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中国 发明 无效

一种运用磁控溅射法制备透明导电薄膜的方法 【EN】Method applying magnetron sputtering method to preparation of transparent conductive film

申请(专利)号:CN201210199801.6国省代码:上海 31
申请(专利权)人:【中文】上海交通大学 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司【EN】Shanghai Jiao Tong University;Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co., Ltd.
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摘要:
【中文】本发明公开一种运用磁控溅射法制备透明导电薄膜的方法,该方法利用磁控溅射方法,室温下在清洗干净的基片上依次沉积Zn1-xCuxO膜、Cu膜、Zn1-xCuxO膜,得到Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO透明导电薄膜;通过改变溅射功率和溅射时间改变Zn1-xCuxO膜和Cu膜的厚度,最终可得到电阻率小于10-3Ω·cm,透光率大于80%的透明导电薄膜,可用于太阳能电池、平板显示器等领域。由于磁控溅射法具有设备简单、价格便宜、成膜均匀、可用于大面积制膜等优点,该制备方法可在工业化生产中的得到广泛应用。 【EN】Paragraph:The invention discloses a method applying a magnetron sputtering method to preparation of a transparent conductive film. The method includes: sequentially depositing a Zn1-xCuxO film, a Cu film and a Zn1-xCuxO film on a cleaned substrate at the room temperature by the aid of the magnetron sputtering method so that the Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO transparent conductive film is obtained; and changing the thickness of the Zn1-xCuxO film and the Cu film by changing sputtering power and sputtering time so that the transparent conductive film with the resistivity smaller than 10<-3>ohm cm and with light transmittance larger than 80% is obtained and can be used for the fields of solar cells, flat-panel displays and the like. The preparation method can be widely applied to industrial production as the magnetron sputtering method has the advantages of simple equipment, cheapness, uniformity in film formation, capability of being used for large-area film preparation and the like.Image:201210199801.GIF

主权项:
【中文】一种利用磁控溅射法制备Zn1‑xCuxO/Cu/Zn1‑xCuxO透明导电薄膜的方法,其特征在于:将清洗干净的基片置于磁控溅射腔内,利用磁控溅射方法在纯氩气气氛下依次溅射Zn1‑xCuxO膜、Cu膜、Zn1‑xCuxO膜,得到电阻率小于10‑3Ω·cm,透光率大于80%的Zn1‑xCuxO/Cu/Zn1‑xCuxO透明导电薄膜。 【EN】1. one kind is utilized magnetron sputtering method to prepare Zn Cu O/Cu/Zn Cu The method of O transparent conductive film is characterized in that: the substrate that cleans up is placed in the magnetron sputtering chamber, utilize magnetically controlled sputter method sputter Zn successively under pure argon atmosphere Cu O film, Cu film, Zn Cu The O film obtains resistivity less than 10 Ω cm, transmittance is greater than 80% Zn Cu O/Cu/Zn Cu The O transparent conductive film.


说明书

一种运用磁控溅射法制备透明导电薄膜的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料领域的透明导电薄膜的制备方法,具体是用磁控溅射


法制备Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO透明导电薄膜。


背景技术

作为光电子科技领域的主要光学材料之一,透明导电薄膜(TCO)已经广泛


应用于太阳能电池透明电极、液晶显示器、气敏元件、抗静电涂层、飞机和汽车


风挡防霜雾玻璃、建筑用节能玻璃窗和电致变色器件等领域。实际应用中要求透


明导电薄膜具有好的可见光透过率(>80%)和低的电阻率(<10-3Ω·cm),目前


应用最广泛的是掺Sn的In2O3(ITO)透明导电薄膜,但铟稀缺导致ITO薄膜较


为昂贵,因此限制了其应用。掺杂ZnO具有好的透光率和电导率,尤其以Al掺


杂ZnO(AZO)的研究和应用最为广泛,但在实际应用中仍存在电阻率较高或


者化学不稳定等问题。


Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO薄膜具有如下优点:(1)原料来源广泛,价格便宜;


(2)对环境无毒害;(3)抗辐射能力强;(4)三层结构的薄膜制备简单,膜系


便于设计;(5)Cu的厚度可精确控制,从而方便调控薄膜的光电性能;(6)成


膜方法简单。所以Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO薄膜作为透明导电薄膜具有很好的应


用前景。


根据对现有技术的检索发现,中国专利201110239699.3(申请号)用原子层


沉积和磁控溅射的方法制备了Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO透明导电薄膜,但原子层


沉积设备比较昂贵,不利于工业化的生产。而磁控溅射法具有设备简单、价格便


宜、成膜均匀、可用于大面积制膜等优点,目前在生产中已经得到了广泛的应用。


发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磁控溅射制备Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO


透明导电薄膜的方法,克服现有技术存在的不足,获得具有高透过率和低电阻率


的透明导电薄膜。


为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:


将清洗干净的基片置于磁控溅射腔内,利用磁控溅射方法在纯氩气气氛下依


次溅射Zn1-xCuxO膜、Cu膜、Zn1-xCuxO膜,得到电阻率小于10-3Ω·cm,透光率


大于80%的Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO透明导电薄膜。


进一步的,上述制备方法按以下步骤进行:


(1)基片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗,之后用99.99%的氮气


吹干;


(2)用含Cu量为0.5%~2.5%(质量百分含量)的ZnCuO陶瓷靶作为Zn1-xCuxO


薄膜沉积的溅射靶;


(3)用99.99%的高纯Cu靶作为Cu薄膜沉积的溅射靶;


(4)对磁控溅射腔抽真空;


(5)保持基片温度为室温,调节基片与靶材的距离;


(6)ZnCuO靶采用射频溅射;


(7)Zn1-xCuxO膜和Cu膜均在纯氩气气氛中制得。


所述Zn1-xCuxO膜的厚度为40~70nm,所述Cu膜厚度为8~30nm。


所述基片选用玻璃片。


所述(1)中,超声清洗时间为10min。


所述(4)中,对磁控溅射腔抽真空,使其真空度小于1.0×10-4Pa,用以保


证Zn1-xCuxO膜中氧空位的含量。


所述(5)中,调节基片与靶材的距离为10~20cm,防止由于基片与靶材距


离太近引起的自溅射,同时又不能太远,从而保证成膜质量。


所述(6)中,ZnCuO靶采用射频溅射,其中溅射功率为30W,溅射时间为


30~60min;Cu靶采用直流溅射,溅射功率为80W,溅射时间为10~90s。


所述(7)中,纯氩气的纯度为99.99%以上,气体压强为0.8~1.6Pa。


本发明的工作原理为:ZnO为宽禁带半导体,具有良好的光电性能,在可见


光区域内透明,金属Cu具有低电阻率,通过对ZnO进行掺杂并利用Cu中间层


作为导电层可有效提高膜的电导率,同时保持可见光透过率在80%以上。


与现有技术相比,本发明采用磁控溅射制备Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO透明导


电薄膜,室温下在清洗干净的玻璃片上依次沉积Zn1-xCuxO膜、Cu膜、Zn1-xCuxO


膜,通过改变溅射功率和溅射时间改变Zn1-xCuxO膜和Cu膜的厚度,最终可得


到电阻率小于10-3Ω·cm,透光率大于80%的透明导电薄膜,可用于太阳能电池、


平板显示器等领域。由于磁控溅射法具有设备简单、价格便宜、成膜均匀、可用


于大面积制膜等优点,该制备方法可在工业化生产中得到广泛应用。


附图说明

图1为本发明中Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO薄膜示意图。


图2为实施例1中Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO薄膜的透过率曲线。


具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例以本发明技术方案为前提进行


实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下


述的实施例。


实施例1:


采用玻璃片作为基片,将玻璃片用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗


10min,然后用99.99%的纯氮气吹干,放入磁控溅射室内。在成膜气体为纯氩气


的情况下,保持基片温度为室温,依次进行Zn1-xCuxO、Cu、Zn1-xCuxO膜的溅


射,即ZnCuO靶采用射频溅射,溅射功率为30W,溅射时间为40min,制成厚


度约为45nm的Zn1-xCuxO薄膜;Cu靶采用直流溅射,溅射功率为80W,溅射


时间为25s,制成厚度约为10nm的Cu中间层,薄膜的总厚度约为100nm,其


中薄膜的厚度由椭偏仪测得。之后利用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率,利用


紫外分光光度计测出薄膜的透光率。如图2所示,为实施例1中


Zn1-xCuxO/Cu/Zn1-xCuxO薄膜的透过率曲线。


实施例2:


将玻璃片用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min,然后用99.99%的


纯氮气吹干,放入磁控溅射室内。在成膜气体为纯氩气的情况下,保持基片温度


为室温,依次进行Zn1-xCuxO、Cu、Zn1-xCuxO膜的溅射,即ZnCuO靶采用射频


溅射,溅射功率为30W,溅射时间为40min,制成厚度约为45nm的Zn1-xCuxO


薄膜;Cu靶采用直流溅射,溅射功率为80W,溅射时间为35s,制成厚度约为


14nm的Cu中间层,薄膜的总厚度约为102nm,其中薄膜的厚度由椭偏仪测得。


之后利用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率,利用紫外分光光度计测出薄膜的透


光率。


实施例3:


将玻璃片用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min,然后用99.99%的


纯氮气吹干,放入磁控溅射室内。在成膜气体为纯氩气的情况下,保持基片温度


为室温,依次进行Zn1-xCuxO、Cu、Zn1-xCuxO膜的溅射,即ZnCuO靶采用射频


溅射,溅射功率为30W,溅射时间为60min,制成厚度约为65nm的Zn1-xCuxO


薄膜;Cu靶采用直流溅射,溅射功率为80W,溅射时间为25s,制成厚度约为


10nm的Cu中间层,薄膜的总厚度约为140nm,其中薄膜的厚度由椭偏仪测得。


之后利用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率,利用紫外分光光度计测出薄膜的透


光率。


实施例4:


将玻璃片用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min,然后用99.99%的


纯氮气吹干,放入磁控溅射室内。在成膜气体为纯氩气的情况下,保持基片温度


为室温,依次进行Zn1-xCuxO、Cu、Zn1-xCuxO膜的溅射,即ZnCuO靶采用射频


溅射,溅射功率为30W,溅射时间为60min,制成厚度约为65nm的Zn1-xCuxO


薄膜;Cu靶采用直流溅射,溅射功率为80W,溅射时间为40s,制成厚度约为


16nm的Cu中间层,薄膜的总厚度约为146nm,其中薄膜的厚度由椭偏仪测得。


之后利用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率,利用紫外分光光度计测出薄膜的透


光率。


实施例5:


将玻璃片用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min,然后用99.99%的


纯氮气吹干,放入磁控溅射室内。在成膜气体Ar/N2为2:1的情况下,保持基片


温度为室温,依次进行Zn1-xCuxO、Cu、Zn1-xCuxO膜的溅射,即ZnCuO靶采用


射频溅射,溅射功率为30W,溅射时间为40min,制成厚度约为45nm的Zn1-xCuxO


薄膜;Cu靶采用直流溅射,溅射功率为80W,溅射时间为30s,制成厚度约为


12nm的Cu中间层,薄膜的总厚度约为102nm。之后利用范德堡四电极法测出


薄膜的电阻率,利用紫外分光光度计测出薄膜的透光率。


实施例6:


将玻璃片用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min,然后用99.99%的


纯氮气吹干,放入磁控溅射室内。在成膜气体为纯氩气的情况下,保持基片温度


为室温,依次进行Zn1-xCuxO、Cu、Zn1-xCuxO膜的溅射,即ZnCuO靶采用射频


溅射,溅射功率为80W,溅射时间为50min,制成厚度约为60nm的Zn1-xCuxO


薄膜;Cu靶采用直流溅射,溅射功率为80W,溅射时间为40s,制成厚度约为


16nm的Cu中间层,薄膜的总厚度约为136nm,其中薄膜的厚度由椭偏仪测得。


之后利用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率,利用紫外分光光度计测出薄膜的透


光率。


以上各实施例得到的薄膜结构如图1所示,基片1上依次沉积一定厚度的


Zn1-xCuxO膜2、Cu膜3和Zn1-xCuxO膜4,所得薄膜的光学和电学性能如下表1


所示。


表1各实施例中薄膜的光学和电学性能


  实施例编号


  1


  2


  3


  4


  5


  6


 电阻率/×10-4Ω·cm


  2.3


  0.95


  4.5


  1.9


  1.2


  2.9


  平均透过率/%


  85


  80


  85


  84


  83


  87


...

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图1
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