通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法
【专利摘要】本发明是一种通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法，低铟含量氧化铟锡ITO薄膜采用磁控溅射技术制备，所用的靶材为掺Sn量为4-10%wt的ITO陶瓷靶，在其上覆盖直径为1-3cm，厚度为0.3-0.5cm，纯度为99.0-99.99%wt的ZnO陶瓷靶材，在玻璃衬底上制备出低铟含量的高质量ITO透明导电薄膜；锡和锌掺杂量为10%-25%wt，沿（400）面择优取向、膜厚均匀为1300-1800nm，薄膜电阻率为2-9×10-3Ω.cm，透光率>90%；In含量为75%-90%wt。克服通过单一掺杂技术制备ITO薄膜的局限，即Sn的最大掺入量不能超过10%。能够实现电子和空穴有效复合掺杂,大幅度提高掺杂总量，从而降低ITO薄膜的铟含量，实现降低成本和保护资源环境的目的。
【专利说明】通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料制备【技术领域】，具体是一种高掺杂低铟含量ITO薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]氧化铟锡(掺锡氧化铟薄膜，ΙΤ0)作为目前最有商业和技术价值的透明导电氧化物薄膜已被广泛应用于众多高科技领域，近几年来市场需求急剧增加。由于铟属于剧毒的稀有元素，储藏量有限，近年来价格飙升，使得研究降低铟消耗量、寻找ITO替代材料和开发铟的回收及再生技术变得越发重要和紧迫。通常商业用ITO中锡的掺入量通常为4_6%wt，最高不能超过10%wt，否则，由于引入过多载流子使得其迁移率降低，电阻率增加。本发明涉及一种通过大幅度提高掺杂量来有效降低ITO中铟使用量的方法。
【发明内容】
[0003]技术问题:本发明的目的是克服通过单一掺杂技术制备ITO薄膜的局限，即Sn的最大掺入量不能超过10%。提供一种通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法，能够实现电子和空穴有效复合掺杂，大幅度提高掺杂总量，从而降低ITO薄膜的铟含量，实现降低成本和保护资源环境的目的。
[0004]技术方案:为了最大限度地降低ITO薄膜中的铟含量，实现降低成本，保护环境的目标，本发明提供了一种制备通过Sn和Zn复合掺杂制备低铟含量ITO薄膜的方法。本发明的技术方案可根据以下方案实现:
[0005]低铟含量氧化铟锡ITO薄膜采用磁控溅射技术制备，所用的靶材为掺Sn量为4-10%wt的ITO陶瓷靶，在其上覆盖直径为l-3cm，厚度为0.3-0.5cm,纯度为99.0-99.99%wt的ZnO陶瓷靶材，在玻璃衬底上制备出低铟含量的高质量ITO透明导电薄膜；锡和锌掺杂量为10%-25%wt，沿(400)面择优取向、膜厚均匀为1300-1800nm，薄膜电阻率为 2-9 X I(T3 Ω.cm,透光率 >90% ；In 含量为 75%_90%wt。
[0006]该方法主要包含2个步骤:
[0007]a.1TO和ZnO复合靶材的设计:在ITO陶瓷靶上覆盖直径为l_3cm，厚度为
0.3-0.5cmZn0陶瓷靶，ZnO的掺入量通过放置在ITO靶材上ZnO靶的数量和覆盖面积来控制；
[0008]b.高掺杂低铟含量I T O薄膜的制备:采用磁控溅射技术，本底气压
1-7 X KT4Pa ;氧分压1-3 X 10_2Pa，溅射气压0.1-1Pa ；溅射功率100-150w ;加热温度380-420°C;溅射时间20-30mins ;溅射偏压40_50v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，380-420°C保温10-20min，再降到180_200°C保温20_30min后空冷至室温。
[0009]所用的衬底除了玻璃之外 ，还包括硅、石英和三氧化二铝衬底。
[0010]所用ITO靶材中Sn含量为4%_10%wt。
[0011]有益效果:采用本发明提供一种通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法，可以克服通过单一掺杂技术制备ITO薄膜的局限，即Sn的最大掺入量不能超过10%wto通过电子和空穴有效复合掺杂，大幅度提高掺杂总量，从而降低ITO薄膜的铟含量(由单一掺杂时的~90-96%wt,最大降为~75%wt)。
【具体实施方式】
[0012]ITO薄膜制备使用磁控溅射技术，提供电子的掺杂元素采用Sn，提供空穴的掺杂元素采用Zn，靶材采用一定Sn含量的ITO陶瓷靶，在其上对称覆盖一定面积的ZnO陶瓷靶材，通过设计不同的覆盖面积来调控Sn和Zn的复合掺杂量，进而确定ITO薄膜中的In含量。所用的基底材料采用玻璃、硅片、石英玻璃和三氧化二铝。
[0013]本发明的一种通过锡和锌共掺杂制备低铟含量ITO薄膜的方法具体实施分以下个2个步骤:
[0014]a.1TO和ZnO复合靶材的设计:所用的靶材为掺Sn量为4_10%wt的ITO陶瓷靶，在其上覆盖不同尺寸的纯度为99.0-99.99%wt的ZnO陶瓷靶材。
[0015]b.高掺杂低铟含量I T O薄膜的制备:采用磁控溅射技术，本底气压
1-7 X KT4Pa ;氧分压1-3 X 10_2Pa，溅射气压0.1-1Pa ；溅射功率100-150w ;加热温度380-420°C;溅射时间20-30mins ;溅射偏压40_50v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，380-420°C保温10-20min，再降到180_200°C保温20_30min后空冷至室温。
[0016]在玻璃衬底上制备出低铟含量的高质量ITO透明导电薄膜。锡和锌共掺杂量为10%-25%wt，沿(400)面择优取向、膜厚均匀(~1300-1800nm)薄膜电阻率为2_9Χ10-3Ω.cm，透光率>90%。In含量由原来通常的90%_96%wt降为75%_90%wt。
[0017]所用的衬底除了玻璃之外，还包括硅、石英和三氧化二铝衬底。
[0018]实例I未掺杂Zn的ITO薄膜
[0019]实验参数:本底气压5X10_4Pa ;氧分压lX10_2Pa，溅射气压0.1Pa ;溅射功率IlOw ;加热温度385°C;溅射时间20mins ;溅射偏压40v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，380°C保温lOmin，再降到180°C保温20min后空冷至室温。在玻璃衬底上制备出高质量ITO透明导电薄膜，膜厚1400nm，薄膜的透光性在可见光范围为95%，电阻率为~2Χ10-3Ω.cm。
[0020]实例2锡和锌共掺杂量为10%wt的ITO薄膜
[0021]实验参数:本底气压7X10_4Pa ;氧分压2X10_2Pa，溅射气压0.2Pa ;溅射功率150w ;加热温度390°C;溅射时间25mins ;溅射偏压40v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，390°C保温15min，再降到190°C保温25min后空冷至室温。在玻璃衬底上制备出低铟含量的高质量ITO透明导电薄膜，膜厚1600nm，薄膜的透光性在可见光范围为92%，，电阻率为~8Χ10-3Ω.cm。
[0022]实例3锡和锌共掺杂量为15%wt的ITO薄膜
[0023]实验参数:本底气压6X KT4Pa ;氧分压3X10_2Pa，溅射气压0.2Pa ;溅射功率150w ;加热温度390°C;溅射时间25mins ;溅射偏压40v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，390°C保温15min，再降到190°C保温25min后空冷至室温。在硅衬底上制备出低铟含量的高质量ITO导电薄膜，膜厚1800nm，电阻率为~6 X 10_3 Ω.cm。
[0024]实例4锡和锌共掺杂量为20%wt的ITO薄膜[0025]实验参数:本底气压4X KT4Pa ;氧分压2X10_2Pa，溅射气压0.2Pa ;溅射功率150w ;加热温度390°C;溅射时间25mins ;溅射偏压40v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，390°C保温15min，再降到190°C保温25min后空冷至室温。在石英衬底上制备出低铟含量的高质量ITO导电薄膜，膜厚1600nm，薄膜的透光性在可见光范围为91%，电阻率为~5 X 10 3 Ω.cm。
[0026]实例4锡和锌共掺杂量为22%wt的ITO薄膜[0027]实验参数:本底气压2X10_4Pa ;氧分压3X10_2Pa，溅射气压0.2Pa ;溅射功率120w ;加热温度390°C;溅射时间25mins ;溅射偏压40v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，380°C保温15min，再降到190°C保温25min后空冷至室温。在氧化铝衬底上制备出低铟含量的高质量ITO导电薄膜，薄膜的透光性在可见光范围为93%，膜厚1500nm，电阻率为~4 X 10 3 Ω.cm。
[0028]实例5锡和锌共掺杂量为25%wt的ITO薄膜
[0029]实验参数:本底气压4X KT4Pa ;氧分压2X10_2Pa，溅射气压0.2Pa ;溅射功率140w ;加热温度390°C;溅射时间25mins ;溅射偏压40v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，385°C保温15min，再降到190°C保温25min后空冷至室温。在氧化铝衬底上制备出低铟含量的高质量ITO导电薄膜，膜厚1600nm，薄膜的透光性在可见光范围为90%，电阻率为~9 X 10 3 Ω.cm。
【权利要求】
1.一种通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法，其特征在于:低铟含量氧化铟锡ITO薄膜采用磁控溅射技术制备，所用的靶材为掺Sn量为4-10%wt的ITO陶瓷靶，在其上覆盖直径为l_3cm，厚度为0.3-0.5cm,纯度为99.0-99.99%wt的ZnO陶瓷靶材，在玻璃衬底上制备出低铟含量的高质量ITO透明导电薄膜；锡和锌掺杂量为10%-25%wt，沿(400)面择优取向、膜厚均匀为1300-1800nm，薄膜电阻率为2-9X 10-3 Ω.cm，透光率>90% ；In 含量为 75%-90%wt。
2.根据权利要求1所述的通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法，其特征在于，该方法主要包含2个步骤: a.1TO和ZnO复合靶材的设计:在ITO陶瓷靶上覆盖直径为l_3cm，厚度为0.3-0.5cmZnO陶瓷靶，ZnO的掺入量通过放置在ITO靶材上ZnO靶的数量和覆盖面积来控制； b.高掺杂低铟含量IT O薄膜的制备:采用磁控溅射技术，本底气压1-7 X KT4Pa ;氧分压1-3X 10_2Pa，溅射气压0.1-1Pa ;溅射功率100_150w ;加热温度380_420°C ;溅射时间20-30mins ;溅射偏压40_50v，样品的退火工艺为:氧气和氩气混合气氛下，380_420°C保温10-20min，再降到180_200°C保温20_30min后空冷至室温。
3.根据权利要求1所述的通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法，其特征在于所用的衬底除了玻璃之外，还包括硅、石英和三氧化二铝衬底。
4.根据权利要求1所 述的通过锡和锌共掺杂制备低铟含量氧化铟锡薄膜的方法，其特征在于所用ITO靶材中Sn含量为4%-10%wt。
【文档编号】C23C14/08GK103526173SQ201310528453
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】郭新立, 贵宾华, 黄瑛, 刘建双 申请人:东南大学