一種擴(kuò)散法制備高濃度梯度azo單晶導(dǎo)電薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于透明導(dǎo)電氧化物薄膜制備領(lǐng)域，特別涉及一種擴(kuò)散法制備高濃度梯度AZO單晶導(dǎo)電薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、太陽能等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一種新的功能材料一一透明導(dǎo)電氧化物薄膜(簡稱TCO薄膜)隨之產(chǎn)生、發(fā)展起來。其中摻鋁氧化鋅(AZO)透明導(dǎo)電膜因其自然資源豐富、生產(chǎn)工藝簡單、成本低、無毒性、性能穩(wěn)定，成為至今為止最佳的透明導(dǎo)電薄膜材料，尤其梯度AZO單晶薄膜因其具有界面無應(yīng)力、電子傳輸快等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能電池、液晶顯示器、熱反射鏡等方面具有重要的應(yīng)用前景領(lǐng)域。由于梯度AZO薄膜成分要求變化均勻，因此存在AZO薄膜制備過程中梯度可控難的問題。
[0003]目前，AZO薄膜的制備方法有溶膠-凝膠法、真空蒸鍍法和脈沖激光沉積法。其中，溶膠-凝膠法需要多次重復(fù)涂膜、預(yù)燒，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成膜效率低。真空蒸鍍就是將需要制成薄膜的物質(zhì)放于真空室中進(jìn)行蒸發(fā)或升華，使之在基片表面上析出；真空蒸鍍中真空度的高低直接影響薄膜的結(jié)構(gòu)和性能，真空度低，材料受殘余氣體分子污染嚴(yán)重，薄膜性能變差。采用脈沖激光沉積法沉沉積速度慢，成膜質(zhì)量差且需要特殊的設(shè)備和高真空，生產(chǎn)成本高，不利于大規(guī)模工業(yè)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種制備成本低廉，成膜率高，薄膜性導(dǎo)電性能優(yōu)良，適合作為薄膜太陽能電池鈍化層的擴(kuò)散法制備高濃度梯度AZO單晶導(dǎo)電薄膜的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種擴(kuò)散法制備高濃度梯度AZO單晶導(dǎo)電薄膜的方法，其具體步驟如下:
1)清洗
以單晶硅作為基片，對單晶硅基片進(jìn)行清洗；
2)靶材和基片安裝
濺射使用的靶材為ZnO靶和Al靶，氧化鋅靶安裝在磁控濺射設(shè)備的射頻靶上，鋁靶安裝在磁控濺射設(shè)備的直流靶上，同時(shí)在磁控濺射設(shè)備的真空室頂部的樣品臺安裝單晶硅基片;
3)濺射沉積
采用磁控濺射法室溫下制備梯度AZO薄膜，首先將真空室抽真空，本底真空度到2X 10 4Pa?5X 10 4Pa,派射氣體為高純氬氣和氧氣混合氣，所述氬氣和氧氣的體積比1:0?9:1，工作氣壓調(diào)節(jié)至0.4Pa?0.7Pa，開始鍍膜；鍍膜過程中，樣品臺轉(zhuǎn)動速率為10rad/min?15rad/min，調(diào)節(jié)ZnO靶材的濺射功率為180W?200W，Al靶材的濺射功率為15W?25W ;磁控濺射時(shí)，在單晶硅基片上交替進(jìn)行AZO層和ZnO層濺射沉積，濺射沉積時(shí)靶材的功率保持不變，通過定時(shí)調(diào)節(jié)Al靶材擋板來控制Al元素沉積，Al靶材擋板的遮擋時(shí)間為4min?247min，ZnO靶單獨(dú)濺射完成后，打開鋁擋板，開始Al靶和ZnO靶共濺射，每次共派射時(shí)間為15s?20s ；
4)退火擴(kuò)散處理
將沉積好的單晶硅基片放入真空管式爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度為300°C?500°C，保溫時(shí)間為0.5h?2h，制得梯度AZO薄膜。
[0006]Al靶材擋板的遮擋使ZnO靶能夠單獨(dú)濺射的時(shí)間不斷增加。
[0007]所述ZnO 革巴單獨(dú)派射的時(shí)間依次為 4min，8min，12min，18min，25min，34min，48min，63min，85min，125min，247min。
[0008]所述AZO層和ZnO層梯度范圍是42%?2%0
[0009]對單晶娃基片進(jìn)行清洗時(shí)，先在丙酮中超聲清洗1min?20min，再在無水乙醇中清洗1min?20min，最后用去離子水沖洗干凈，烘干。
[0010]所述ZnO靶的純度為99.99%，所述Al靶的純度的99.999%。
[0011]真空室頂部裝載單晶硅基片裝載過程中，確?；砻娴恼麧?。
[0012]本發(fā)明的有益效果:
I)通過磁控濺射鍍膜儀生長出的AZO/ZnO分層結(jié)構(gòu)薄膜，而后放入退火爐進(jìn)行氣氛退火，通過原子擴(kuò)散得到梯度成分均勻的AZO導(dǎo)電薄膜，擴(kuò)散法制備的梯度AZO單晶薄膜，梯度摻雜濃度梯度變化大、梯度均勻、結(jié)晶質(zhì)量高、單晶性能好、薄膜表面平整，導(dǎo)電性能優(yōu)良，十分適合作為薄膜太陽能電池鈍化層。
[0013]2)采用直流/射頻共濺射技術(shù)制備梯度AZO單晶薄膜，磁控濺射方法沉積速率高、結(jié)合力好、過程容易控制、能夠方便地控制各個(gè)組元的成分比例，該技術(shù)工藝簡單、成本低廉，可適用于大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明(對應(yīng)實(shí)施例1)的梯度AZO薄膜的XRD圖；
圖2是本發(fā)明(對應(yīng)實(shí)施例1)的梯度AZO薄膜的XRD圖；
圖3是本發(fā)明(對應(yīng)實(shí)施例1)的梯度AZO薄膜的XRD圖；
圖4是本發(fā)明的AZO薄膜分層結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖5是本發(fā)明的梯度AZO薄膜側(cè)面的表面形貌SEM圖；
圖6是本發(fā)明的梯度AZO薄膜正面的表面形貌SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1
1)清洗
對單晶娃基片進(jìn)行清洗，先在丙酮中超聲清洗lOmin，再在無水乙醇中清洗lOmin，最后用去離子水沖洗干凈，烘干；
2)靶材和基片安裝
濺射使用的靶材為ZnO (純度99.99% )和Al (純度99.999%),氧化鋅靶安裝在磁控濺射設(shè)備的射頻靶上，鋁靶安裝在磁控濺射設(shè)備的直流靶上，同時(shí)在磁控濺射設(shè)備的真空室頂部的樣品臺安裝單晶硅基片，注意裝載過程中確保基片表面的整潔；
3)濺射沉積
采用磁控濺射方法室溫下制備梯度AZO薄膜，首先將真空室抽成高真空，本底真空度到2 X 10 4Pa,濺射氣體為高純氬氣，工作氣壓調(diào)0.4Pa，一切就緒，開始鍍膜；鍍膜過程中，樣品臺轉(zhuǎn)動速率為10rad/min，調(diào)節(jié)ZnO靶材的濺射功率為180W，Al靶材的濺射功率為15W ;磁控濺射時(shí)，在單晶硅基片上交替進(jìn)行AZO層和ZnO層濺射沉積，濺射沉積時(shí)靶材的功率保持不變，通過定時(shí)調(diào)節(jié)Al靶材擋板來控制Al元素沉積，Al靶材擋板的遮擋時(shí)間由4min到247min依次增加(即每次鋁靶擋板打開前ZnO靶單獨(dú)濺射的時(shí)間不斷增加)，ZnO革巴單獨(dú)派射的時(shí)間依次為 4min，8min，12min，18min，25min，34min，48min，63min，85min，125min，247min，對應(yīng)的 Al 的摻雜量依次為 42%, 38%, 34%, 30%, 26%, 22%, 18%, 14%,10 %，6 %，2 %。ZnO靶單獨(dú)濺射完成后，打開鋁擋板，開始Al靶和ZnO靶共濺射，每次共濺射時(shí)間為15s，梯度范圍42%?2% (梯度范圍是AZO層與ZnO層的體積比)，具體分層結(jié)構(gòu)如圖4。(具體的單獨(dú)濺射時(shí)間要寫出來)
4)退火擴(kuò)散處理
將沉積好的單晶硅基片放入真空管式爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度為300°C，保溫時(shí)間為0.5h，最后獲得梯度AZO薄膜。XRD圖如圖1所示；梯度AZO薄膜的表面形貌如圖5、圖6所示，由圖5和圖6可以看出，薄膜正面和側(cè)面平整，光滑、無表面缺陷，無針眼空洞，具有非常理想的表面性能；并且側(cè)面厚度均勻，厚度大約為120nm ;
實(shí)施例2
1)清洗
對單晶娃基片進(jìn)行清洗，先在丙酮中超聲清洗15min，再在無水乙醇中清洗15min，最后用去離子水沖洗干凈，烘干；
2)靶材和基片安裝
濺射使用的靶材為ZnO (純度99.99% )和Al (純度99.999%),氧化鋅靶安裝在磁控濺射設(shè)備的射頻靶上，鋁靶安裝在磁控濺射設(shè)備的直流靶上，同時(shí)在磁控濺射設(shè)備的真空室頂部的樣品臺安裝單晶硅基片，注意裝載過程中確?；砻娴恼麧?；
3)濺射沉積
采用磁控濺射方法室溫下制備