專利名稱：一種透明導電金屬薄膜及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于透明導電膜光電技術領域，具體涉及一種透明導電金屬薄膜及其制備 方法。
背景技術：
在近幾年，透明導電薄膜的制備得到了極大的發(fā)展，稱為半導體技術領域的研究 熱點之一。透明導電薄膜是一類禁帶寬度在3. OeV左右的寬禁帶半導體，經(jīng)過元素摻雜 使得電阻率處在10_4 10_3Qcm的材料，這類材料對可見光的透光率在85%左右，使得 它們可以作為硅太陽能電池的上電極；還可以用于液晶顯示，電致發(fā)光領域中作為透明 電極(詳見參考文獻 1 :0. Nakagawa, Y. Kishimoto, H. Seto, Y. Koshido, Y. Yoshino, and Τ. Makino，Appl. Phys. Lett. 89,091904(2006)中)。當前 Sn 摻雜的 In2O3 膜(簡稱為 ΙΤ0) 已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，但是由于h資源的稀缺，使得M2O3膜的價格不斷上漲。目前的研 究多致力于尋找性能與ITO接近的其他較為廉價的材料，如Sn02，ZnO, CdO, TiO2, CdIn2O4， CdSnO4等體系。但是需要在較高的基片溫度下，或者厚度較大時，才能達到這樣的性能。 因此，室溫條件下制備低電阻率和高透光率的薄膜，依然是當前的研究目標。同時，對于摻 雜半導體，過高的載流子濃度，將使得電子之間的散射增強，同時會降低材料中電子的遷移 率，如參考文獻2 :H. Han, N. D. Theodore and Τ. L. Alford,J. Appl. Phys. 103,013708(2008) 中記載。為此一部分人開始以半導體薄膜中間插入金屬層(Ag，Cu，Pt)的方式，在不犧牲透 光率的基礎上，降低材料的電阻率。參考文獻2和參考文獻3 :C.Guill6n and J. Herrero, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92,938(2008)和參考文獻中可知薄膜在可見光范圍內(nèi)僅具 有60%左右的透光率。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有透明導電薄膜的制備的困難與性能的不足，本發(fā)明提出一種透明導電金 屬薄膜及其制備方法，通過磁控濺射方法，制備出厚度在納米量級的Cu薄膜，然后在空氣 中靜置氧化，獲得了電阻率在5. 2X 10_5 3. 5X 10_4 Ω cm,透光率在32 85%的薄膜。本發(fā)明提出一種透明導電金屬薄膜，該薄膜的材料為非晶態(tài)的金屬銅，該透明導 電金屬薄膜厚度為 30nm，電阻率為5. 2 X 10_5 3. 5 X 10_4 Ω cm,透光率為32 % 85 %， 當該透明導電金屬薄膜厚度優(yōu)選為7 12nm時，其透光率高達78 85%。所述的透明導 電金屬薄膜具有雙層結構，內(nèi)層為純金屬Cu層，外層是氧吸附層，厚度穩(wěn)定在3 5nm，氧吸 附層的厚度不隨透明導電金屬薄膜整體厚度的增加而增加。本發(fā)明還提出一種透明導電金屬薄膜的制備方法，具體包括以下幾個步驟步驟一準備基片，將基片先使用丙酮超聲清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液 (分析醇)超聲清洗IOmin以上，吹干。所述的丙酮超聲清洗和乙醇溶液超聲清洗各洗一遍 以上。所述的基片為7095玻璃基片、石英基片或NaCl單晶基片，基片的厚度為0. 5
步驟二將基片固定在磁控濺射儀的樣品臺上，然后將樣品臺放入磁控濺射儀的真空室。步驟三將Cu靶(純度大于等于99. 99% )放入真空室，固定在靶位上。步驟四將磁控濺射儀的真空室抽真空，當真空室的真空度達到預定值4.0 5. OX 后，向真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在1. 0 3. 5Pa,打開 射頻電源加電壓300 500V，開始沉積。步驟五控制沉積時間達到28 120s后，停止沉積，制備出透明導電金屬薄膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置3 20h，溫度穩(wěn)定在10 30°C，完成氧化處理。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明提出一種透明導電金屬薄膜，該薄膜具有特殊的表層結構即氧吸附層， 厚度為3 5nm。使表面反射率遠遠地低于普通金屬Cu (95% )，反射率約在13 32%。2、本發(fā)明提出一種透明導電金屬薄膜，該薄膜的透光率較高，當薄膜厚度在7 12nm時，透光率高達78 85%。3、本發(fā)明提出一種透明導電金屬薄膜，該薄膜的電阻率低，僅為5.2X10—5 3. 5Χ1(Γ4Ωοιι。4、本發(fā)明提出一種透明導電金屬薄膜，制備工藝簡單，易于實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。


圖1 本發(fā)明提出的一種透明導電金屬薄膜的厚度、透光率和光波波長的關系曲 線圖；圖2 本發(fā)明提出的一種透明導電金屬薄膜的電阻率、遷移率和載流子濃度隨薄 膜厚度的變化曲線；圖3 本發(fā)明提出的一種透明導電金屬薄膜的厚度為7nm和12nm時薄膜成分隨表 層深度的變化圖；圖4:本發(fā)明提出的一種透明導電金屬薄膜的厚度、反射率和光波波長的關系曲 線圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體實施實例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明提出一種透明導電金屬薄膜，該薄膜的材料為非晶態(tài)的金屬銅，該透明導 電金屬薄膜厚度為7 30nm，優(yōu)選為7 12nm，電阻率為5. 2 X 10_5 3. 5 X 10_4 Ω cm,透光 率為32% 85%，具有雙層結構，內(nèi)層為純金屬Cu層，外層是氧吸附層，厚度穩(wěn)定在3 5nm，氧吸附層的厚度不隨透明導電金屬薄膜整體厚度的增加而增加。本發(fā)明還提出一種透明導電金屬薄膜的制備方法，通過磁控濺射方法制備，具體 包括以下幾個步驟步驟一準備基片，將基片先使用丙酮超聲清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液 (分析醇)超聲清洗IOmin以上，吹干。所述的丙酮超聲清洗和乙醇溶液超聲清洗各洗一遍以上所述的基片為7095玻璃基片、石英基片或NaCl單晶基片，基片的厚度為0. 5 2mm ο步驟二 將基片固定在磁控濺射的樣品臺上，放入磁控濺射儀的真空室。步驟三將Cu靶(純度大于等于99. 99% )放入真空室，固定在靶位上。步驟四將磁控濺射儀抽真空，當真空室的真空度達到預定值4. 0 5. OX 10_4Pa 后，向真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在1. 0 3. 5Pa，打開射頻電源加 電壓300 500V，開始沉積。步驟五控制沉積時間達到28 120s后，停止沉積，制備出透明導電金屬薄膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置3 20h，溫度穩(wěn)定在10 30°C，完成氧化處理。制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，如圖1和圖2所示，當光波波長為 560nn時，該透明導電金屬薄膜的厚度為7 30nm，透光率高達32 85%，反射率為13 32%。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行電阻率測試，如圖2，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄膜 的薄膜電阻率為5. 2 X Kr5 3. 5 X Kr4 Ω cm。實施例1 制備厚度為7nm的Cu誘明導電薄膜。步驟一準備7095玻璃基片，先使用丙酮超聲清洗IOmin后，吹干，再用乙醇溶液 (分析醇)超聲清洗lOmin，吹干。步驟二 將基片固定在磁控濺射的樣品臺上，放入磁控濺射儀的真空室。步驟三將Cu靶(純度99. 99% )放入真空室，固定在靶位上。步驟四將磁控濺射儀抽真空，當真空室的真空度達到預定值5. OX KT4Pa后，向 真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在3. 5Pa,打開射頻電源加電壓300V，開 始沉積。步驟五控制沉積時間達到28s后，停止沉積，制備出厚度為7nm的透明導電金屬薄膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置池，溫度穩(wěn)定在10°C，完成氧化處理。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，當光波波長為560nm時，該透 明導電金屬薄膜的透光率高達85%，如圖1。同時利用AES進行了薄膜厚度方向的成分分 析，可以看到在薄膜表面向內(nèi)的O 3nm的范圍內(nèi)有吸附氧存在，吸附氧層的厚度為3nm，見 附圖3。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行電阻率測試，如圖2，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄 膜的薄膜電阻率為3. 5 X 10_4 Ω cm,遷移率為9. 3cm2/Vs,載流子濃度為1. 9 X IO21cnT3，如此 高的載流子濃度說明該透明導電金屬薄膜是金屬態(tài)的。實施例2 制備厚度為12nm的Cu透明導電薄膜。步驟一將石英基片先使用丙酮超聲清洗IOmin后吹干，再用丙酮超聲清洗 lOmin，吹干；再用乙醇溶液(分析醇)超聲清洗IOmin后吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超 聲清洗IOmin后吹干。步驟二 將清洗后的基片固定在磁控濺射的樣品臺上，放入磁控濺射儀的真空室。
步驟三將Cu靶(純度大于等于99. 99% )放入真空室，固定在靶位上。步驟四將磁控濺射儀抽真空，當真空室的真空度達到預定值4. OX 10_4Pa后，向 真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在l.OPa，打開射頻電源加電壓500V，開 始沉積。步驟五控制沉積時間達到40s后，停止沉積，制備出厚度為12nm的透明導電金屬薄膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置15h，溫度穩(wěn)定在15°C，完成氧化處理。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，當光波波長為560nm時，該透 明導電金屬薄膜的透光率高達78%，如圖1。同時利用AES進行了薄膜厚度方向的成分分 析，可以看到在薄膜表面向內(nèi)的O 3nm的范圍內(nèi)有吸附氧存在，深度超過3nm時氧含量極 低可以忽略不計。吸附氧層的厚度為3nm，如圖3。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行電阻率測試，如圖2，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄 膜的薄膜電阻率為6. 7 X 10_5 Ω cm，遷移率為1. 44cm2/VS，載流子濃度為6. 6 X 1022cm_3，如此 高的載流子濃度說明該透明導電金屬薄膜是金屬態(tài)的。實施例3 制備厚度為15nm的Cu透明導電薄膜。步驟一將石英基片先使用丙酮超聲清洗IOmin后吹干，再用丙酮超聲清洗 lOmin，吹干；再用乙醇溶液(分析醇)超聲清洗IOmin后吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超 聲清洗IOmin后吹干。步驟二 將清洗后的基片固定在磁控濺射的樣品臺上，放入磁控濺射儀的真空室。步驟三將Cu靶(純度等于99. 99% )放入真空室，固定在靶位上。步驟四將磁控濺射儀抽真空，當真空室的真空度達到預定值4. OX 10_4Pa后，向 真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在3. OPa，打開射頻電源加電壓420V，開 始沉積。步驟五控制沉積時間為57s，制備出厚度為15nm透明導電金屬薄膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置15h，溫度穩(wěn)定在20°C，完成氧化處理。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，當光波波長為560nm時，發(fā)現(xiàn) 該透明導電金屬薄膜的透光率高達68%，如圖1。同時利用AES進行了薄膜厚度方向的成分 分析，可以看到在薄膜表面向內(nèi)的O 5nm的范圍內(nèi)，有吸附氧存在，吸附氧層厚度為5nm。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行電阻率測試，如圖2，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄 膜的薄膜電阻率為6. lX10_5Qcm，遷移率為1. 7cm2/VS，載流子濃度為6. 2X 1022cm_3。實施例4 制備厚度為30nm的Cu透明導電薄膜。步驟一將石英基片先使用丙酮超聲清洗20min后吹干，再用丙酮超聲清洗 20min，吹干；再用乙醇溶液(分析醇)超聲清洗20min后吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超 聲清洗20min后吹干。步驟二 將清洗后的基片固定在磁控濺射的樣品臺上，放入磁控濺射儀的真空室。步驟三將Cu靶(純度等于99. 99% )放入真空室，固定在靶位上。步驟四將磁控濺射儀抽真空，當真空室的真空度達到預定值4. OX 10_4Pa后，向真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在l.OPa，打開射頻電源加電壓360V，開 始沉積。步驟五控制沉積時間為120s后，停止沉積，制備出厚度為30nm透明導電金屬薄膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置20h，溫度穩(wěn)定在30°C，完成氧化處理。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，當光波波長為560nm時，發(fā)現(xiàn) 該透明導電金屬薄膜的透光率高達32%，如圖1。同時利用AES進行了薄膜厚度方向的成 分分析，可以看到在薄膜表面O 3nm的范圍內(nèi)，有吸附氧存在，為吸附氧層，厚度為3nm。 將制備得到的透明導電金屬薄膜進行電阻率測試，如圖2，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄膜的薄膜 電阻率為5. 2 X IO"5 Ω cm0實施例5 制備厚度為9nm的Cu誘明導電薄膜。本實施例與實施例4的區(qū)別僅在于步驟五和步驟六，分別為步驟五控制沉積時間為3 后，停止沉積，制備出厚度為9nm透明導電金屬薄膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置他，溫度穩(wěn)定在12°C，完成氧化處理。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，如圖1，當光波波長為560nm 時，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄膜的透光率高達80 %。實施例6 制備厚度為20nm的Cu透明導電薄膜。本實施例與實施例4的區(qū)別僅在于步驟五和步驟六，分別為步驟五控制沉積時間為76s后，停止沉積，制備出厚度為20nm透明導電金屬薄 膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置10h，溫度穩(wěn)定在^°C，完成氧化處理。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，當光波波長為560nm時，發(fā)現(xiàn) 該透明導電金屬薄膜的透光率高達50%。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行電阻率測 試，如圖2，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄膜的薄膜電阻率為5.8X10_5Qcm。實施例7 制備厚度為25nm的Cu透明導電薄膜。本實施例與實施例4的區(qū)別僅在于步驟五和步驟六，分別為步驟五控制沉積時間為％s后，停止沉積，制備出厚度為25nm透明導電金屬薄 膜。步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置18h，溫度穩(wěn)定在25°C，完成氧化處理。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行透光率測試，當光波波長為560nm時，發(fā)現(xiàn) 該透明導電金屬薄膜的透光率高達42%。將制備得到的透明導電金屬薄膜進行電阻率測 試，如圖2，發(fā)現(xiàn)該透明導電金屬薄膜的薄膜電阻率為5. 7X10_5Qcm。
權利要求
1.一種透明導電金屬薄膜，其特征在于所述的透明導電金屬薄膜的材料為非晶態(tài)的 金屬銅，厚度為 30nm。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種透明導電金屬薄膜，其特征在于所述的透明導電金屬 薄膜具有雙層結構，外層是氧吸附層，厚度為3 5nm，內(nèi)層為純金屬Cu層。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種透明導電金屬薄膜，其特征在于所述的透明導電金屬 薄膜的電阻率為5. 2 X Kr5 3. 5 X Kr4 Ω cm,透光率為32 85 %。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的一種透明導電金屬薄膜，其特征在于所述的透明 導電金屬薄膜的厚度為7 12nm，透光率為78 85%。
5.一種透明導電金屬薄膜的制備方法，其特征在于包括以下幾個步驟步驟一準備基片并清洗基片；步驟二 將基片固定在磁控濺射的樣品臺上，放入磁控濺射儀的真空室；步驟三將Cu靶放入真空室，固定在靶位上；步驟四將磁控濺射儀的真空室抽真空，當真空室的真空度達到預定值4.0 5. OX 后，向真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在1. 0 3. 5Pa,打開 射頻電源加電壓300 500V，開始沉積；步驟五控制沉積時間達到28 120s后，停止沉積，制備出透明導電金屬薄膜；步驟六將制備出的透明導電金屬薄膜在空氣中靜置3 20h，溫度穩(wěn)定在10 30°C， 完成氧化處理。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種透明導電金屬薄膜的制備方法，其特征在于所述的基 片為7095玻璃基片、石英基片或NaCl單晶基片。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種透明導電金屬薄膜的制備方法，其特征在于所述的步 驟一中清洗基片具體為將基片先使用丙酮超聲清洗并吹干，再用乙醇溶液超聲清洗并吹 干。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種透明導電金屬薄膜的制備方法，其特征在于所述的丙 酮超聲清洗和乙醇溶液超聲清洗各洗一遍以上。
9.根據(jù)權利要求5 8任意一項所述的一種透明導電金屬薄膜的制備方法，其特征在 于所述的基片的厚度為0. 5 2mm。
全文摘要
本發(fā)明提出一種透明導電金屬薄膜及其制備方法，通過磁控濺射方法，該薄膜的材料為非晶態(tài)的金屬銅，該透明導電金屬薄膜厚度為7～30nm，電阻率為10-5～10-4Ωcm。當透明導電金屬薄膜優(yōu)選為7～12nm時，透光率高達78～85％。該透明導電金屬薄膜具有雙層結構，最外層是氧吸附層，厚度穩(wěn)定在3～5nm，氧吸附層的厚度不隨透明導電金屬薄膜整體厚度的增加而增加，使得透明導電金屬薄膜在可見光范圍內(nèi)，反射率降低，透光率增大。
文檔編號C23C14/14GK102051578SQ20111002311
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權日2011年1月20日
發(fā)明者李穎, 畢曉昉, 黃欽 申請人:北京航空航天大學