磁控溅射掺铝氧化锌薄膜制备及其光电性能分析

杨珮艺，王永顺，吴 蓉

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，兰州 730070)

随着超薄液晶显示器的普及，透光导电薄膜锡掺杂氧化铟(ITO)的应用日益广泛[1-2]，但价格昂贵，有毒且污染环境[3-4].而作为“非铟”材料的掺铝氧化锌ZnO∶Al(简称AZO)中的Zn来源丰富、无毒环保、性能稳定，备受研究者关注[5-6].但是，AZO纳米材料在微纳米器件的制备工艺上仍然存在一系列难题没有攻克，例如实现半导体的P型材料掺杂，接触电极的制备[7]等.由于在不同生长环境下获得的AZO纳米棒结构和形貌存在着较大的差异，而这些差异对于AZO纳米材料的光电性能都有着重要影响[8].国内外的一些科研机构目前已经利用水热法制备得出了AZO纳米棒状材料，并对其一些基本结构特性进行了深入研究，但在如何提高ZnO晶体质量、光电性能，以及取向性良好的纳米棒阵列等方面的研究仍未得到根本性的进展，仍有待做进一步深入研究[9-10].目前工业上进行ZnO纳米材料的制备工艺有多种，如激光分子束外延法[11]、磁控溅射法[12]、MOCVD[13]、气相传输法[14]、水热法[15]、模板法[16]，其中磁控溅射法相比较于其他工艺具有工艺步骤简单，仪器设备成本低，生长条件不严苛，适用于大批量生产制造的优点.本文研究AZO薄膜制备工艺的改进，并对影响薄膜厚度及结构的关键技术进行对比分析，得到了优化的薄膜制备工艺与参数.

1 AZO薄膜磁控溅射制备过程

当高速离子轰击AZO靶材时，其表面会溅射出各种粒子[17]，通过动量传递使中性靶原子具有足够动能[18]，逸出AZO靶材表面，并飞向基底白玻[19-20]，不同程度的溅射效果，沉积凝聚成不同的AZO薄膜[21-23].溅射装置如图1所示，溅射基底采用白玻，1.5×10-3Pa的溅射气压，溅射气体为Ar气.

制备射频镀膜的过程如下：

1) 先对腔体充气，打开腔体门后，装入清洗好的基底白玻片，并用耐高温胶带进行固定.

2) 打开高真空计等待抽低真空，并等到达高阀时，机器会发出警报，打开“高阀”和两个“节流阀”的按钮开始进行抽取低真空.

3) 气压2×10-3Pa时开始镀膜.预热射频仪器，并调节通入的Ar气流量为500 sccm.

4) 调节射频功率直至起辉，使其反射功率处于最小的状态.调节氩气流量来控制腔体内的气压，并保证气压处于稳定状态.

5) 调节射频功率至所需的数值，预溅射5 min.

6) 预溅射结束之后，使腔体开始旋转，并将调节电压设定为75 V，开始镀膜，镀膜过程中设定镀膜时间来调整膜厚.

2 溅射对AZO薄膜结构特性的影响分析

为了进一步研究AZO薄膜的电学与光学性能，本文采用XRD和SEM谱图表征薄膜的厚度结构和表面形貌[24-26].

2.1 溅射功率对AZO薄膜XRD谱图的影响

在其他工艺参数设置不变的前提下，改变溅射功率值，测试各样本的XRD图谱，得到了具有不同形貌特性、不同透过率的薄膜结构，如图2和图3所示.

溅射功率：800 W、1 000 W、1 200 W、1 400 W；溅射气压：0.052 Pa；溅射时间：27 min 、22 min、17 min、13 min；薄膜厚度：240～250 nm.

当波长为550 nm时，透过率最高，约为89%.各薄膜都具有明显的取向，随着溅射功率从800 W上升至1 000 W时，衍射峰的强度逐渐增强.当功率继续上升至1200～1400 W时，衍射峰明显减弱，这可能是由于过高功率下溅射出的离子具有很高的能量，沉积时破坏了已生长的薄膜.

2.2 溅射功率对AZO薄膜SEM谱图的影响

在轰击薄膜过程中，SEM扫描电子显微镜运用粒子间反应的不同机理，得出不同结果并显示出来，使得薄膜检测得以实现.通过改变不同功率来制备AZO透明导电薄膜，测量所得的SEM形貌如图4所示.

改变溅射功率至1 000 W，制作出相应的薄膜后，进行SEM测量，得到图4(a)图谱，晶粒大、均匀，薄膜迁移率大、导电性好.调节溅射功率至1 200 W时，制作出相应的薄膜，并同样进行SEM测量.由图4(b)可知，薄膜晶粒结合的更致密，但是晶粒却在变小，晶粒之间的细缝也相对变小许多，使得电子的迁移率减小，电阻率上升.

3 溅射气压和时间对AZO薄膜XRD谱图的影响

3.1 溅射气压对AZO薄膜XRD谱图的影响

在溅射功率恒定为1 000 W时，改变溅射气压值，测试各样本的XRD图谱，得到了具有不同形貌特性、不同透过率的薄膜结构，如图5和图6所示.

溅射功率：1 000 W；溅射气压：0.022 Pa、0.052 Pa、0.1 Pa、0.2 Pa；溅射时间：20 min；薄膜厚度：200～220 nm.

从图5可以看出，衍射峰主要为ZnO的002取向.当气压超过0.2 Pa时，衍射峰强度开始降低.由于溅射出的AZO粒子数量很少，使得薄膜结构并不是很理想，而当溅射气压较高时，导致粒子碰撞机会增大，能量损失较多，结晶程度较高.实验过程中改变溅射气压时，薄膜光透过率在可见光范围内一直高于80%.

3.2 溅射时间对AZO薄膜XRD谱图的影响

溅射功率和气压恒定，改变溅射时间，测试各样本的XRD图谱，得到了具有不同形貌特性、不同透过率的薄膜结构，如图7和图8所示.

射频功率：1 000 W；溅射气压：0.052 Pa；溅射时间：8.5 min、15 min、22 min、33.5 min、65 min、87 min；薄膜厚度：95 nm、175 nm、255 nm、415 nm、850 nm、1 125 nm.

如图8所示，不同的溅射时间对AZO薄膜有着比较显著的影响.溅射时间越长，薄膜越厚，衍射强度越强，但是其光透过率却从84.5%下降至74.5%左右.当实验温度约为34 ℃时，衍射峰开始变得尖锐，薄膜的晶粒逐渐增大，晶粒化程度提高.

4 结论

不同溅射功率条件下的SEM形貌图表明，溅射功率越低，薄膜晶粒越大.增加溅射功率可提高总体光透过率，最佳溅射功率为1 000 W.最佳溅射气压为0.052 Pa时，离子能量最高.实验温度约为34 ℃时，溅射时间为87 min时，薄膜最厚为1 125 nm，薄膜的晶粒化程度最高.溅射功率和气压对于AZO薄膜的光透过率影响不明显.未来，AZO薄膜将以其价格、工艺、和性能等优势，占据巨大的市场份额.