pa和2.0 Pa时,薄膜具有较高的可见光透过率,其大小受到薄膜厚度、结晶度以及表面形貌等因素的综合影响。溅射气压为2.0 Pa时,AZO薄膜具有最小的方阻,大小为26.59Ω/□,3.施加偏压后,薄膜表面晶粒呈现无定形状(破碎状),但是晶粒大小均匀,结合更为致密,表面无异常大的颗粒形成。晶粒尺寸随基底偏压的升高缓慢增大,表面粗糙度随之增加,薄膜表面呈现更为明显的金字塔结构。溅射偏压没有改变的晶粒生长的择优取向性,但加快了薄膜中其它晶面的生长速度。施加偏压后,薄膜具有很好的可见光透过性,平均透过率超过86%。过高的偏压会起到反溅的作用,对薄膜的生长有不利的影响。4.在传统溅射系统中外加一个次级磁场,引入次级磁场后薄膜的沉积速率从原先的13.04 nm/min提高到了19.93 nm/min:施加次级磁场后薄膜表面平整致密、颗粒大小均匀,结晶质量较高,而不加磁场薄膜表面形貌呈蠕虫状,薄膜质量较差。溅射时间为90 min时,外加磁场前后AZO薄膜方阻分别为30.74Ω/□和12.88Ω/□。次级磁场对薄膜可见光透过率影响不大,但使薄膜的吸收边蓝移现象更明显。运用ANSYS软件对磁控溅射二维磁场分布模拟后发现,次级磁场提高了靶上方横向磁场强度,改善了磁场分布的均匀性,加强了磁场对电子的磁控作用,提高了靶电流,是AZO薄膜的溅射速率、光电性能和形貌结构得到提高和优化的原因。
【关键词】：磁控溅射 次级磁场 透明导电薄膜 AZO 光电性能
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2