射频磁控溅射沉积CuAlO2薄膜的工艺优化与性能研究

摘要

CuAlO2是一种具有较好的电导率和较高的透光性的半导体材料，广泛应用于光电子领域。但是其电导率相较于n型TCO材料仍然低了许多，提高CuAlO2的电导率成为了近年来研究的重点。本文采用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备CuAlO2薄膜。通过X射线衍射仪对制备的样品进行物相分析;用扫描电镜(SEM)对样品表面形貌进行分析;用紫外-可见光分光光度计测试薄膜的可见透光率，对不同氧氩比、衬底温度和退火温度制备的薄膜样品进行了DSC和热容测试。得到以下结论:
　　1)在氧氩比为1∶4、溅射气压为1Pa、溅射功率为120w、退火温度为900℃、退火时间为2h的条件下，不同的衬底温度会对薄膜的微观组织和光学性能产生一定影响。衬底温度低于300℃时，薄膜的衍射峰很低，没有出现明显的晶粒边界。衬底温度为400℃和500℃时，薄膜出现了(006)、(101)等衍射峰，晶粒大小均匀，薄膜表面致密平整。薄膜的平均透射率都较高，最高达到79.8％。薄膜的吸收峰向短波长方向移动，发生了蓝移现象。
　　2)在衬底温度为400℃、溅射气压为1Pa、溅射功率为120w、退火温度为900℃、退火时间为2h的条件下，随着反应气体中氧气含量的增加，薄膜的(006)、(101)和(012)衍射峰逐渐加强;薄膜的光学透过性也表现出先增加后减小的现象。氧气含量高于40％时，薄膜出现了CuO杂相。
　　3)在衬底温度为400℃、氧氩比为1∶4、溅射功率为120w、退火温度为900℃、退火时间为2h、溅射气压为1～4Pa的条件下，CuAlO2薄膜只出现了(101)和(104)的衍射峰;随着溅射气压的增大，薄膜的晶粒尺寸先增加后减小，溅射气压过大，表面开始出现微裂痕;薄膜在可见过区域的平均透射率都比较高，但是在2Pa时是最高的，达到74.6％。
　　4)在衬底温度为400℃、氧氩比为1∶4、溅射气压为2Pa、溅射功率为120w，当退火温度逐渐从800℃上升到900℃时，薄膜的(101)衍射峰逐渐增强，退火温度为900℃时达到最强。但是温度升高到950℃时，薄膜开始出现脱落现象。退火温度为900℃平均透射率最高为74.7％，对应的禁带宽度为3.60eV
　　5)在衬底温度为400℃、氧氩比为1∶4、溅射气压为2Pa、溅射功率为120w、退火温度为900℃、退火时间为2h时，CuAlO2薄膜(101)的衍射峰最强。火时间继续延长时，薄膜的衍射峰逐渐消失;薄膜在可见光范围内的平均透射率没有明显的变化。
　　6)综上所述，制备CuAlO2薄膜的最优工艺条件为:氧氩比为1∶4、溅射气压为2Pa、衬底温度为400℃;最优退火工艺条件为:退火温度为900℃、退货时间为2h。
　　7)不同的氧氩比和衬底温度对薄膜的热稳定性的影响不是很大:在氮气气氛中CuAlO2薄膜在900℃以下，DSC曲线没出现反应峰;900℃以上，DSC曲线出现反应峰;样品在50～298℃热容缓慢增加;样品热容曲线连续平滑，没有发生异常变化。
　　8)不同的退火温度对薄膜的热稳定性有一定的影响:退火温度为1000℃时，样品在25～1050℃的DSC曲线上都没出现反应峰;退火温度为900℃时，样品在900℃以下没出现反应峰，900℃以上出现一个微弱的反应峰。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 透明导电氧化物的研究背景

1．2 CuAlO2薄膜国内外研究现状

1．3 CuAlO2薄膜的制备方法

1．3．1 真空蒸发法

1．3．2 磁控溅射法

1．3．3 脉冲激沉积光法

1．3．4 化学气相沉积法

1．3．5 溶胶-凝胶法

1．4 CuAlO2的基本结构

1．5 本文的研究内容

第二章 CuAlO2薄膜的制备方法及表征手段

2．1 薄膜的制备

2．1．1 衬底及靶材的清洗

2．1．2 薄膜制备过程

2．1．3 薄膜的退火处理

2．2 CuAlO2薄膜的表征方法

2．2．1 相结构分析

2．2．2 形貌分析

2．2．3 光学性能分析

2．2．4 差示扫描量热分析

第三章 溅射镀膜工艺对薄膜形貌及性能的影晌

3．1 衬底温度的影响

3．1．1 XRD谱的变化

3．1．2 表面形貌的变化

3．2．3 透光性能的变化

3．2 氧氩比的影响

3．2．1 XRD谱的变化

3．2．2 表面形貌的变化

3．2．3 透光性能的变化

3．3 气压的影响

3．3．1 XRD谱的变化

3．3．2 表面形貌的变化

3．3．3 透光性能的变化

3．4 本章小结

第四章 退火工艺对薄膜性能的影响

4．1 退火温度的影响

4．1．1 XRD谱的变化

4．1．2 透光性能的变化

4．2 退火时间的影响

4．2．1 XRD谱的变化

4．2．2 透光性能的变化

4．3 本章小结

第五章 CuAlO2薄膜热稳定性分析

5．1 氧氩比对薄膜热稳定性的影响

5．1．1 DSC曲线

5．1．2 热容

5．2 衬底温度对薄膜热稳定性的影晌

5．2．1 DSC曲线

5．2．2 热容

5．3 退火温度对薄膜热稳定性的影响

5．4 本章小结

全文总结

论文创新点

有待进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢