采用直流磁控濺射方法在平板玻璃基體表面沉積AZO薄膜，研究了本底真空度對薄膜厚度、方塊電阻以及在300～1100nm波長范圍內(nèi)透過率的影響。結(jié)果表明：薄膜的方塊電阻和透過率隨本底真空度的提高而降低，厚度隨本底真空度的提高而增加；本底真空度較低時(shí)，其變化對薄膜的厚度、方塊電阻和透過率的影響較大，隨著本底真空度的增加，影響程度逐漸降低。

　　透明氧化物導(dǎo)電薄膜(TCO)具有高的紫外光吸收率、可見光透過率、紅外光反射率及低的電阻率，被廣泛應(yīng)用于太陽電池、顯示器透明電極、觸控面板和熱輻射屏蔽(LOW-E)等領(lǐng)域。ITO(In2O3：Sn)薄膜是目前制備技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的TCO薄膜，但是它存在一些缺點(diǎn)：In材料有毒，對人體有害；In2O3價(jià)格昂貴，成本高；Sn和In的原子量大，沉積過程中容易滲入基體表面，損傷基體性能；高溫下，透過率會(huì)迅速降低，且在氫等離子體中不穩(wěn)定。這些缺點(diǎn)在很大程度上限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用和研究。

　　近年來，氧化鋅基薄膜由于具有與ITO薄膜相比擬的光電性能、在氫等離子體中的高穩(wěn)定性以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，成為了研究熱點(diǎn)，是替代ITO薄膜的首選，其中的摻鋁氧化鋅薄膜(AZO)被廣泛應(yīng)用于太陽電池。AZO薄膜的制備方法有多種，其中的磁控濺射法由于具有設(shè)備成熟、制程控制精確、易于實(shí)現(xiàn)大面積高速沉積等優(yōu)點(diǎn)，成為人們首選的制備技術(shù)。以往的研究者對磁控濺射制備AZO薄膜的研究主要集中在濺射制程壓力、靶功率等方面，而本底真空度對薄膜性能的影響還未見報(bào)道。

1、實(shí)驗(yàn)

　　采用JGP450型磁控濺射設(shè)備制備AZO薄膜。靶材是含1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氧化鋁的AZO陶瓷靶，基體是透明的平板玻璃，濺射氣體是純度為99.99%的氬氣。磁控濺射工藝參數(shù)為：靶基距90mm，濺射功率1kW，濺射時(shí)間10min。濺射前打開真空室，在大氣中暴露2h后，將清洗并吹干的基體放入其中，開始抽真空，在本底真空度分別為2.0×10^-3，4.0×10^-3，6.0×10^-3，8.0×10^-3 Pa的條件下，制備四個(gè)樣品。沉積薄膜前先進(jìn)行10min的預(yù)濺射過程，以清潔靶材表面存在的毛刺、油污等。

　　用ST-21型方塊電阻測試儀(廣州四探針科技公司)測試薄膜的方塊電阻，用lambda950型分光光度計(jì)(美國PerkinElmer公司)測試薄膜的透過率，用dektak150型探針式表面輪廓儀(美國VEECO公司)測試薄膜厚度。

2、結(jié)果與分析

2.1、本底真空度對薄膜厚度的影響

　　圖1給出了薄膜厚度與本底真空度之間的關(guān)系。由圖1可見，隨著本底真空度的提高，薄膜厚度呈增加的趨勢，但增加幅度逐漸減弱。在較低的本底真空度范圍內(nèi)，薄膜厚度受本底真空度影響顯著，當(dāng)本底真空度從8.0×10^-3 Pa提高至6.0×10^-3 Pa時(shí)，薄膜厚度從56.54nm增加到80.23nm，厚度增加值達(dá)到23.69nm；在較高的本底真空度范圍內(nèi)，薄膜厚度受本底真空度的影響較低，當(dāng)本底真空度從4.0×10^-3 Pa提高至2.0×10^-3 Pa時(shí)，薄膜厚度從89.27nm增加到90.36nm，僅相差1.09nm。主要原因分析如下：在本底真空度較低的條件下，真空室的內(nèi)腔壁和邊角吸附了大量的雜質(zhì)殘余氣體，當(dāng)濺射開始時(shí)，由于輝光放電的加熱作用，雜質(zhì)殘余氣體從真空室內(nèi)腔壁和邊角處脫附出來，導(dǎo)致濺射效率較低；氬氣流量不變時(shí)，雜質(zhì)殘余氣體分子的存在導(dǎo)致電子碰撞的平均自由程減少，電子從加速電場中獲得的能量部分向雜質(zhì)殘余氣體分子或原子轉(zhuǎn)移，當(dāng)電子再與氬氣原子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，因能量不足以使氬原子電離，致使離化率降低，同時(shí)被離化的氬離子在電場作用下向陰極靶材遷移時(shí)發(fā)生碰撞的概率增加，因而氬離子能量降低和發(fā)生散射的概率增加；以上綜合作用使得濺射效率低，膜層較薄。因此在一定范圍內(nèi)提高本底真空度，有助于提高濺射效率，達(dá)到增加薄膜厚度的目的。由圖1可見，當(dāng)達(dá)到4×10^-3 Pa后，本底真空度對濺射效率的影響已經(jīng)較小，膜層厚度趨于穩(wěn)定。

圖1 薄膜厚度與本底真空度的關(guān)系

2.2、本底真空度對薄膜方塊電阻的影響

　　圖2給出了AZO薄膜的方塊電阻和本底真空度之間的關(guān)系。由圖2可以看出，薄膜的方塊電阻受本底真空度影響較大：在本底真空度為8×10^-3 Pa時(shí)，薄膜的方塊電阻達(dá)到1975.8Ω/□；隨著本底真空度的提高，薄膜的方塊電阻逐漸下降，導(dǎo)電性能逐漸增強(qiáng)，當(dāng)本底真空度提高到2×10^-3 Pa時(shí)，方塊電阻降低到326.4Ω/。主要原因在于：一方面，本底真空度較低的條件下，由于雜質(zhì)殘余分子，特別是含氧原子的水汽分子的存在，造成沉積的薄膜中氧成分增加，氧空位減少，導(dǎo)致主要以氧空位作為導(dǎo)電機(jī)制的AZO薄膜導(dǎo)電能力下降；另一方面，雜質(zhì)殘余分子的存在使濺射粒子的能量降低，因此被濺射出來的膜層原子能量低，膜層原子在遷移到基體表面的過程中，與雜質(zhì)殘余氣體分子發(fā)生碰撞，能量進(jìn)一步降低，因此到達(dá)基體表面的部分膜層原子沒有足夠的能量進(jìn)行遷移，使得薄膜晶化程度較低，導(dǎo)電能力隨之較低，方塊電阻較高。

圖2 薄膜方塊電阻與本底真空度的關(guān)系

2.3、本底真空度對薄膜透過率的影響

　　圖3是薄膜在400～1100nm波長范圍內(nèi)的平均透過率隨本底真空度的變化趨勢。由圖3可知，薄膜的最高透過率達(dá)到80.09%，隨著本底真空度的提高，薄膜的平均透過率下降，最低值為75.86%。分析原因如下：一方面是薄膜厚度的影響，相同條件下，薄膜越厚，光的穿透性越低，反之則越高，如前所述，本底真空度能顯著影響濺射效率，在低本底真空度的條件下，濺射效率低，薄膜較薄，因此透過率較高；另一方面是薄膜中氧含量的影響，氧含量越高，則透過性越好，實(shí)驗(yàn)中僅引入氬氣作為濺射氣體，沒有引入反應(yīng)氣體氧氣，在低本底真空度條件下，真空室內(nèi)存在大量含氧的水汽等雜質(zhì)氣體，使得薄膜中的氧含量較高，因此透過性較好。此外，本底真空度發(fā)生變化對雜質(zhì)殘余氣體含量的影響較大，因而薄膜透過率的變化也較大，在高本底真空度條件下，由于水汽等雜質(zhì)氣體被抽走，薄膜中的氧含量較低，因此透過率較低，受本底真空度的影響也更小。

　　在本底真空度為8.0×10^-3 Pa的條件下制備薄膜，測得薄膜在300～1100nm波長范圍內(nèi)的透過率曲線，如圖4所示。由圖4可知，在波長小于380nm的紫外光區(qū)，薄膜的透過率急劇下降。這是由于AZO薄膜本身是一種半導(dǎo)體材料，在該波段，AZO薄膜會(huì)產(chǎn)生本征吸收的緣故。

圖3 薄膜平均透過率與本底真空度的關(guān)系

圖4 8.0×10^-3 Pa本底真空度制備薄膜的透過率曲線

　　產(chǎn)生本征吸收的必要條件是光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，即：

hv≥E_g(1)

　　式中：h是普朗克常數(shù)；v是光子頻率；Eg是材料的禁帶寬度。根據(jù)v=cλ，可以得到：

λ≤hc/Eg=1.24/E_g(2)

　　當(dāng)禁帶寬度Eg的單位為eV時(shí)，波長的單位為μm。將AZO薄膜的禁帶寬度Eg≈3.3eV代入(2)式，可得到AZO薄膜產(chǎn)生本征吸收的截止波長：

λc=1.24/3.3≈0.375μm=375nm(3)

　　實(shí)驗(yàn)條件下制備的AZO薄膜產(chǎn)生本征吸收的截止波長出現(xiàn)在約380nm，和理論計(jì)算的結(jié)果相符。

3、結(jié)論

　　1)采用直流磁控濺射法在平板玻璃基體上沉積出了高質(zhì)量的AZO薄膜，隨著本底真空度的提高，薄膜的厚度增加，方塊電阻和透過率降低。

　　2)本底真空度較低時(shí)，其變化對膜層性能的影響較大，隨著本底真空度的提高，其變化對膜層性能的影響變小。

　　3)實(shí)驗(yàn)中制備的薄膜具有較好的透過率，所有樣品在400～1100nm范圍內(nèi)的平均透過率都大于75%。