关键词：ZAO薄膜,电子束蒸发沉积,正交试验

中图分类号：TN304.055 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)07-0056-04

1 引言

正交实验的科学性主要表现在它的均衡分散性和整齐可比性。正交试验能全面地考察各因素间的相互关系、量化它们之间相互影响的大小以及揭示因素之间的内在联系，从而使实验设计人员研究问题时充分考虑因素影响的实质,有助于后续试验设计中突出重点,减少试验工作量。正交试验可通过数理统计的方法，预计所选择的方案所能获得的结果,充分估计显著影响因素。在EBED沉积ZAO薄膜预实验中，影响薄膜性能的因素较多：（1）根据经典薄膜的形成理论[1]，薄膜的厚度将影响基片到真空的温度场的分布和薄膜的微观结构，是导致薄膜产生晶界和缺陷的重要因素。EBED镀制的ZAO薄膜处于介稳态，薄膜体内存在着大量的缺陷（氧空位、Al杂质），晶界和缺陷将与薄膜的光学和电学的性能有着密切的联系[2]。（2）沉积速率是单位时间内薄膜沉积的厚度，与薄膜的生长存在着密切的关联。（3）基片温度是薄膜生长的一个重要工艺参数，它对薄膜生长过程中的蒸发原子的粘附系数有影响，薄膜的微观结构强烈地依赖于基片的温度控制。此外，由于基片和薄膜材料的热膨胀系数不同，在薄膜冷却过程中将产生内应力，基片的温度对薄膜的附着性也是一个重要的影响参数。（4）掺杂量是重点考察因素。ZnO薄膜容易产生缺陷和进行掺杂，Al 3+的引入将在ZnO中产生施主能级，增加载流子浓度，改善薄膜的导电和性能。同时Al3+的引入使晶格参数和晶格驰豫发生变化，对薄膜的光学性能和获得良好性能的透明导电薄膜也有重要的影响。

2 仪器及测试

本试验在ZZS700-6/G型真空镀膜机上进行，压强控制在10－3Pa级别，在蒸镀时，压强随着沉积速率有所变化；基片材料为普通Na玻璃，用丙酮擦拭，无水酒精清洗，再通热风吹干；膜料采用 ZnO和Al2O3烧结而成的块材，Al 2O3的质量百分比为1％，1.5％和2.5％；采用XTC-2型石英晶体振荡膜厚监控仪实时监控薄膜的质量厚度和沉积速率，石英晶体探头距蒸发源50cm，距离基片为 5cm；基片加热采用碘钨灯加热烘烤，温度可调；真空测量，在低真空时采用热电偶真空管测得，在高真空时采用电离真空计测得。

对薄膜的光学性能和电学性能进行检测，光学性能在721型分光光度计上测量薄膜的透射率（λ＝540nm）；电学性能用SDY-5型双电测四探针测试仪测量薄膜的电阻率。

3 试验方法设计

本实验的目的是找出采用电子束蒸发制备透明导电ZAO薄膜的工艺参数，因此考核的指标为电阻率和透射率，电阻率尽量低，透射率尽量高。实验根据经验选择三个因数（薄膜厚度、沉积速率、基片温度）作为考察因数；根据不同的掺杂百分比安排三组试验，掺杂2.5％试验安排如表1，2，3。

各个因素对电导率和透射率的影响的“主→ 次”关系为：沉积厚度→温度→沉积速度。

4 试验结果分析

由级差分析可知，电阻率的方案为 A3B2C2，具体内容是：沉积厚度为1000 nm、温度为250℃、沉积速度为1.0 nm/s；透射率的方案为A1B2C 2(C1)，具体内容是：沉积厚度为600 nm、温度为250℃、沉积速度为0.5 nm/s或者1.0 nm/s。

4.1 因素对电学性能的影响
沉积厚度对薄膜性能的影响可以用尺寸效应解释，即薄膜的厚度与载流子的平均自由程相近或者相当时，由于界面的散射作用，表观的平均自由程变小了，电阻率将增大[1]。从公式

ρ=1/σ=1/nqμ(1)

其中ρ为电阻率，σ为电导率， n为载流子浓度，μ为载流子迁移率。可以看出，电导率的增加直接的原因是载流子浓度和迁移率的增加。

薄膜厚度d的增加有利于薄膜晶体结构的改善；d越大，薄膜的结晶程度越高；晶粒的尺度越大，晶界的数量将减小（参见）。

基片温度对薄膜电学性能的影响也是非常重要的（参见）。从极差分析可以看出，沉积厚度和沉积温度的极差是分别为4.70×10 -2Ω·cm和4.34×10-2Ω·cm，远大于沉积速度0.16×10 -2Ω·cm。基片温度T对载流子浓度有密切[3]的关系。可知当温度增加时电阻率先下降，当达到250℃左右后温度再增加电阻率反而上升。这种影响分为两个阶段：前阶段，由于温度低，生长的薄膜的晶粒小，晶界的数量多，晶界的散射非常的严重[4] ，载流子的迁移困难，随着温度的上升，晶粒的尺寸将增大，晶界将减少，散射也将变弱，载流子的迁移率将增大；后阶段，AZO薄膜的导电性与Al3+ 的掺杂和O2-的缺位有很重要的关系，温度升高，薄膜的表面迁移将增大，形成稳定的Al2O 3相的机会将增大，这样将减少O2-的缺位，载流子的浓度将下降，电阻率增大。

在实验中沉积速度的极差较小，相对而言是次要的影响因数，选择适当的沉积速率有利于减少薄膜内部的缺陷，对薄膜的电学性能有一定的影响。沉积速率为1.0 nm/s时，薄膜的性能较好（参见）。

4.2 因素对光学性能的影响
从试验结果可知薄膜的透射性在75％到90％之间变化，薄膜具有良好的透射性。由于薄膜的干涉现象，薄膜厚度为600nm时，在可见光的中心波长540nm有很好的透射性（>85％），随着厚度增加，透射减弱。薄膜厚度的增加对光的吸收增强是薄膜透射率降低的重要原因[5]（见）。

扣除干涉现象的影响，温度是影响薄膜光学性能主要的因素（参见）。温度对薄膜的晶体结构有密切的关系，温度较低时，薄膜的晶体颗粒小，薄膜对光的吸收和散射都很严重，随着温度的升高，将有利于形成大晶粒，透射率上升。但是温度过高，基片的再蒸发将加强，将形成粗糙的表面，降低薄膜的透射率。基片温度对光学性能的影响是因为温度对薄膜的晶体结构有严重的依存关系。其影响机制有待于对薄膜结构的检测而得知。

由于ZAO块体材料的物理特性，在蒸发时，材料直接从固体过渡到气体，使得在蒸发时镀膜系统工作不稳定，限制了蒸发速率的提高。沉积速度对薄膜的晶体结构和表面粗糙度以及晶粒大小有影响，但是改变不大，沉积速率在1.0 nm/s时，有良好的透射性能，并且系统工作较稳定。

5 结论

总结多次试验得知，在ZZS700-6/G型真空镀膜系统上镀制AZO薄膜时，沉积速率在1.0 nm/s时，系统工作比较稳定，薄膜的性能较好。

采用正交试验可以对工艺方案优选；在EBED 沉积AZO薄膜时，对薄膜性能的影响主次因素为沉积厚度、基片温度、沉积速率；用EBED沉积 ZAO薄膜的工艺方案为：沉积厚度为800nm；温度为250℃；沉积速度为1.0 nm/s。