一种导电膜、其制备方法和应用

摘要

本发明适用于光电材料技术领域，提供了一种导电膜，其制备方法和应用。该导电膜制备方法包括：将三氧化二铝、二氧化硅掺杂于氧化锌混合，烧结作为靶材；所述混合物中三氧化二铝的质量百分含量为0.5％～3％，所述二氧化硅的质量百分含量为0.5％-1.5％，余量为所述氧化锌；将所述靶材装入磁控溅射腔体内，所述磁控溅射中在垂直于溅射粒子飞行方向施加线圈匝数为50N～500N，励磁电流为0.1A～5A的电磁场，得到导电膜。采用本发明的制备方法能够提高导电膜的结晶质量，降低电阻率。

权利要求

1.一种导电膜制备方法，包括如下步骤：

将三氧化二铝、二氧化硅掺杂于氧化锌混合，烧结作为靶材；所述混合物中三氧化二铝的质量百分含量为0.5%～3%，所述二氧化硅的质量百分含量为0.5%-1.5%，余量为所述氧化锌；

-3 -5

将所述靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空至1.0×10 Pa～1.0×10 Pa，设置工作压强为0.2Pa～1.5Pa，以氢气与惰性气体混合气体为工作气体，其中，氢气的体积百分含量为

1%～10%，气体流量15sccm～25sccm，衬底温度为300℃～650℃，所述磁控溅射中在垂直于溅射粒子飞行方向施加线圈匝数为50N～500N，励磁电流为0.1A～5A的电磁场，得到导电膜；所述垂直于溅射粒子飞行方向是指：在所述真空溅射设备中，衬底和靶材相垂直，电磁场的磁场方向和衬底或靶材构成的面平行。

2.如权利要求1所述的导电膜制备方法，其特征在于，所述混合物中三氧化二铝的质量百分含量为1%～2%，所述二氧化硅的质量百分含量为1%～1.2%，余量为所述氧化锌。

3.如权利要求1所述的导电膜制备方法，其特征在于，所述将混合物烧结、形成溅射靶材的步骤中，烧结温度为900℃～1300℃。

4.如权利要求1所述的导电膜制备方法，其特征在于，所述磁控溅射中，衬底温度为

400℃～550℃。

5.如权利要求1所述的导电膜制备方法，其特征在于，所述氢气和惰性气体的混合气体中，氢气的体积百分含量为5%。

6.如权利要求1所述的导电膜制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的工作压强为

0.2Pa～1.5Pa。

7.一种如权利要求1所述的导电膜制备方法制备的导电膜，所述电磁场线圈匝数为

100N～400N。

8.一种如权利要求1所述的导电膜制备方法制备的导电膜，所述电磁场励磁电流为

1A～4A。

9.一种如权利要求1～6任一项所述的导电膜制备方法制备的导电膜，所述导电膜的晶粒尺寸为200nm～500nm。

10.如权利要求1～6任一项所述的导电膜制备方法制备的导电膜在太阳能器件、电致发光器件或场发射器件中的应用。

说明书

一种导电膜、其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于光电材料技术领域，尤其涉及一种导电膜、其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 透明导电薄膜是把光学透明性能与导电性能复合在一体的光电材料。氧化锌薄膜是应用范围广泛的一种透明导电薄膜，但是对于单一元素的氧化锌掺杂(如Al-doped ZnO，简称AZO)，生产中不容易制备得到低电阻的薄膜，导电薄膜在使用中存在电阻上升，电阻不稳定现象；同时，AZO在表面和晶粒间界氧吸附导致电学性能下降等；采用磁控溅射方法制备透明导电薄膜，具有沉积速率高、衬底温度相对较低、薄膜附着性好、易控制并能实现大面积沉积等优点，但是，普通的溅射法也存在一些问题。比如说，溅射时轰击出来的靶材粒子，能量不一，速度有较大的差异。粒子能量过高，容易损伤基底，能量过低，则不能移动到合适的位置沉积，影响结晶质量，并最终影响到导电膜的电阻率。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明实施例提供一种导电膜制备方法，解决现有技术中氧化锌薄膜电阻率高而且导电膜使用中电阻不稳定的技术问题。

[0004] 本发明是这样实现的，

[0005] 将三氧化二铝、二氧化硅掺杂于氧化锌混合，烧结作为靶材；所述混合物中三氧化二铝的质量百分含量为0.5％～3％，所述二氧化硅的质量百分含量为0.5％-1.5％，余量为所述氧化锌；

[0006] 将所述靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空至1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa，设置工作压强为0.2Pa～1.5Pa，以氢气与惰性气体混合气体为工作气体，其中，氢气的体积百分含量为1％～10％，气体流量15sccm～25sccm，衬底温度为300℃～650℃，所述磁控溅射中在垂直于溅射粒子飞行方向施加线圈匝数为50N～500N，励磁电流为0.1A～5A的电磁场，得到导电膜。

[0007] 以及，

[0008] 上述导电膜制备方法制备的导电膜，该导电膜的晶粒尺寸为200nm～500nm，电阻-4 -4率为3.8×10 Ω·cm～10×10 Ω·cm。

[0009] 本发明实施例进一步提供上述导电膜制备方法制备的导电膜在电致发光器件、太阳能器件、场致发光器件中的应用。

[0010] 采用本发明的制备方法能够提高导电膜的结晶质量，降低电阻率。

附图说明

[0011] 图1是本发明实施例制备方法的磁控溅射步骤中施加的电磁场示意图；

[0012] 图2是本发明实施例提供的制备方法磁控溅射步骤中含有外加磁场和对比例不含有外加磁场所制备的导电膜的XRD对比图；

[0013] 图3是本发明实施例制备的导电膜和对比例制备的导电膜电阻率对比图。

具体实施方式

[0014] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0015] 本发明实施例提供一种导电膜制备方法，包括如下步骤：

[0016] 将三氧化二铝、二氧化硅掺杂于氧化锌混合，烧结作为靶材；所述混合物中三氧化二铝的质量百分含量为0.5％～3％，所述二氧化硅的质量百分含量为0.5％-1.5％，余量为所述氧化锌；

[0017] 将所述靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空至1.0×10-3Pa～1.0×10-5Pa，设置工作压强为0.2Pa～1.5Pa，以氢气与惰性气体混合气体为工作气体，其中，氢气的体积百分含量为1％～10％，气体流量15sccm～25sccm，衬底温度为300℃～650℃，所述磁控溅射中在垂直于溅射粒子飞行方向施加线圈匝数为50N～500N，励磁电流为0.1A～5A的电磁场，得到导电膜。

[0018] 具体地，步骤S01中，该氧化锌为粉体状，纯度为99.9％以上；该三氧化二铝为粉体结构，纯度为99.9％以上；该二氧化硅为粉体结构，纯度为99.9％以上。步骤S01得到的混合物中，三氧化二铝的质量百分含量为0.5-3％，优选1％-2％；二氧化硅的质量百分含量为0.5-1.5％，优选1％-1.2％，其余的为氧化锌。通过在氧化锌中掺杂三氧化二铝和二氧化硅，使得得到的导电膜中的氧化锌晶体中掺杂有铝和硅，实现了导电膜电阻的降低，同时使得导电膜在使用中电阻稳定。

[0019] 具体地，步骤S02中，将混合物进行烧结的温度为900-1300℃，优选1000℃，烧结的时间没有限制，烧结的气氛为惰性气氛或空气气氛；步骤S02中所得到的溅射靶材的尺寸为Φ50×2mm。

[0020] 具体地，步骤S03中所使用的溅射设备没有限制，只要能够实现磁控溅射即可，本步骤中使用的衬底没有限制，例如蓝宝石、石英玻璃及硅片等，本步骤使用的衬底在使用前，需要经过如下的清洁处理：丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干；

[0021] 步骤S03中，首先将步骤S02中得到的溅射靶材放置于磁控溅射设备的腔体中，利-3 -5 -4用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至1.0×10 Pa～1.0×10 Pa，优选6.0×10 Pa；其次，调整衬底和溅射靶材之间的距离为50毫米-90毫米，优选60毫米；然后将衬底温度升高至300℃-650℃，优选400℃～550℃，更优选450℃，然后便可进行磁控溅射。通过将衬底温度设定为上述数值范围，使得所制备的导电膜的结晶质量大大提升。磁控溅射的工作气氛为氢气和惰性气体的混合气体，该惰性气体没有限制，例如氮气、氩气、氦气、氖气等，该混合气体中，氢气的体积含量为1-10％，优选含量为5％，气体流量为15～25sccm，优选
20sccm；磁控溅射的工作压强为0.2-1.5Pa；通过在磁控溅射的工作环境加入氢气，使得氢质子在溅射中进入至氧化锌的晶格中，能够填充氧化锌晶格的缺陷，使得导电膜的电阻大大降低；

[0022] 具体地，磁控溅射中在垂直于溅射粒子飞行方向施加线圈匝数为50-500N，优选100N～400N；励磁电流为0.1-5A的电磁场，优选1A～4A，该溅射粒子是指磁控溅射中，经过电子轰击后而溅射出的溅射靶材材质的微粒子。垂直于溅射粒子飞行方向是指：在所述真空溅射设备中，衬底和靶材相垂直，电磁场的磁场方向和衬底或靶材构成的面平行，或者，请参阅图1，电磁场的磁场方向垂直于纸面。

[0023] 请参阅图1，图1显示本发明实施例制备方法的磁控溅射步骤中施加的电磁场示意图，从图1中可以知道，在外加磁场的作用下，被轰击产生的溅射粒子在能量(飞行的动能)过高或者过低的情况下，都不能够飞行到衬底的位置，不能够在衬底上沉积成膜，使得溅射粒子能够按设定的方向沉积，也就是说，能够在衬底上沉积的溅射粒子所带有的能量是相对一致的，实现了衬底上结晶质量的显著提升；请参阅图2，图2显示本发明实施例磁控溅射中含有外加磁场和对比例不含有外加磁场所制备的导电膜的XRD对比图，由(002)衍射峰的强度增加，半高宽变窄可知，外加磁场后导电膜的结晶质量明显提高。计算可得薄膜的晶粒尺寸由50nm，增加到500nm，效果较好的是导电膜的晶粒尺寸为200nm～500nm。通过在磁控溅射步骤中使用外加磁场，使得导电膜的结晶度显著提升，实现了导电膜的电阻率大大降低；请参阅图3，图3显示本发明实施例制备的导电膜和对比例制备的导电膜电阻率对比图，从图3中可以看出，同等条件下，外加磁场所制备的薄膜电阻率明显下降，最-4
低为3.8×10 Ω·cm，电阻率的测试是由四探针电阻测试仪，测出薄膜的方块电阻，乘以薄膜的厚度得到的电阻率。

[0024] 本发明实施例制备方法，操作简单、成本低廉，生产效益高，适用于工业化生产。本发明实施例制备方法制备的导电膜，通过使用氩氢混合气作为工作气体、在氧化锌中掺杂三氧化二铝、二氧化硅，并且外加磁场使溅射粒子按设定的方向在垂直于靶材的衬底上沉积成膜，实现了所制备的导电膜结晶质量提高，电阻率下降，电阻率在使用中保持稳定，得-4到薄膜最低电阻率为3.8×10 Ω·cm，可达到商用的指标。

[0025] 本发明实施例进一步提供上述导电膜制备方法制备的导电膜，该导电膜的电阻率-4 -4为3.8×10 Ω·cm～10×10 Ω·cm。

[0026] 本发明实施例还提供上述导电膜制备方法制备的导电膜在太阳能器件、电致发光器件、场发射器件中的应用。

[0027] 以下结合实施例对上述制备方法进行详细阐述。

[0028] 实施例一

[0029] 本实施例导电膜制备方法，包括如下步骤：

[0030] 将粉状的Al2O3、SiO2掺杂于ZnO中，均匀混合，得到混合物，该混合物中Al2O3的质量百分含量为1.5％，SiO2的质量百分含量为1％，ZnO的质量百分含量为97.2％；

[0031] 将该混合物在1000℃条件下烧结成Φ50×2mm的陶瓷溅射靶材；

[0032] 将该溅射靶材装入溅射设备的真空腔体内，用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入溅射设备真空腔体，使衬底垂直于靶材放置，把腔体-4抽至6.0×10 Pa的真空度，靶材和衬底的距离设定为60mm，再向腔体通入含氢气5％的氩氢混合气体作为工作气体，工作压强为1.0Pa，气体流量20sccm，同时施加磁场电圈，线圈-4
匝数为300N，励磁电流为3.5A，开始薄膜的沉积，得到薄膜的电阻率为3.8×10 Ω·cm。

[0033] 实施例二

[0034] 本实施例导电膜制备方法，包括如下步骤：

[0035] 将粉状的Al2O3、SiO2掺杂于ZnO中，均匀混合，得到混合物，该混合物中Al2O3的质量百分含量为0.5％，SiO2的质量百分含量为1.5％，ZnO的质量百分含量为98.5％；

[0036] 将该混合物在900℃条件下烧结成Φ50×2mm的陶瓷溅射靶材；

[0037] 将该溅射靶材装入溅射设备的真空腔体内，用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入溅射设备真空腔体，使衬底垂直于靶材放置，把腔体-3抽至1.0×10 Pa的真空度，靶材和衬底的距离设定为50mm，再向腔体通入含氢气4％的氩氢混合气体作为工作气体，工作压强为0.2Pa，气体流量15sccm，同时施加磁场电圈，线圈-4
匝数为500N，励磁电流为2.5A，开始薄膜的沉积，得到薄膜的电阻率为8.8×10 Ω·cm。

[0038] 实施例三

[0039] 本实施例导电膜制备方法，包括如下步骤：

[0040] 将粉状的Al2O3、SiO2掺杂于ZnO中，均匀混合，得到混合物，该混合物中Al2O3的质量百分含量为3％，SiO2的质量百分含量为0.5％，ZnO的质量百分含量为96.5％；

[0041] 将该混合物在1300℃条件下烧结成Φ50×2mm的陶瓷溅射靶材；

[0042] 将该溅射靶材装入溅射设备的真空腔体内，用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入溅射设备真空腔体，使衬底垂直于靶材放置，把腔体-3抽至1.0×10 Pa的真空度，靶材和衬底的距离设定为80mm，再向腔体通入含氢气1％的氩氢混合气体作为工作气体，工作压强为0.2Pa，气体流量20sccm，同时施加磁场电圈，线圈-4
匝数为200N，励磁电流为1.5A，开始薄膜的沉积，得到薄膜的电阻率为9.6×10 Ω·cm。

[0043] 实施例四

[0044] 本实施例导电膜制备方法，包括如下步骤：

[0045] 将粉状的Al2O3、SiO2掺杂于ZnO中，均匀混合，得到混合物，该混合物中Al2O3的质量百分含量为2.5％，SiO2的质量百分含量为1.5％，ZnO的质量百分含量为97％；

[0046] 将该混合物在1200℃条件下烧结成Φ50×2mm的陶瓷溅射靶材；

[0047] 将该溅射靶材装入溅射设备的真空腔体内，用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入溅射设备真空腔体，使衬底垂直于靶材放置，把腔体-5抽至1.0×10 Pa的真空度，靶材和衬底的距离设定为90mm，再向腔体通入含氢气8％的氩氢混合气体作为工作气体，工作压强为0.8Pa，气体流量25sccm，同时施加磁场电圈，线圈-4
匝数为400N，励磁电流为4A，开始薄膜的沉积，得到薄膜的电阻率为10×10 Ω·cm。

[0048] 实施例五

[0049] 本实施例导电膜制备方法，包括如下步骤：

[0050] 将粉状的Al2O3、SiO2掺杂于ZnO中，均匀混合，得到混合物，该混合物中Al2O3的质量百分含量为1％，SiO2的质量百分含量为1％，ZnO的质量百分含量为98％；

[0051] 将该混合物在1100℃条件下烧结成Φ50×2mm的陶瓷溅射靶材；

[0052] 将该溅射靶材装入溅射设备的真空腔体内，用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入溅射设备真空腔体，使衬底垂直于靶材放置，把腔体-4抽至8.0×10 Pa的真空度，靶材和衬底的距离设定为65mm，再向腔体通入含氢气10％的氩氢混合气体作为工作气体，工作压强为1.5Pa，气体流量18sccm，同时施加磁场电圈，线圈-4
匝数为500N，励磁电流为4.5A，开始薄膜的沉积，得到薄膜的电阻率为4.8×10 Ω·cm。

[0053] 对比例一

[0054] 本对比例导电膜制备方法参照实施例一，其中，没有励磁磁场。得到的导电膜的电-4阻率为12×10 Ω·cm。

[0055] 对比例二

[0056] 本对比例导电膜制备方法参照实施例二，其中，没有励磁磁场。得到的导电膜的电-4阻率为39×10 Ω·cm。

[0057] 对比例三

[0058] 本对比例导电膜制备方法参照实施例三，其中，没有励磁磁场。得到的导电膜的电-4阻率为103×10 Ω·cm。

[0059] 对比例四

[0060] 本对比例导电膜制备方法参照实施例四，其中，没有励磁磁场。得到的导电膜的电-4阻率为300×10 Ω·cm。

[0061] 对比例五

[0062] 本对比例导电膜制备方法参照实施例五，其中，没有励磁磁场。得到的导电膜的电-4阻率为77×10 Ω·cm。

[0063] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。