氧化锌铝镓透明导电薄膜制备工艺的优化

刘志伟，李笑勉，王军，陈先亮，黄俊豪，陈俊生

（1.东莞职业技术学院机电工程学院，广东 东莞 523808；2.广东大族粤铭激光集团股份有限公司，广东 东莞 523808；3.龙华科技大学机械工程系，台湾 桃园 33306）

透明导电薄膜(TCO)具有良好的导电性和透光性，被广泛应用于液晶显示器、触控面板、电磁波防护、LED(发光二极管)、太阳能电池等产品上[1-3]。ZnO的性能优异，价格低廉，常作为TCO的基础材料。制作ZnO薄膜的方式包括金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、脉冲雷射沉积法(PLD)、热分解法(spray pyrolysis)、溶胶凝胶法、磁控溅镀法(sputtering)等[4-5]。对于磁控溅镀氧化锌薄膜而言，其性能受溅镀功率、沉积时间、制程压力、基板种类和温度以及薄膜厚度的影响[6]。采用陶瓷粉末烧结的氧化锌靶材比金属锌靶材更有利于制作结构均匀、电阻率(ρ)和透光率(τ)良好的ZnO薄膜[7]。

在氧化锌薄膜中加入B、Al、Ga、In、Sc等元素可提高其导电性和稳定性[8-9]。Kim等[10]使用含铝2%(质量分数，后同)的氧化锌铝靶材在不同基板上沉积了透明导电膜，并发现当温度为120 °C时，玻璃基板的电阻率为 5.12 × 10−3Ω·cm，PEN(聚萘二甲酸乙二酯)塑料基板的电阻率为 3.85 × 10−3Ω·cm，透光率约为90%。Yu等[11]采用镓含量为2%的氧化锌镓靶材，在固定功率150 W、制程压力1 Pa、基板温度40 ~ 60 °C的条件下制备了厚度为 50 nm 和 1 000 nm 的薄膜，它们的电阻率分别为 4.9 × 10−3Ω·cm 和 3.1 × 10−3Ω·cm。

本文尝试在氧化锌陶瓷靶中添加2种三价元素(铝和镓)，并通过射频磁控溅镀的方式在玻璃基板上沉积了透明导电薄膜。参考V.Sharma等人的研究[6]以及前期试验结果可知射频功率、基板温度、沉积时间和制程压力是影响薄膜电阻率和透光率的主要因素，通过田口试验优化这4个关键因子，然后采用灰关联方法寻求多目标最优的制备参数。……