磁控濺射低溫制備高電導高透明氫摻雜薄膜

張敏 杜鵑

摘 要：通過分析直流磁控濺射技術低溫制備高電導和高透明的氫摻雜AZO薄膜實驗，明確了濺射技術對于低溫制備AZO薄膜的重要作用。由此可以證明，引入適量氫氣，有利于提升AZO薄膜的電阻率。

關鍵詞：直流磁控濺射技術；低溫制備；高電導；高透明；氫摻雜AZO薄膜

中圖分類號：O484 文獻標志碼：A

通過實驗對比發現，摻鋁氧化鋅比錫摻雜氧化銦含有的Zn儲量更為豐富，且前者的成本也比較低，更是具有無毒的特點，處于氫等離子體與活性氫環境下，穩定性非常高。所以摻鋁氧化鋅這種透明導電薄膜材料具有非常好的發展前景。但要想制備具有良好光電性能的摻鋁氧化鋅薄膜，對于溫度的要求比較高，從而在一定程度上對低溫工藝的實際應用造成限制。為了解決這一問題，對氫摻雜AZO薄膜進行研究的過程中，始終將重點放在射頻磁控濺射方法這一方面，對以直流磁控濺射制備氫摻雜AZO薄膜的關注反而較少。所以，該文重點圍繞直流磁控濺射技術低溫制備氫摻雜AZO薄膜展開論述。

1 實驗流程

1.1 組織實驗

該次實驗主要采用AZO透明導電薄膜，實驗的重點是應用直流磁控濺射技術，準備0.7 mm厚襯底的浮法玻璃，按照丙酮、酒精、去離子水的順序超聲清洗玻璃。正式開始實驗期間，以含有2 %氧化鋁的氧化鋅陶瓷靶作為靶材。前腔室本底的真空度是2.0×10-3 Pa，濺射的氣體為高純氬氣，將該氣體的流量設置為標準狀態，氫氣流量在0 mL/mim～7.5 mL/mim變化。濺射功率是在100～250變化，濺射氣壓則是在0.5 Pa～0.7 Pa變化，襯底溫度在100℃～200 ℃。

測試AZO薄膜方塊電阻，主要是應用數字式探針測試儀，通過方塊電阻與薄膜厚度對薄膜電阻率進行精準計算。透射譜測量則是采用UV-3100雙光束分光光度計，薄膜厚度通過透射譜進行計算。

2 實驗結果

通過實驗最終明確了摻氫AZO薄膜性能的幾個影響因素，具體如下。

2.1 襯底溫度

實驗過程中，對無氫摻雜AZO薄膜沉積參數進行了優化，得出襯底最佳溫度是200 ℃。針對氫摻雜AZO薄膜，因為襯底溫度會對薄膜內氫逸出產生影響，所以在此基礎上也在實驗中明確了襯底溫度對于H摻雜AZO薄膜造成的影響。隨后繪制各個襯底溫度環境下，制備的AZO薄膜電阻率和透射譜，薄膜厚度是450 nm，氫氣流量是0.7 mL/mim。由此可以確定，如果溫度不斷增長，那么電阻率會先降低再升高。如果襯底溫度達到175 ℃，這時最低電阻率為1×10-3 Ω·cm。導致這一現象的原因是襯底溫度提升之后，襯底表面濺射粒子的遷移也會有所增多，從而有效提升了薄膜結晶度與載流子遷移率，合理降低電阻率，如果是在200 ℃環境下，電阻率提升，那么原因極有可能是高襯底溫度下氫逸出，導致氫摻雜量少。此外，如果摻氫量保持恒定，那么溫度不斷提升，透射率也不會出現明顯的變化。

2.2 氫氣流量

當氫氣流量是0.7 mL/mim，這時處于優化環境之下的AZO薄膜電阻率會達到最低，但是這與其他氫氣流量下的數值相比依然比較高。為了能夠將氫摻雜AZO薄膜電阻率再一次降低，實驗中采取了增加氫氣流量的方法。分析各個溫度下AZO薄膜電阻率受氫氣流量影響情況，發現AZO薄膜的厚度在450 nm左右。分析可知，電阻率在氫氣流量提升的影響下降低，當氫氣流量是5.5 mL/mim時，電阻率最低，隨后略微有所提升，高溫、低溫情況相似。連接氫氣電阻率之后出現下降的現象，原因可能是氫被當作間隙原子，和AZO晶粒內氧共同構成了O-H鍵，發揮淺能級施主雜質這一優勢，從而提高了載流子濃度。如果氫氣流量比較高，這時電阻會增加，氫已經無法再摻加雜質，而是作為缺陷核心將載流子遷移率。

如果氫氣流量是5.5 mL/mim，這時襯底溫度會有所提升，電阻率隨之降低，當襯底溫度達到225 ℃之后，AZO薄膜電阻率的最低值是4.4×10-4 Ω·cm。這一結論和之前所述氫氣流量0.7 mL/mim且襯底溫度為175 ℃時的電阻率最低數值存在差異。分析其原因，極有可能是氫摻雜量超過規定要求時，基于225 ℃這種高溫環境下氫逸出并沒有對載流子濃度造成顯著影響，相反襯底溫度提高，對于薄膜結晶度的提升以及缺陷減少有一定優勢，能夠顯著提升載流子遷移率。所以，在225 ℃溫度下，電阻率最低。如果氫摻雜量比較低，這時襯底溫度如果較高，那么氫逸出會使載流子濃度出現明顯下降，襯底溫度如果提高，將會導致載流子遷移率提升不能夠有效彌補氫逸出，進而使載流子濃度降低，所以，當溫度為175 ℃時，電阻率達到最低。

在各個氫氣流量下，針對制備AZO薄膜X射線的衍射圖譜進行分析，可以了解到AZO薄膜的衍射峰有且只有2個，即35 °衍射峰以及65 °衍射峰，前者衍射峰比較弱，后者衍射峰較強，證明摻氫AZO薄膜順延65 °衍射峰生長。受氫氣流量增多的影響，65 °衍射峰也會隨之加強，證明薄膜結晶度不斷提升。原因是氫能夠刻蝕AZO薄膜內弱鍵，從而加速薄膜晶化。

對于氫氣所具有的作用，通過表面形貌測試進行分析。通過分析無氫氣、有氫氣狀態下的掃描電鏡表面形貌圖，了解到一旦通入氫氣，這時薄膜的表面粗糙度便會增加。原因有2點，其一是沉積期間氫氣對薄膜表面進行刻蝕，導致表面粗糙；其二，一旦通入氫氣，薄膜結晶度會提升，這時會產生大晶粒，從而導致表面粗糙。AZO薄膜在薄膜太陽電池透明電極中應用，如果形成粗糙表面，對于陷光結構有一定優勢，并且可以提升太陽電池工作效率。

當氫氣流量是5.5 mL/mim且襯底溫度在125 ℃～225 ℃，這時進行AZO薄膜透射譜制備，可以通過計算的方式了解AZO薄膜可見光區的平均透射率，最后得出的結論均超過85 %，透光性非常好。此外，實驗可知氫氣流量在5.5 mL/mim時，在該溫度范圍之內，所制備的AZO薄膜電阻率小于5.6×10-4 Ω·cm，所以可以確定的是其電阻率較低，最低可達到4.5×10-4 Ω·cm。由此可見，該次實驗過程中，利用濺射這種方式摻加氫氣，可以在125 ℃～255 ℃的低溫范圍內進行高電導和高透明的氫摻雜AZO薄膜制備，并且保證薄膜質量。

3 結論

使用直流磁控濺射技術低溫制備高電導和高透明的氫摻雜AZO薄膜，通過實驗證明可以利用摻加氫氣的方式，降低AZO薄膜電阻率，如果襯底溫度在125 ℃～225 ℃，那么可以制備出電阻率較低的AZO薄膜。

參考文獻

[1]夏雨，吳丹，趙遵杰，等.能量過濾磁控濺射制備TiO_2薄膜的光催化性能研究[J].真空科學與技術學報，2017，37（7）：685-688.

[2]王朝勇，任一新，李琦軒，等.高折射率銳鈦礦TiO_2薄膜的低溫直流磁控濺射制備技術[J].表面技術，2017，46（5）：177-183.

[3]袁建鵬.脈沖偏壓對直流磁控濺射制備CuNiIn薄膜過程中鈦合金基體的影響[J].熱噴涂技術，2016，8（2）：60-64，52.

[4]李剛，呂起鵬，公發權，等.欠氧化氣氛下等離子體輔助脈沖直流磁控濺射高純度Al_2O_3薄膜[J].真空科學與技術學報，2014，34（3）：261-265.