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中国 发明 无效

一种ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜的制备方法 【EN】A kind of preparation method of ZnO/BS/Cu/ZnO multi-layer-structure transparent conductive films

申请(专利)号:CN201810264966.4国省代码:天津 12
申请(专利权)人:【中文】天津大学【EN】Tianjin University
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摘要:
【中文】本发明公开了一种ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜的制备方法,先将ZnO、BS即BaSnO3和Cu靶材与清洁的衬底装入磁控溅射腔体内;再将系统的本底真空度抽至3.0×10‑3Pa以下,使用Ar和O2混合气体作为溅射气体溅射ZnO薄膜层,氧氩体积比为1~2:3~50,溅射总气压0.3~15Pa,溅射功率30~300W,沉积得到10~200nm厚ZnO薄膜层;再用纯氩气作为溅射气体溅射Cu薄膜层,沉积得到3~20nm厚Cu薄膜层;再使用纯氩气作为溅射气体溅射BS薄膜层,沉积得到10~30nm厚BS薄膜层;再使用Ar和O2混合气体作为溅射气体溅射ZnO薄膜层,沉积得到10~200nm厚ZnO薄膜层,制得ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜。本发明在可见光范围内平均透过率≥80%,方块电阻≤10Ω·cm,性能优良,成本低廉,适合工业化生产。 【EN】Paragraph:The invention discloses a kind of preparation methods of ZnO/BS/Cu/ZnO multi-layer-structure transparent conductive films, first by ZnO, BS, that is, BaSnOImage:201810264966.GIF

主权项:
【中文】1.一种ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜的制备方法,具有如下步骤:(1)将ZnO靶材、BS即BaSnO3靶材和Cu靶材装入磁控溅射腔体内;先后用无水乙醇和去离子水超声清洗衬底30分钟,并用氮气吹干,放入磁控溅射腔体中;所述衬底为石英、玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸或者聚萘二甲酸乙二醇酯的透明衬底;靶材与衬底的距离为40~90mm;(2)步骤(1)完成后,将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10‑3Pa以下,使用Ar和O2混合气体作为溅射气体溅射ZnO薄膜层,氧气与氩气体积比为1~2:3~50,溅射总气压0.3~15Pa,溅射功率为30~300W,进行沉积得到ZnO薄膜层,该薄膜层厚度为10~200nm;(3)步骤(2)完成后,将系统内抽至3.0×10‑3Pa以下,使用纯氩气作为溅射气体开始溅射Cu薄膜层,溅射总气压为0.3~15Pa,溅射功率20~200W,沉积得到Cu薄膜层,该薄膜层厚度为3~20nm;(4)步骤(3)完成后,将系统内抽至3.0×10‑3Pa以下,使用纯氩气作为溅射气体开始溅射BS薄膜层,溅射总气压为0.3~15Pa,溅射功率30~200W,沉积得到BS薄膜层,该薄膜层厚度为10~30nm;(5)重复步骤(2),将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10‑3Pa以下,使用Ar和O2混合气体作为溅射气体溅射ZnO薄膜层,氧气与氩气体积比为1~2:3~50,溅射总气压0.3~15Pa,溅射功率为30~300W,进行沉积得到ZnO薄膜层,该薄膜层厚度为10~200nm,制得ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜。 【EN】1. a kind of preparation method of ZnO/BS/Cu/ZnO multi-layer-structure transparent conductive films has following steps: (1) by ZnO target material, BS, that is, BaSnOTarget and Cu targets are packed into magnetron sputtering cavity; Priority absolute ethyl alcohol and deionized water are cleaned by ultrasonic substrate 30 minutes, are used in combination nitrogen to dry up, are put into magnetron sputtering cavity In;The substrate is the transparent substrates of quartz, glass, makrolon, poly terephthalic acid or polyethylene naphthalate; Target is 40~90mm at a distance from substrate; (2) after the completion of step (1), the background vacuum of magnetic control sputtering system is evacuated to 3.0 × 10Pa is hereinafter, use Ar and O Mixed gas is 1~2 with argon gas volume ratio as sputter gas ZnO Thin Films Sputtered layer, oxygen:3~50, sputter total gas pressure 0.3 ~15Pa, sputtering power are 30~300W, are deposited to obtain ZnO film layer, which is 10~200nm; (3) after the completion of step (2), 3.0 × 10 will be evacuated in systemPa using pure argon as sputter gas hereinafter, start to splash Cu film layers are penetrated, sputtering total gas pressure is 0.3~15Pa, 20~200W of sputtering power, and deposition obtains Cu film layers, the film thickness Degree is 3~20nm; (4) after the completion of step (3), 3.0 × 10 will be evacuated in systemPa using pure argon as sputter gas hereinafter, start to splash BS film layers are penetrated, sputtering total gas pressure is 0.3~15Pa, 30~200W of sputtering power, and deposition obtains BS film layers, the film thickness Degree is 10~30nm; (5) step (2) is repeated, the background vacuum of magnetic control sputtering system is evacuated to 3.0 × 10Pa is hereinafter, use Ar and OIt is mixed Gas is closed as sputter gas ZnO Thin Films Sputtered layer, oxygen is 1~2 with argon gas volume ratio:3~50, sputtering total gas pressure 0.3~ 15Pa, sputtering power are 30~300W, are deposited to obtain ZnO film layer, which is 10~200nm, is made ZnO/BS/Cu/ZnO multi-layer-structure transparent conductive films.


说明书

一种ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物,特别涉及一种ZnO/BS/Cu/ZnO多层

结构透明导电薄膜及其制备方法。

背景技术

透明导电薄膜作为透明电极被广泛应用在诸多光电器件中。其中,ZnO/Cu/ZnO多

层结构的透明导电薄膜由于具有优异的电学性质和低廉制备成本受到了研究者们的广泛

关注。但是这类透明导电薄膜的光学透过率较低,都在80%,难以满足应有需求。众所周知,

ZnO薄膜必须沉积在有氧气氛中才能具备高的光学透过率,但是,当ZnO/Cu/ZnO多层结构的

透明导电薄膜在有氧气氛下制备,中间的Cu层又会被氧化成氧化铜,从而失去导电性能,且

黑色的氧化铜还会导致光学透过率下降。由此可见,制备具有兼具高透过率和低电阻率的

ZnO/Cu/ZnO多层结构的透明导电薄膜是一个难题。

BaSnO3(BS)是一种宽带隙半导体材料,其结晶温度在700℃以上。在室温下且无氧

条件下制备的BS薄膜都是具有非晶状态的,但是这种非晶状态的薄膜具有低的光学折射率

(~1.4)和高的光学透过率。因此,本发生设计出了ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜,

在ZnO制备过程中,通过BS层阻止Cu与氧的接触,从而获得具有兼具高透过率和低电阻率的

ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构的透明导电薄膜。

发明内容

本发明的目的,在于解决现有技术ZnO/Cu/ZnO多层结构的透明导电薄膜兼具高透

过率和低电阻率的难题。利用磁控溅射沉积技术,提供一种成本低廉而性能优良的ZnO/BS/

Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜的制备方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜的制备方法,具有如下步骤:

(1)将ZnO靶材、BS即BaSnO3靶材和Cu靶材装入磁控溅射腔体内;

先后用无水乙醇和去离子水超声清洗衬底30分钟,并用氮气吹干,放入磁控溅射

腔体中;所述衬底为石英、玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸或者聚萘二甲酸乙二醇酯的透明

衬底;

靶材与衬底的距离为40~90mm;

(2)步骤(1)完成后,将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10-3Pa以下,使用Ar

和O2混合气体作为溅射气体溅射ZnO薄膜层,氧气与氩气体积比为1~2:3~50,溅射总气压

0.3~15Pa,溅射功率为30~300W,进行沉积得到ZnO薄膜层,该薄膜层厚度为10~200nm;

(3)步骤(2)完成后,将系统内抽至3.0×10-3Pa以下,使用纯氩气作为溅射气体开

始溅射Cu薄膜层,溅射总气压为0.3~15Pa,溅射功率20~200W,沉积得到Cu薄膜层,该薄膜

层厚度为3~20nm;

(4)步骤(3)完成后,将系统内抽至3.0×10-3Pa以下,使用纯氩气作为溅射气体开

始溅射BS薄膜层,溅射总气压为0.3~15Pa,溅射功率30~200W,沉积得到BS薄膜层,该薄膜

层厚度为10~30nm;

(5)重复步骤(2),将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10-3Pa以下,使用Ar和

O2混合气体作为溅射气体溅射ZnO薄膜层,氧气与氩气体积比为1~2:3~50,溅射总气压

0.3~15Pa,溅射功率为30~300W,进行沉积得到ZnO薄膜层,该薄膜层厚度为10~200nm,制

得ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜。

所述步骤(1)的ZnO靶材、BS靶材和Cu靶材为任意市售或者自制靶材;ZnO靶材和BS

靶材的纯度为98%以上,Cu靶材中Cu的纯度为99%以上;ZnO为无掺杂或者掺杂有Al、Ga、

In、Nb、W或Mg杂质离子的ZnO。

所述步骤(1)的氮气纯度为99.99%。

所述步骤(2)的Ar和O2的纯度均在99.99%以上。

所述步骤(2)的ZnO薄膜层厚度为20~60nm。

所述步骤(3)的Cu薄膜层厚度为7nm~13nm。

所述步骤(4)的BS薄膜层厚度为10~20nm。

所述步骤(5)的ZnO薄膜层厚度为20~60nm。

上述各薄膜层的厚度通过调节工艺参数或者沉积时间来控制。

本发明利用磁控溅射技术制备的ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜,在可见

光范围内(380nm-780nm)其平均透过率≥80%,方块电阻≤10Ω·cm,薄膜性能优良,成本

低廉,适合工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明,应理解,这些实施例仅用于说明本发明

而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

(1)将ZnO靶材、BS靶材和Cu靶材装入磁控溅射腔体内;ZnO靶材和BS靶材的纯度为

98%以上,Cu靶材的纯度为99%以上,ZnO为无掺杂或者有其它杂质离子掺杂的ZnO。

然后,先后用无水乙醇和去离子水超声清洗聚碳酸酯衬底30分钟,并用高纯氮气

(纯度为99.99%)吹干,放入磁控溅射腔体中。

靶材与衬底的距离为50mm。

(2)将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10-4Pa,通入高纯(99.99%)的氩气和

氧气,压强调节为1.0Pa。溅射功率为60W,氧气与氩气体积比为1:10,温度为室温,进行沉积

得到30nm厚的ZnO薄膜层。

(3)步骤(2)完成后,将系统内抽至3.0×10-4Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射Cu薄膜层,溅射压强为1.0Pa,溅射功率为30W,进行沉积得到8nm厚的Cu薄膜层。

(4)步骤(3)完成后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射BS薄膜层,溅射气压为1.0Pa,溅射功率80W,沉积得到12nm厚的BS薄膜层。

(5)步骤(4)完成后,重复步骤(2),将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10-
3Pa,,通入高纯(99.99%)的氩气和氧气,压强调节为1.0Pa。溅射功率为60W,氧气与氩气体

积比为1:10,温度为室温,进行沉积得到30nm厚的ZnO薄膜层。

图1为实施例1在聚碳酸酯衬底上ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜制品的光

学透过性能(紫外-可见光谱)图谱,可见在可见光范围内(380nm-780nm)的平均光学透过率

达82%以上。

经检测,实施例1的ZnO/BS/Cu/ZnO多层结构透明导电薄膜的方块电阻为5.7Ω/

□。

实施例2

(1)将ZnO靶材、BS靶材和Cu靶材装入磁控溅射腔体内;ZnO靶材和BS靶材的纯度为

98%以上,Cu靶材的纯度为99%以上,ZnO为无掺杂或者有其它杂质离子掺杂的ZnO。

然后,先后用无水乙醇和去离子水超声清洗聚碳酸酯衬底30分钟,并用高纯氮气

(纯度为99.99%。)吹干,放入磁控溅射腔体中。

靶材与衬底的距离为50mm。

(2)将磁控溅射系统的本底真空度抽至9.0×10-4Pa,通入高纯(99.99%)的氩气和

氧气,压强调节为10Pa。溅射功率为60W,氧气与氩气体积比为1:3,温度为室温,进行沉积得

到80nm厚的ZnO薄膜。

(3)步骤(2)结束后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射Cu薄膜层,溅射压强为3.0Pa,溅射功率为50W,进行沉积得到8nm厚的Cu薄膜层。

(4)步骤(3)完成后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射BS薄膜层,溅射气压为1.0Pa,溅射功率80W,沉积得到15nm厚的BS薄膜层。

(5)步骤(4)结束后,重复步骤(2),将磁控溅射系统的本底真空度抽至9.0×10-
4Pa,通入高纯(99.99%)的氩气和氧气,压强调节为10Pa。溅射功率为60W,氧气与氩气体积

比为1:3,温度为室温。进行沉积得到80nm厚的ZnO薄膜。

实施例2在可见光范围内(380nm-780nm)的平均光学透过率达80%,方块电阻为

4.1Ω/□。

实施例3

(1)将ZnO靶材、BS靶材和Cu靶材装入磁控溅射腔体内;ZnO靶材和BS靶材的纯度为

98%以上,Cu靶材的纯度为99%以上,ZnO为无掺杂或者有其它杂质离子掺杂的ZnO。

然后,先后用无水乙醇和去离子水超声清洗聚碳酸酯衬底30分钟,并用高纯氮气

(纯度为99.99%)吹干,放入磁控溅射腔体中。

靶材与衬底的距离为60mm。

(2)将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10-3Pa,通入高纯(99.99%)的氩气和

氧气,压强调节为10Pa,溅射功率为200W,氧气与氩气体积比为1:30,温度为室温,进行沉积

得到30nm厚的ZnO薄膜。

(3)步骤(2)结束后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射Cu薄膜层,溅射压强为3.0Pa,溅射功率为50W,进行沉积得到7nm厚的Cu薄膜层。

(4)步骤(3)完成后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射BS薄膜层,溅射气压为1.0Pa,溅射功率100W,沉积得到12nm厚的BS薄膜层。

(5)步骤5结束后,重复步骤(2),将磁控溅射系统的本底真空度抽至3.0×10-3Pa。

通入高纯(99.99%)的氩气和氧气,压强调节为10Pa,溅射功率为200W,氧气与氩气体积比

为1:30,温度为室温,进行沉积得到30nm厚的ZnO薄膜。

实施例3在可见光范围内(380nm-780nm)的平均光学透过率达81%,方块电阻为

9.7Ω/□。

实施例4

(1)将ZnO靶材、BS靶材和Cu靶材装入磁控溅射腔体内;ZnO靶材和BS靶材的纯度为

98%以上,Cu靶材的纯度为99%以上,ZnO为无掺杂或者有其它杂质离子掺杂的ZnO。

然后,先后用无水乙醇和去离子水超声清洗聚碳酸酯衬底30分钟,并用高纯氮气

(纯度为99.99%)吹干,放入磁控溅射腔体中。

靶材与衬底的距离为40mm。

(2)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-3Pa,通入高纯(99.99%)的氩气和

氧气,压强调节为0.5Pa。溅射功率为100W,氧气与氩气体积比为1:15,温度为室温。进行沉

积得到40nm厚的ZnO薄膜。

(3)步骤(2)结束后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射Cu薄膜层,溅射压强为3.0Pa,溅射功率为50W,进行沉积得到8nm厚的Cu薄膜层。

(4)步骤(3)完成后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射BS薄膜层,溅射气压为1.0Pa,溅射功率100W,沉积得到20nm厚的BS薄膜层。

(4)步骤(3)完成后,将系统内抽至3.0×10-3Pa,使用纯氩气作为溅射气体开始溅

射BS薄膜层,溅射气压为1.0Pa,溅射功率100W,沉积得到12nm厚的BS薄膜层。

(5)步骤(4)结束后,重复步骤(2),将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0×10-
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图1
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