專利名稱：一種氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透明導(dǎo)電薄膜的制備，特別涉及一種氮(N)摻雜二氧化錫薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
同時(shí)具備透明和導(dǎo)電特性的材料-透明導(dǎo)電氧化物(Transparent ConductingOxides，簡(jiǎn)稱TC0)薄膜，被廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品(如筆記本電腦、手機(jī)等)、太陽(yáng)能電池等行業(yè)中。具有應(yīng)用價(jià)值的透明導(dǎo)電膜，一般認(rèn)為電阻率應(yīng)達(dá)到10_3Q 數(shù)量級(jí)，可見光透射率應(yīng)大于80 %。 經(jīng)過多年的研究，以ZnO、In2O3和SnO2為代表的TCO薄膜得到了實(shí)際應(yīng)用。摻錫In2O3薄膜(ITO)電阻率介于10_3 10_4Q cm，可見光透射率達(dá)85%以上，是目前應(yīng)用最成功的TCO薄膜；鋁摻雜ZnO薄膜(AZO)是氧化鋅系薄膜的代表，其電阻率可低至6. 24X10_4Q cm，可見光透射率大于80 %。目前得到應(yīng)用的SnO2: Sb薄膜，電阻率為9 X Kr4 Q cm，可見光透射率達(dá)80%以上?，F(xiàn)有透明導(dǎo)電薄膜中，ITO薄膜雖然性能優(yōu)良，但由于In元素是稀散金屬元素，資源稀少，價(jià)格昂貴且有毒，可能造成環(huán)境污染；ZnO系薄膜的穩(wěn)定性不佳，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用；與ZnO相比，SnO2具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、耐環(huán)境腐蝕，對(duì)應(yīng)用于光伏組件、有高溫或環(huán)境腐蝕條件下，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前得到應(yīng)用的摻雜SnO2薄膜，摻雜元素主要為Sb、F、Cl、As等。盡管F和Sb摻雜SnO2薄膜具有較好的性能，但F、Sb、Cl等元素具有毒性，污染環(huán)境且制造成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的摻雜SnO2薄膜污染環(huán)境、制造成本高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，可以獲得透明導(dǎo)電薄膜。一種氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，以磁控濺射法制備二氧化錫薄膜，磁控濺射時(shí)，按體積比O2 : N2 = (I 6) (99 94)的比例通入O2和N2的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓< 5Pa。入射功率為100 150W，濺射氣壓I 3Pa。灘射速率為8 15nm/min,時(shí)間為10 30min。磁控濺射時(shí)先以O(shè)2和N2混合氣體對(duì)襯底進(jìn)行5 30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度100 400°C，然后再在襯底上沉積氮摻雜二氧化錫薄膜，厚度為100 300nm。得到氮摻雜二氧化錫薄膜后進(jìn)行退火，退火溫度為300 700°C，退火時(shí)間為20 60min，最后得到透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜。有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)本發(fā)明采用反應(yīng)磁控濺射法制備出氮摻雜SnO2薄膜，制取工藝簡(jiǎn)單易控制，是目前工業(yè)化生產(chǎn)薄膜的基本工藝方法；(2)氮元素來源廣泛，成本低，反應(yīng)產(chǎn)物無毒，對(duì)環(huán)境無污染；(3)通過對(duì)工藝參數(shù)的控制，獲得的透明導(dǎo)電薄膜，電阻率低于2.4X10_3Q cm、可見光透射率大于80%，達(dá)到了商用透明導(dǎo)電薄膜的性能要求。


圖I為采用XPS分析的未摻雜和N摻雜Sn02薄膜的成分圖。從圖中可以看到，N摻雜Sn02薄膜中存在明顯的Nls峰，而未摻雜Sn02薄膜中不存在Nls峰。說明N摻雜進(jìn)入了 Sn02薄膜中。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的氮(N)摻雜二氧化錫薄膜的制備主要是通過磁控濺射制備二氧化錫薄膜，濺射時(shí)通入氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，控制參數(shù)以得到，主要包括以下幾個(gè)步驟A.清洗襯底材料，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺(tái)，安裝在磁控濺射儀濺射室內(nèi)；B.將真空室抽真空6 X KT4Pa以下，按一定體積比(0 : N = (I 6) (99 94))通入O2 (純度99. 99% )和N2 (純度99. 99% )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓在5Pa左右；C.打開射頻電源和燈絲開關(guān)起輝，控制入射功率約100 150W，濺射氣壓約I 3Pa ；D.對(duì)襯底進(jìn)行5 30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度100 400°C ；E.沉積薄膜濺射速率在8 15nm/min，時(shí)間控制在10 30min ;薄膜厚度為100 300nmF.薄膜沉積后退火在一定溫度(300 700°C )、氣氛(氧化、中性或還原)條件下，保溫20 60min ;即可得到透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜。下面通過具體實(shí)施例來說明本發(fā)明。實(shí)施例I 清洗玻璃襯底，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺(tái)，安裝在磁控濺射儀濺射室內(nèi)； 將真空室抽真空6X10_4Pa，按一定體積比0 : N=I : 99通入O2(純度99. 99% )和N2 (純度99. 99% )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓在5Pa ； 打開射頻電源和燈絲開關(guān)起輝，入射功率為120W，濺射氣壓為I. 5Pa ； 對(duì)襯底進(jìn)行30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度400°C ；沉積薄膜派射速率在10 12nm/min,時(shí)間控制在30min ;薄膜厚度為300nm 薄膜沉積后退火在400°C、氧化氣氛條件下，保溫20分鐘；即可獲得了電阻率2. OX 10_3 Q cm、可見光透射率77%、性能穩(wěn)定的透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜。實(shí)施例2I)清洗玻璃襯底，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺(tái)，安裝在磁控濺射儀濺射室內(nèi)；2)將真空室抽真空6X10_4Pa，按一定體積比0 : N = 3 : 97通入O2(純度99. 99% )和N2 (純度99. 99% )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓在5Pa ；3)打開射頻電源和燈絲開關(guān)起輝，入射功率為100W，濺射氣壓為I. 5Pa ；4)對(duì)襯底進(jìn)行30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度400°C ；
5)沉積薄膜濺射速率在8 10nm/min，時(shí)間控制在25min ;薄膜厚度為200nm6)薄膜沉積后退火在500°C、氧化氣氛條件下，保溫40分鐘；即可獲得了電阻率2. 4X KT3Q cm、可見光透射率84%、性能穩(wěn)定的透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜實(shí)施例3I)清洗玻璃襯底，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺(tái)，安裝在磁控濺射儀濺射室內(nèi)；2)將真空室抽真空6X10_4Pa，按一定體積比O : N = 6 : 94通入O2(純度99. 99% )和N2 (純度99. 99% )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓在5Pa ；3)打開射頻電源和燈絲開關(guān)起輝，入射功率為150W，濺射氣壓為I. 5Pa ；4)對(duì)襯底進(jìn)行30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度400°C ；5)沉積薄膜派射速率在10 15nm/min,時(shí)間控制在IOmin ;薄膜厚度為IOOnm6)薄膜沉積后退火在400°C、氧化氣氛條件下，保溫60分鐘；即可獲得了電阻率8. 2X KT3Q cm、可見光透射率86%、性能穩(wěn)定的透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜。實(shí)施例4I)清洗玻璃襯底，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺(tái)，安裝在磁控濺射儀濺射室內(nèi)；2)將真空室抽真空6X10_4Pa，按一定體積比O : N = 3 : 97通入O2(純度99. 99% )和N2 (純度99. 99% )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓在5Pa ；3)打開射頻電源和燈絲開關(guān)起輝，入射功率為150W，濺射氣壓為2Pa ；4)對(duì)襯底進(jìn)行5min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度100°C ；5)沉積薄膜濺射速率在10 15nm/min，時(shí)間控制在20min ;薄膜厚度為200nm6)薄膜沉積后退火在300 0C、中性氣氛條件下，保溫60分鐘；即可獲得了電阻率6.2X10_3Q cm、可見光透射率81%、性能穩(wěn)定的透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜。實(shí)施例5I)清洗玻璃襯底，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺(tái)，安裝在磁控濺射儀濺射室內(nèi)；2)將真空室抽真空6X10_4Pa，按一定體積比O : N = 3 : 97通入O2(純度99. 99% )和N2 (純度99. 99% )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓在5Pa ；3)打開射頻電源和燈絲開關(guān)起輝，入射功率為100W，濺射氣壓為I. 5Pa ；4)對(duì)襯底進(jìn)行30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度400°C ；5)沉積薄膜濺射速率在10 12nm/min，時(shí)間控制在25min ;薄膜厚度為200nm6)薄膜沉積后退火在700°C、氧化氣氛條件下，保溫20分鐘；即可獲得了電阻率5. 2X10_3Q cm、可見光透射率80%、性能穩(wěn)定的透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜。實(shí)施例6I)清洗玻璃襯底，用氮?dú)獯蹈珊笱b入樣品臺(tái)，安裝在磁控濺射儀濺射室內(nèi)；2)將真空室抽真空6X10_4Pa，按一定體積比O : N = 3 : 97通入O2(純度99. 99% )和N2 (純度99. 99% )的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓在5Pa ；3)打開射頻電源和燈絲開關(guān)起輝，入射功率為150W，濺射氣壓為I. 5Pa ；
4)對(duì)襯底進(jìn)行30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度300°C ；
5)沉積薄膜濺射速率在12 15nm/min，時(shí)間控制在25min ;薄膜厚度為250nm6)薄膜沉積后退火在500°C、還原氣氛條件下，保溫40分鐘；即可獲得了電阻率5. 8X10_3Q cm、可見光透射率82%、性能穩(wěn)定的透明導(dǎo)電的
氮摻雜二氧化錫薄膜。
權(quán)利要求
1.一種氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，以磁控濺射法制備二氧化錫薄膜，其特征在于，磁控濺射時(shí)，按體積比O2 : N2 = (I 6) (99 94)的比例通入O2和N2的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓< 5Pa。
2.如權(quán)利要求I所述的氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，其特征在于，入射功率為100 200W，濺射氣壓I 2. 5 Pa。
3.如權(quán)利要求I所述的氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，其特征在于，濺射速率為8 15nm/min,時(shí)間為 10 30min。
4.如權(quán)利要求I所述的氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，其特征在于，磁控濺射時(shí)先 以O(shè)2和N2混合氣體對(duì)襯底進(jìn)行5 30min的預(yù)濺射，并調(diào)節(jié)襯底加熱溫度100 400°C，然后再在襯底上沉積氮摻雜二氧化錫薄膜，厚度為100 300nm。
5.如權(quán)利要求4所述的氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，其特征在于，得到氮摻雜二氧化錫薄膜后進(jìn)行退火，退火溫度為300 700°C，退火時(shí)間為20 60min，最后得到透明導(dǎo)電的氮摻雜二氧化錫薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮摻雜二氧化錫薄膜的制備方法，以磁控濺射法制備二氧化錫薄膜，磁控濺射時(shí)，按體積比O2∶N2＝(1～6)∶(99～94)的比例通入O2和N2的混合氣體，控制濺射室內(nèi)氣壓≤5Pa。本發(fā)明采用反應(yīng)磁控濺射法制備出氮摻雜SnO2薄膜，制取工藝簡(jiǎn)單易控制，是目前工業(yè)化生產(chǎn)薄膜的基本工藝方法；氮元素來源廣泛，成本低，反應(yīng)產(chǎn)物無毒，對(duì)環(huán)境無污染；通過對(duì)工藝參數(shù)的控制，獲得的透明導(dǎo)電薄膜，電阻率低于2.4×10-3Ω·cm、可見光透射率大于80％，達(dá)到了商用透明導(dǎo)電薄膜的性能要求。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102644055SQ20121010387
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者丁嘯雄, 張旭海, 方峰, 蔣建清 申請(qǐng)人:東南大學(xué)