一種新型制備azo薄膜沉積工藝的制作方法

一種新型制備azo薄膜沉積工藝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種新型制備AZO薄膜的工藝，可用于薄膜太陽能窗口層制備、可用于平板顯示行業的透明導電層制備。采用磁控濺射AZO陶瓷靶材。所述AZO陶瓷靶材，其特征在于：Al2O3的含量是1at%-3at%之間，余量是ZnO，其中Fe的含量低于10ppm。控制直流脈沖電源的脈沖占空比與脈沖頻率制備AZO薄膜的工藝，通過調節脈沖發生器中，輸出的脈沖正向和反向的峰高和正向反向方波的持續時間，以及調節輸出的脈沖方波的脈沖頻率，并借住檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，模擬計算調節，使其整個濺射AZO工藝穩定、避免打弧現象和濺射陽極消失而導致濺射薄膜性能下降，從而得到高濺射速率，高透過率、高導電率、高致密性、高霧度的透明導電薄膜AZO。
【專利說明】一種新型制備AZO薄膜沉積工藝
【技術領域】
[0001]本發明屬于鍍膜行業關于透明導電薄膜TCO領域，特別涉及到一種新型制備AZO薄膜沉積工藝，屬于制備透明導電薄膜領域。
【背景技術】
[0002]透明導電膜ITO是所有透明導電材料中應用最為廣泛的一類。由于這種材料制備的薄膜不僅在可見光區有著很高的透過率，在紅外和近紅外區透過率也很高，而且薄膜的電阻率較低，因此既可以用作平面顯示(FPD)和太陽能用的平面電極材料，也可用于節能方面，如建筑玻璃表面等，還可用于汽車玻璃和微波爐。在這一類材料中，目前應用最為廣泛的是銦錫氧化物半導體透明導電膜ΙΤ0。但是ITO中主要成分之一金屬銦是稀有金屬，并且其冶煉過程中會造成環境的污染，因此從節約資源保護環境的角度，應該廣泛應用高性能的AZO薄膜來代替ITO薄膜。
[0003]AZO鍍膜玻璃，即在ZnO體系中摻雜Al所得到ZnO:A1透明導電薄膜玻璃。摻雜后的AZO薄膜導電性能大幅度提高，電阻率可降低到10-4 Ω.cm,而且AZO薄膜在氫等離子體中穩定性要優于ΙΤ0，同時AZO具有可同ITO相媲美的光電特性，而且AZO薄膜的制備方便，元素資源比較豐富，且無毒，是ITO薄膜的最佳替代者，目前AZO薄膜在平板顯示器和薄膜太陽能電池中已經得到了部分應用。
[0004]真空濺射技術可以通過控制工藝溫度和真空氣氛，制備出方塊電阻范圍在3-12歐姆的AZO薄膜。但是，為了實現較好的微觀納米結構分布和較高的霧度，需要控制AZO鍍膜玻璃的鍍膜工藝，尤其是需要嚴格控制工藝溫度和真空氣氛，這導致生產出的AZO鍍膜玻璃成本較高，表面納米結構分布均勻性差，這不利于后續電池的應用，因此我們需要的是廣泛、實用、生產線上穩定的鍍膜工藝。
[0005]因此，本發明開發了一種控制AZO濺射的直流脈沖電源占空比的工藝，降低了需要精確嚴格控制工藝氣體氣氛和溫度的缺陷，得到一種電阻率低、高透過率，致密性高的薄膜。

【發明內容】

[0006]鑒于如上所述現有技術中存在的問題，本發明是在現有的AZO鍍膜工藝之上開發的一種新型的制備工藝，可應用于大量大面積的生產制備AZO薄膜，以下對于本發明進行詳細說明:
本發明提供的一種新型制備AZO薄膜的工藝，其特征在于，采用磁控濺射AZO陶瓷靶材，控制直流脈沖電源的脈沖占空比與脈沖頻率制備AZO薄膜的工藝，通過調節脈沖發生器中，輸出的脈沖正向和反向的峰高和正向反向方波的持續時間，以及調節輸出的脈沖方波的脈沖頻率，并借住檢測 靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，模擬計算調節，使其整個濺射AZO工藝穩定、避免打弧現象、得到高透過率、高導電率的透明導電薄膜ΑΖ0。
[0007]本發明的一個較佳實施方式中，所述制備AZO薄膜，采用磁控濺射裝置，該裝置包含:傳輸系統、陰極、電源、工藝氣體、泵組、加熱系統、測量系統；用于透明導電薄膜AZO沉積所用裝置。
[0008]本發明的另一個較佳實施方式中，所述濺射工藝流程是首先使用真空泵腔體抽至一定的真空度，本底真空抽至5xlO_4Pa以下，控制水分分壓低于本底真空的4%，這需要使用測量系統中的高低壓真空計等測量設備；再次使用傳輸系統將基板傳送至濺射腔體，在設備的下方配有傳動電機，電機帶動齒輪，齒輪帶動皮帶，皮帶帶動滾輪，滾輪依靠摩擦力帶動基板向前傳輸，在傳輸的過程中，加熱系統開始工作，可以選用電阻絲或紅外燈管的方式對基板進行加熱，加熱至100-300°C，但要求整個基板的溫度均勻性在±5°C以內；其次基板傳輸至派射腔體，通入Ar/02混合和Ar工藝氣體,混合比例是O2:Ar在1%_20%之間，調節工藝壓強控制在0.1-1Pa之間；最后通過直流脈沖電源供電，將工藝氣體電離，然后轟擊AZO靶材實現靶材上AZO材料沉積到基板的過程。
本發明的另一個較佳實施方式中，所述AZO陶瓷靶材中，靶材中Al2O3的含量在1%_3%之間，其他成分是ZnO，其中Fe的含量低于lOppm。
[0009]本發明的另一個較佳實施方式中，所述靶材是平面小靶材、可以是平面矩形、旋轉圓柱祀材。
[0010]本發明的另一個較佳實施方式中，所述陰極為靜態磁場陰極或可移動磁場陰極。
[0011]本發明的另一個較佳實施方 式中，所述的磁控濺射裝置為各種小型試驗型磁控機臺臺、生產臥式機臺或者是生產立式機臺等。
[0012]本發明的另一個較佳實施方式中，所述濺射陶瓷靶材ΑΖ0，陰極采用強磁場的陰極，磁場強度時600GS-1300GS之間。
[0013]本發明的另一個較佳實施方式中，所述磁控濺射陶瓷靶材ΑΖ0，所用電源采用直流脈沖電源，電源的脈沖的占空比、脈沖頻率可調,可調范圍在10%-60%之間。輸出波形是方波。
[0014]本發明的另一個較佳實施方式中，所述控制直流脈沖電源的脈沖占空比與脈沖頻率制備AZO薄膜的工藝，通過調節脈沖發生器中，輸出的脈沖正向和反向的峰高和正向反向方波的持續時間，以及調節輸出的脈沖方波的脈沖頻率，并借住檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，模擬計算調節。
[0015]本發明的另一個較佳實施方式中，所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，濺射功率密度50ff/m-15KW/mo
[0016]本發明的另一個較佳實施方式中，所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，基板加熱的溫度是 100°C -300°c。
[0017]本發明的另一個較佳實施方式中，所述基板加熱，采用紅外燈管加熱方式或者電阻絲加熱方式，并要求大面積加熱基板的溫度不均勻性小于±5°C。
[0018]本發明的另一個較佳實施方式中，所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，濺射靶基距(靶材表面到基板的距離)在70-100mm之間。
[0019]本發明的另一個較佳實施方式中，所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，濺射的本底真空需要抽至5xlO_4Pa以下，控制水分的分壓低于本底真空的4%。
[0020]本發明的另一個較佳實施方式中，所述濺射工藝氣體，采用Ar和O2，純度都高于99.999%。一般02采用混合氣體，Ar/02混合氣體，混合比例是O2 =Ar是1%_20%之間。采用混合氣體便于工藝的氣壓比例精準調節。
[0021]本發明的另一個較佳實施方式中，所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，濺射工藝壓強控制在0.1-1Pa之間，其中O2的含量占該真空度的0.1%-5%之間。
[0022]所述的一種新型制備AZO薄膜的工藝，其特征在于，所述濺射AZO透明導電薄膜的厚度在500nm-l.5 μ m之間。
[0023]本發明的另一個較佳實施方式中，所述磁控濺射陶瓷靶材ΑΖ0，檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，是分別通過電源自身監測電源輸出電壓變化和真空壓力測量裝置監測工藝氣壓變化。 [0024]所述真空壓力測量裝置，其特征在于:所述真空壓力測量裝置為電離真空計、電阻真空計、電容真空計。
[0025]所述模擬計算，其特征在于:根據真空壓力測量裝置時時監控工藝壓強的波動，在聯合時時監測電源輸出電壓在靶材表面的波動，通過模擬計算模塊計算，反過來調節電源的脈沖發生器輸出的脈沖波的占空比和頻率，達到濺射工藝穩定。
[0026]所述基板，其特征在于:基板采用不銹鋼、玻璃、聚酰亞胺(PI)等，其尺寸不限制。
[0027]本發明的AZO鍍膜制備工藝具有好的穩定性、能夠制備出低方塊電阻、高透過率，高致密、較高霧度、分布均勻的AZO透明導電薄膜。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]附圖1是本發明的實施例的基體和AZO薄膜結構示意圖；
附圖2是本發明實施例的AZO表面狀態SEM圖；
附圖3是本發明實施例的AZO薄膜透過率的測試圖。
【具體實施方式】
[0029]以下結合附圖和實施例對本發明做具體闡釋。
[0030]本發明提供的一種新型制備AZO薄膜的工藝制備方法，包括:
采用磁控濺射AZO陶瓷靶材，控制直流脈沖電源的脈沖占空比與脈沖頻率制備AZO薄膜的工藝，通過調節脈沖發生器中，輸出的脈沖正向和反向的峰高和正向反向方波的持續時間，以及調節輸出的脈沖方波的脈沖頻率，并借住檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，模擬計算調節，使其整個濺射AZO工藝穩定、避免打弧現象、得到高透過率、高導電率的透明導電薄膜ΑΖ0。其結構如圖1中所示，其中I為玻璃，2為AZO薄膜；
所述制備AZO薄膜，采用磁控濺射裝置，該裝置包含:傳輸系統、陰極、電源、工藝氣體、泵組、加熱系統、測量系統；用于透明導電薄膜AZO沉積所用裝置。
[0031]所述濺射工藝流程是首先使用真空泵腔體抽至一定的真空度，本底真空抽至5xlO_4Pa以下，控制水分分壓低于本底真空的4%，這需要使用測量系統中的高低壓真空計等測量設備；再次使用傳輸系統將基板傳送至濺射腔體，在設備的下方配有傳動電機，電機帶動齒輪，齒輪帶動皮帶，皮帶帶動滾輪，滾輪依靠摩擦力帶動基板向前傳輸，在傳輸的過程中，加熱系統開始工作，可以選用電阻絲或紅外燈管的方式對基板進行加熱，加熱至100-300°C，但要求整個基板的溫度均勻性在±5°C以內；其次基板傳輸至濺射腔體，通入Ar/02混合和Ar工藝氣體，混合比例是O2:Ar在1%_20%之間，調節工藝壓強控制在0.1-1Pa之間；最后通過直流脈沖電源供電,將工藝氣體電離,然后轟擊AZO靶材實現靶材上AZO材料沉積到基板的過程。
所述AZO陶瓷靶材中，靶材中Al2O3的含量在1%_3%之間，其他成分是ZnO，其中Fe的含量低于lOppm。
[0032]所述靶材是平面小靶材、可以是平面矩形、旋轉圓柱靶材。
[0033]所述陰極為靜態磁場陰極或可移動磁場陰極。
[0034]所述的磁控濺射裝置為各種小型試驗型磁控機臺臺、生產臥式機臺或者是生產立式機臺等。
[0035]所述濺射陶瓷靶材AZ0，陰極采用強磁場的陰極，磁場強度時600GS-1300GS之間。
[0036]所述磁控濺射陶瓷靶材AZ0，所用電源采用直流脈沖電源，電源的脈沖的占空比、脈沖頻率可調，可調范圍在10%-60%之間。輸出波形是方波。
[0037]所述控制直流脈沖電源的脈沖占空比與脈沖頻率制備AZO薄膜的工藝，通過調節脈沖發生器中，輸出的脈沖正向和反向的峰高和正向反向方波的持續時間，以及調節輸出的脈沖方波的脈沖頻率，并借住檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，模擬計算調節。
[0038]所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時， 濺射功率密度50W/m_15KW/m。
[0039]所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，基板加熱的溫度是100°C -300°C。
[0040]所述基板加熱，采用紅外燈管加熱方式或者電阻絲加熱方式，并要求大面積加熱基板的溫度不均勻性小于±5°C。
[0041]所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，濺射靶基距(靶材表面到基板的距離)在70-100mm之間。
[0042]所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，濺射的本底真空需要抽至5xlO_4Pa以下，控制水分的分壓低于本底真空的4%。
[0043]所述濺射工藝氣體，采用Ar和02，純度都高于99.999%。一般02采用混合氣體，Ar/02混合氣體，混合比例是O2 =Ar是1%_20%之間。采用混合氣體便于工藝的氣壓比例精準調節。
[0044]所述磁控濺射陶瓷靶材AZO時，濺射工藝壓強控制在0.1-1Pa之間，其中O2的含量占該真空度的0.1%-5%之間。
[0045]所述派射AZO透明導電薄膜的厚度在500nm_l.5 μ m之間。
[0046]所述磁控濺射陶瓷靶材ΑΖ0，檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，是分別通過電源自身監測電源輸出電壓變化和真空壓力測量裝置監測工藝氣壓變化。
[0047]所述真空壓力測量裝置為電離真空計、電阻真空計、電容真空計。
[0048]所述模擬計算，其特征在于:根據真空壓力測量裝置時時監控工藝壓強的波動，在聯合時時監測電源輸出電壓在靶材表面的波動，通過模擬計算模塊計算，反過來調節電源的脈沖發生器輸出的脈沖波的占空比和頻率，達到濺射工藝穩定。
[0049]基板的派射流片速度在0.2m/s~0.6m/s之間。
[0050]所述基板，其特征在于:基板采用不銹鋼、玻璃、聚酰亞胺(PI)等，其尺寸不限制。
[0051]案例I實施:磁控濺射真空腔體本底真空抽至5xlO_4Pa，基板采用玻璃基板，濺射傳輸速度為0.2m/s，通入Ar:200sccm,02:3sccm，調節工藝壓強是0.31Pa，濺射電源功率是9KW,脈沖的占空比控制在20:3，頻率為200KHz，基板的加熱溫度是205攝氏度，濺射AZO薄膜的厚度為860-880nm之間。
[0052]案例2實施:磁控濺射真空腔體本底真空抽至4xlO_4Pa，基板采用玻璃基板，濺射傳輸速度為0.25m/s，通入Ar:300sccm, 02:4sccm，調節工藝壓強是0.36Pa，濺射電源功率是7KW，脈沖的占空比控制在23:2，頻率為200KHz，基板的加熱溫度是205攝氏度，濺射AZO薄膜的厚度為850-870nm之間。
[0053]案例3實施:磁控濺射真空腔體本底真空抽至5xlO_4Pa，基板采用玻璃基板，濺射傳輸速度為0.28m/s，通入Ar:300sccm, 02:2sccm，調節工藝壓強是0.40Pa，濺射電源功率是7KW，脈沖的占空比控制在23:2，頻率為200KHz，基板的加熱溫度是205攝氏度，濺射AZO薄膜的厚度為800-820nm之間。
[0054]采用分光光度計測試,測試波長范圍是350nm-1300nm之間,測試薄膜與基板的透過率。
[0055]采用四探針測試薄膜方塊電阻。
【權利要求】
1.一種新型制備AZO薄膜的工藝，其特征在于，采用磁控濺射AZO陶瓷靶材，控制直流脈沖電源的脈沖占空比與脈沖頻率制備AZO薄膜的工藝，通過調節脈沖發生器中，輸出的脈沖正向和反向的峰高和正向反向方波的持續時間，以及調節輸出的脈沖方波的脈沖頻率，并借助檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，模擬計算調節，使其整個濺射AZO工藝穩定、避免打弧現象、得到高透過率、高導電率的透明導電薄膜AZO ； 所述AZO陶瓷靶材，其特征在于=Al2O3的含量是lat%-3at%之間，余量是ZnO，其中Fe的含量低于I Oppm。
2.根據權利要求2所述的工藝，其特征在于:所述AZO陶瓷靶材是平面小圓形、平面矩形或旋轉圓柱靶材。
3.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于:所述磁控濺射時陰極采用強磁場的陰極，磁場強度在600GS-1300GS之間。
4.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于:所述磁控濺射時的電源采用直流脈沖電源，電源的脈沖的占空比、脈沖頻率可調，可調范圍在10%-60%之間，輸出波形是方波，濺射功率根據實際情況調整。
5.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于:所述磁控濺射時，靶材表面到基板的距離在70-1OOmm之間。
6.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于:濺射的本底真空需要抽至5X10_4Pa以下，控制水分的分壓低于本底真空的4%，采用Ar、02為工藝氣體，工藝壓強控制在0.1-1Pa之間，其濺射腔體中02的含量占該真空度的0.1%-5%之間。
7.根據權利要求7所述的工藝，其特征在于:所述工藝氣體采用Ar和O2或者是Ar/02和Ar濺射，其純度都高于99.999%，所述混合氣體Ar/02，是指購買的氣瓶氣體或者在工藝使用氣體之前就將這兩種氣體按照一定比例已經混合好，作為一種氣體進行通入工藝濺射，混合比例是O2 =Ar在1%-20%之間。
8.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于:所述磁控濺射時，基板加熱的溫度是IOO0C -300。。。
9.根據權利要求9所述的工藝，其特征在于:基板加熱方式為電阻絲加熱或者紅外燈光輻射加熱，要求加熱的溫度均勻性是±5°C。
10.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于:所述透明導電薄膜AZO的厚度在500nm_l.5 μ m 之間。
11.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于:所述檢測靶材表面的電壓變化和濺射工藝氣壓變化，是分別通過電源自身監測電源輸出電壓變化和真空壓力測量裝置監測工藝氣壓變化。
【文檔編號】C23C14/35GK103643211SQ201310590537
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】不公告發明人 申請人:山東希格斯新能源有限責任公司