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波長范圍內透過率的影響。結果表明：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，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)等領域。ITO(In2O3：Sn)薄膜是目前制備技術最成熟、應用最廣泛的TCO薄膜，但是它存在一些缺點：In材料有毒，對人體有害；In2O3價格昂貴，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，透過率會迅速降低，且在氫等離子體中不穩定。這些缺點在很大程度上限制了其進一步的應用和研究。

　　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定性以及價格便宜等優點，成為了研究熱點，是替代ITO薄膜的首選，其中的摻鋁氧化鋅薄膜(AZO)被廣泛應用于太陽電池。AZO薄膜的制備方法有多種，其中的磁控濺射法由于具有設備成熟、制程控制精確、易于實現大面積高速沉積等優點，成為人們首選的制備技術。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道。

1、實驗

　　采用JGP450型磁控濺射設備制備AZO薄膜。靶材是含1.5%(質量分數)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。磁控濺射工藝參數為：靶基距90mm，濺射功率1kW，濺射時間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，制備四個樣品。沉積薄膜前先進行10min的預濺射過程，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(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，薄膜厚度受本底真空度影響顯著，當本底真空度從8.0×10^-3 Pa提高至6.0×10^-3 Pa時，薄膜厚度從56.54nm增加到80.23nm，厚度增加值達到23.69nm；在較高的本底真空度范圍內，薄膜厚度受本底真空度的影響較低，當本底真空度從4.0×10^-3 Pa提高至2.0×10^-3 Pa時，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，真空室的內腔壁和邊角吸附了大量的雜質殘余氣體，當濺射開始時，由于輝光放電的加熱作用，雜質殘余氣體從真空室內腔壁和邊角處脫附出來，導致濺射效率較低；氬氣流量不變時，雜質殘余氣體分子的存在導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殘余氣體分子或原子轉移，當電子再與氬氣原子發生非彈性碰撞時，因能量不足以使氬原子電離，致使離化率降低，同時被離化的氬離子在電場作用下向陰極靶材遷移時發生碰撞的概率增加，因而氬離子能量降低和發生散射的概率增加；以上綜合作用使得濺射效率低，膜層較薄。因此在一定范圍內提高本底真空度，有助于提高濺射效率，達到增加薄膜厚度的目的。由圖1可見，當達到4×10^-3 Pa后，本底真空度對濺射效率的影響已經較小，膜層厚度趨于穩定。

圖1 薄膜厚度與本底真空度的關系

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，薄膜的方塊電阻達到1975.8Ω/□；隨著本底真空度的提高，薄膜的方塊電阻逐漸下降，導電性能逐漸增強，當本底真空度提高到2×10^-3 Pa時，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，導致主要以氧空位作為導電機制的AZO薄膜導電能力下降；另一方面，雜質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，與雜質殘余氣體分子發生碰撞，能量進一步降低，因此到達基體表面的部分膜層原子沒有足夠的能量進行遷移，使得薄膜晶化程度較低，導電能力隨之較低，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，實驗中僅引入氬氣作為濺射氣體，沒有引入反應氣體氧氣，在低本底真空度條件下，真空室內存在大量含氧的水汽等雜質氣體，使得薄膜中的氧含量較高，因此透過性較好。此外，本底真空度發生變化對雜質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，薄膜的透過率急劇下降。這是由于AZO薄膜本身是一種半導體材料，在該波段，AZO薄膜會產生本征吸收的緣故。

圖3 薄膜平均透過率與本底真空度的關系

圖4 8.0×10^-3 Pa本底真空度制備薄膜的透過率曲線

　　產生本征吸收的必要條件是光子能量大于半導體的禁帶寬度，即：

hv≥E_g(1)

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

λ≤hc/Eg=1.24/E_g(2)

　　當禁帶寬度Eg的單位為eV時，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薄膜產生本征吸收的截止波長：

λc=1.24/3.3≈0.375μm=375nm(3)

　　實驗條件下制備的AZO薄膜產生本征吸收的截止波長出現在約380nm，和理論計算的結果相符。

3、結論

　　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，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)實驗中制備的薄膜具有較好的透過率，所有樣品在400～1100nm范圍內的平均透過率都大于75%。