專利名稱：一種摻雜氧化鋅薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種電子束蒸發制備摻雜氧化鋅薄膜的低能耗、易實現的工藝方法， 屬于透明導電薄膜制備領域。
背景技術：
由于透明導電薄膜在太陽能電池，液晶顯示器，氣體傳感器，飛機和汽車用導熱窗玻璃等領域具有廣泛的應用，因此近年來受到人們的關注。在各類透明導電氧化物薄膜材料中，氧化鋅系薄膜由于具有高的電導率和透過率，最重要的是相對于其他薄膜原材料資源廣泛，價格低廉，因此越來越受到人們的重視。在所有的薄膜制備方法中，電子束蒸發更容易實現生產應用之一。通常電子束蒸發制備摻雜氧化鋅薄膜工藝中靶材致密度較高，在90 %左右；蒸發束流較大，在40 IOOmA ;工作氣壓較低，在10_3 10_2Pa。例如 Sahu 等人(D. R. Sahu, Shi-Yuan Lin, Jow-Lay Huang, Deposition of Ag-based ZnO multilayer coatings for the transparent conductive electrodes by electron beam evaporation, Solar Energy Materials&Solar Cell 91 (2007) 851-855.)米用 140CTC燒結陶瓷靶(致密度大于90 % )，工作氣壓設為2. 6 X 10_3Pa，蒸發束流控制在20 50mA，制備出電阻率在10_4Q 透光率大于85%的Ag-AZO多層薄膜；又如王子健等人(王子健，王海燕，郜小勇，電子束蒸發制備ZnO = Al透明導電薄膜及其性能研究，人工晶體學報，35，6， (2006))采用IXlO-2Pa的工作氣壓，40mA的電子束流，制備出電阻率為6 X KT3Q cm，透光率為80%的鋁摻雜氧化鋅薄膜。這些工藝中，因為靶材致密度普遍較高，所以蒸發束流偏大，導致鍍膜能量損耗大。同時，束流偏大使電子槍的絕緣陶瓷件老化過快，絕緣性能變差， 導致鍍膜過程中電子束流波動，甚至使高壓不穩定。另外，實驗中對工作氣壓要求低，薄膜質量對氣壓敏感，增加了高質量薄膜制備的難度。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明提供一種摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，該制備方法為電子束蒸發法，包括靶材制備，基片處理，蒸鍍和退火的步驟，其中，蒸鍍步驟中電子束流為25 35mA，工作氣壓為0. 40 0. 80Pa。本發明所述摻雜氧化鋅薄膜的制備方法優選靶材致密度為59 70%，進一步優選為59%。本發明所述摻雜氧化鋅薄膜的制備方法中蒸鍍步驟中優選電子束流為30mA，工作氣壓為0. 51Pa。本發明所述摻雜氧化鋅薄膜的制備方法中所述摻雜氧化鋅中的摻雜元素為第三主族元素，優選為硼、鋁、鎵、銦。本發明所述摻雜氧化鋅薄膜按下述方法制備a.靶材制備將混合的氧化鋅和摻雜離子氧化物納米粉末壓制成靶材塊體，燒結成致密度為59 70%的陶瓷靶，燒結溫度為1100°C，燒結時間為6小時；
b.基片處理清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa ;基片加熱至200 300°C，轉速 2r/min ;通入氬氣，電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為I : I. 4，將工作氣壓調至0. 4 0. 8Pa ；C.蒸鍍開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為25 35mA，蒸鍍時間為30分鐘；d.退火蒸鍍后400 V退火I小時。本發明所述摻雜氧化鋅薄膜優選按下述方法制備a.靶材制備將混合好的納米粉末壓制成靶材塊體，燒結成致密度為59%的陶瓷靶；b.基片處理清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa ;基片加熱至250°C，轉速2r/min ； 通入氬氣，電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為I : I. 4，將工作氣壓調至 0. 51Pa ；c.蒸鍍開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為30mA，蒸鍍時間為30分鐘；d.退火蒸鍍后400 V退火I小時。上述制備方法中，應理解步驟a中混合指將粒徑為IOOnm I ii m的氧化鋅粉末和粒徑為50nm摻雜離子氧化物粉末混合。步驟b中基片指普通載玻片，基片采用超聲波清洗，清洗液為酒精和去離子水，鍍膜前采用電離清洗，清洗氣氛為氬氣。利用上述制備方法制備的摻雜氧化鋅薄膜厚度為200 300nm，方塊電阻為50 130 Q/ □，透光率> 90%。該摻雜氧化鋅薄膜可應用于制備太陽能電池、平板顯示器或發熱薄膜中。本發明提供了一種全新的摻雜氧化鋅薄膜制備方法。首先，本發明所使用的靶材致密度在59 70%之間，用微米尺度的粉、單軸壓力機壓制、1100°C燒結制備即可，降低了靶材制備的難度；其次，鍍膜過程中蒸發束流在25 35mA之間，較低的束流增加了蒸發鍍膜的穩定性，降低了電能損耗；再次，鍍膜過程中工作氣壓約KT1Pa,降低了真空度要求。


本發明附圖3幅，圖I為實施例I制備的AZO薄膜的XRD圖譜；圖2為實施例I制備的AZO薄膜的透射譜線；圖3為實施例I制備的AZO薄膜的SEM圖片。
具體實施例方式下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。本發明所使用的氧化鋅和氧化鋁粉末來自國藥集團化學試劑有限公司；基片為 CAT. NO. 7101的普通載玻片；使用的單軸壓力機來自天津市科器高新技術有限公司，型號為769YP-24B ;使用的燒結爐來自中科院安徽光機所，型號為0TF-1200X ;使用的電子束蒸發系統來自中科院沈陽科技儀器有限公司，型號為DSZ-500。實施例I
電子束蒸發制備鋁摻雜氧化鋅(AZO)薄膜a.將純度為99. 99%的氧化鋅(IOOnm I ii m)和氧化招(50nm)粉末按照招元素摻雜量為3. 0被％的比例均勻混合，用16MPa單軸壓力壓制成直徑為25mm的圓柱塊體， 1100°C燒結6小時，制得致密度為59%的陶瓷靶。b.清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa ;基片加熱至250°C，轉速2r/min ;通入氬氣， 電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為1:1. 4，將工作氣壓調至0. 51Pa。c.開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為30mA，蒸鍍時間為30分鐘。d.蒸鍍后400°C退火I小時。依據上述工藝流程以及工藝參數制備的鋁摻雜氧化鋅薄膜厚度為250nm、方塊電阻113Q/□、透光率93%。圖I為通過上述方法制備的AZO薄膜的XRD衍射圖譜，由圖I 可以得出該薄膜有明顯的(002)和(103)峰，具有很好的結晶度；圖2為薄膜的透射譜線， 可以看出在可見光區(380 700nm)的范圍內透射率較高；圖3為AZO薄膜的SEM斷面形貌圖，可以看出薄膜厚度約為250nm，表面平整致密。實施例2電子束蒸發制備鋁摻雜氧化鋅薄膜a.將純度為99. 99%的氧化鋅(IOOnm I y m)和氧化鋁(50nm)粉末按照鋁摻雜量為3. Owt %的比例均勻混合，用16MPa單軸壓力壓制成直徑為25mm的圓柱塊體，1100°C燒結6小時，制得致密度為63%的陶瓷靶。b.清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa ;基片加熱至250°C，轉速2r/min ;通入氬氣， 電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為1:1. 4，將工作氣壓調至0. 40Pa。c.開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為25mA，蒸鍍時間為30分鐘。d.蒸鍍后400°C退火I小時。依據上述工藝流程以及工藝參數下所制備的鋁摻雜氧化鋅薄膜厚度為250nm，方塊電阻102 Q/ □，透光率92%。實施例3電子束蒸發制備鋁摻雜氧化鋅薄膜a.將純度為99. 99%的氧化鋅(IOOnm I ii m)和氧化鋁粉末按照鋁摻雜量為 3. 0￥丨％的比例均勻混合，用16MPa單軸壓力壓制成直徑為25mm的圓柱塊體，1100°C燒結6 小時，制得致密度為66%的陶瓷靶。b.清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa ;基片加熱至250°C，轉速2r/min ;通入氬氣， 電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為1:1. 4，將工作氣壓調至0. 80Pa。c.開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為35mA，蒸鍍時間為30分鐘。d.蒸鍍后400°C退火I小時。依據上述工藝流程以及工藝參數下所制備的鋁摻雜氧化鋅薄膜厚度為250nm，方塊電阻102 Q/ □，透光率92%。實施例4電子束蒸發制備鎵摻雜氧化鋅薄膜a.將純度為99. 99%的氧化鋅(IOOnm I y m)和氧化鎵(IOOnm)粉末按照鎵摻雜量為3. Owt %的比例均勻混合，用16MPa單軸壓力壓制成直徑為25mm的圓柱塊體，IlOO0C燒結6小時，制得致密度為63%的陶瓷靶。b.清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa ;基片加熱至250°C，轉速2r/min ;通入氬氣， 電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為1:1. 4，將工作氣壓調至0. 51Pa。c.開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為25mA，蒸鍍時間為30分鐘。d.蒸鍍后400°C退火I小時。依據上述工藝流程以及工藝參數下所制備的鎵摻雜氧化鋅薄膜厚度為250nm，方塊電阻102 Q/ □，透光率92%。
權利要求
1.一種摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，包括靶材制備，基片處理，蒸鍍和退火的步驟，其特征在于所述蒸鍍步驟中電子束流為25 35mA，工作氣壓為O. 40 O. 80Pa。
2.根據權利要求I所述的摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述靶材致密度為59 70%。
3.根據權利要求I所述的摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述蒸鍍步驟中電子束流為30mA，工作氣壓為O. 51Pa。
4.根據權利要求2所述的摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述靶材致密度為 59%。
5.根據權利要求I所述的摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于所述摻雜氧化鋅中的摻雜元素為第三主族元素。
6.根據權利要求I所述的摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于其工藝步驟如下a.靶材制備將混合的氧化鋅和摻雜離子氧化物納米粉末壓制成靶材塊體，燒結成致密度為59 70%的陶瓷靶；b.基片處理清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa;將基片加熱至200 300°C，轉速2r/ min;通入氬氣，電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為I : I. 4，將工作氣壓調至O. 4 O. 8Pa ；蒸鍍開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為25 35mA，蒸鍍時間為30分鐘；退火蒸鍍后400°C退火I小時。
7.根據權利要求6所述的摻雜氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于其工藝步驟如下a.靶材制備將混合好的納米粉末壓制成靶材塊體，燒結成致密度為59%的陶瓷靶；b.基片處理清洗并安裝基片，抽真空至10_3Pa;基片加熱至250°C，轉速2r/min ;通入氬氣，電離清洗5分鐘；通入氧氣，氬氣與氧氣的流量比為I : I. 4，將工作氣壓調至O.51Pa ；C.蒸鍍開始蒸鍍，高壓為6kV，電子束流為30mA，蒸鍍時間為30分鐘； d.退火蒸鍍后400°C退火I小時。
8.一種根據權利要求I所述方法制備的摻雜氧化鋅薄膜，其特征在于所述薄膜厚度為200 300nm，方塊電阻為50 130Ω/ □，透光率> 90%。
9.一種摻雜氧化鋅薄膜在制備太陽能電池、平板顯示器或發熱薄膜中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種電子束蒸發制備摻雜氧化鋅薄膜的低能耗、易實現的工藝方法，屬于透明導電薄膜制備領域。該制備方法為電子束蒸發法，包括靶材制備，基片處理，蒸鍍和退火的步驟，其中，蒸鍍步驟中電子束流為25～35mA，工作氣壓為0.40～0.80Pa。利用上述制備方法制備的摻雜氧化鋅薄膜的方塊電阻在50～130Ω/□之間、透光率＞90％，可廣泛應用于制備太陽能電池、平板顯示器和發熱薄膜中。
文檔編號C23C14/08GK102586741SQ20121005181
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者侯波, 葉飛, 張文征, 曹善鵬 申請人:大連理工大學