文档介绍：中国科学技术大学
硕士学位论文
ZnO:Al透明导电薄膜的自由基辅助磁控溅射制备工艺及性能表
征
姓名:甘柳忠
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:王海千
20090501
摘要
摘要
透明导电 ZnO:Al (AZO)薄膜因其优异的电学和光学性能而被应用于太阳能
电池和平板显示等领域。AZO 透明导电薄膜因其原材料丰富且无毒性,是取代
ITO 成为下一代透明导电材料的有力竞争者。自由基辅助溅射镀膜机(Radical
Assisted Sputtering Coater,简称 RAS)是一种新型的镀膜机,它在高沉积速率、
低成本、工业化生产方面具有突出的优势。因此,研究利用 RAS 制备透明导电
AZO 膜的工艺参数,具有重要的工业应用意义。本论文研究了溅射靶材、氧分
压、Al 含量、溅射功率以及退火条件等工艺参数对 AZO 薄膜的结构与性能的影
响,研究了利用自由基辅助磁控溅射法制备透明导电 AZO 薄膜的工艺,并对获
得的 AZO 薄膜进行了表征。
本论文内容分为五章,具体如下:
第一章介绍了透明导电薄膜的分类及其研究历史,介绍了 ZnO:Al 薄膜的
常用制备方法以及利用自由基辅助溅射法制备 AZO 薄膜的优势。此外,还介绍
了在磁控溅射镀膜过程中影响工艺稳定性的各种因素。
第二章介绍了自由基辅助磁控溅射的基本原理、镀膜设备的主要参数、样
品的制备以及样品的各种表征手段,包括 XRD、SEM、XRF、UV-Vis-IR、XPS、
Van der Pauw 法等方法。
第三章研究了在利用 RAS 制备 AZO 薄膜的过程中,Zn 靶、Al 靶的放电
电压随着氧化区氧流速的变化特征,研究了样品鼓的转速对放电电压稳定性的影
响。
第四章研究了利用 Zn 靶、Al 靶共溅射的方法制备透明导电 AZO 薄膜的
工艺。研究了 Al 含量、氧分压(改变氧化区氩流速和氧流速)以及不同气氛中退
火处理对 AZO 薄膜的电学和光学性能的影响。
第五章初步探讨了利用合金靶制备 AZO 薄膜的工艺。分析了实验中遇到
的一些问题,如 AZO 薄膜性能对氧流速的依赖过于敏感等问题,为下一步开发
更加适合于产业化生产的利用磁控溅射制备 AZO 薄膜的工艺提供了依据。
通过本论文的研究工作,我们主要得出以下一些结论:
I
摘要
(1) 金属 Zn 溅射靶材表面氧化状态的改变是引起溅射工艺不稳定的主要原因。
样品鼓转速的变化可以改变真空室内的氧气分布,引起靶材表面状态的改
变,从而导致放电电压的变化。
(2) AZO 薄膜的透过率与薄膜的氧化程度密切相关,而 Al 的有效掺杂是决定
AZO 薄膜导电性的重要影响因素;AZO 薄膜载流子迁移率的大小取决于薄
膜的中性杂质浓度的大小。
(3) 利用磁控溅射获得的 AZO 薄膜,在氢气气氛中经 550 oC 退火处理后,样品
的电阻率达到 ×10-4 Ω•cm, 550nm 波长的透射率达到 %,达到了可实
用的技术指标。
关键词:透明导电薄膜、ZnO:Al、AZO、载流子浓度、迁移率、中性杂质散射、
掺杂效率、退火处理
II
Abstract
Abstract
Transparent conductive ZnO:Al (AZO) film was used in the fields of solar cells
and flat panel display, because of its excellent electrical and optical properties. AZO
film, with the advantages of cheap and abundant raw materials, and non-toxic, is
considered to be the best candidates for substituting ITO films. Radical assisted
ron sputtering coater (RAS for short) is a new type of coater. A RAS has the
advantages of high deposition rate, low cost and mass production ability. Therefore,
studies on the fabrication processes of AZO films are v