Preparation of Aluminum-Doped Zinc Oxide Thin Films Using Reactive Magnetron Sputtering

Abstract

In this work, the aluminum-doped zinc oxide (AZO) thin films were prepared using the reactive direct current (DC) magnetron sputtering. The Zn/Al alloy with 2 wt% of aluminum and 2 inches of diameter was used as a target. The glass slide and p-type Si (100) wafer were used as a substrate. The deposition time of 5 min, power of 150 W, and argon flow rate of 10 sccm was used as the controlled parameters. The discharge voltage and the oxygen flow rate were adjusted corresponding to the metal, transition, and oxide modes. The electrical and optical properties of AZO thin films were characterized by linear four point probe and ultraviolet-visible-infrared spectrometer, respectively. It is found that the AZO thin films prepared using the discharge voltage in the range of 370-380 V and the oxygen flow rate of 4.32-4.42 sccm which corresponding to the oxide mode and the highest value of figure of merit. This result indicates that the film has the highest ratio of the optical transmission and sheet resistance. The crystal structure of the AZO thin films was characterized by x-ray diffraction (XRD). The result shows that AZO thin films are high crystallinity and predominantly oriented in c-axis (002).

In addition, the TCO/Metal/TCO multilayer thin film was also feasibility studied for application as a transparent conductive electrode. In order to prepare ZnO/Cu/ZnO multilayers thin films, the reactive pulsed DC and high power impulse magnetron sputtering were used for deposition of ZnO and Cu thin films, respectively. The deposition times used for coating of the top ZnO, Cu interlayer, and bottom ZnO are 2 min, 10 seconds, and 5 min, respectively. This condition gives the highest the figure of merit around 3.3x10-3 ohm-1. However, this figure of merit is slightly lower than the figure of merit of AZO films. Therefore, the average transmittance of the Cu interlayer should be improved.

ในงานวิจัยนี้ได้ทำการเตรียมฟิล์มบางซิงค์ออกไซด์เจืออะลูมินัม (AZO) ด้วยเทคนิครีแอคทีฟดีซีแมกนีตรอนสปัตเตอริง โดยใช้เป้าขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 นิ้ว ของโลหะผสมซิงค์เจืออะลูมินัมในสัดส่วน 2 wt% ฟิล์มบาง AZO ถูกเคลือบลงบนกระจกสไลด์และแผ่นซิลิกอนชนิดพีระนาบ (100) ที่กำลังไฟฟ้า 150 วัตต์ เวลา 5 นาที และอัตราการไหลของแก๊สอาร์กอน 10 sccm ฟิล์มถูกเคลือบโดยใช้โหมดโลหะ ทรานซิชัน และออกไซด์ ซึ่งถูกควบคุมโดยการปรับค่าศักย์ไฟฟ้าในการดิสชาร์จที่เป็นฟังก์ชันของอัตราการไหลของแก๊สออกซิเจน ผลการวิเคราะห์คุณสมบัติทางไฟฟ้าด้วยเทคนิคหัววัด 4 จุด แบบเชิงเส้นและคุณสมบัติทางแสงด้วยเทคนิควิเคราะห์การดูดกลืนแสงในย่านยูวีถึงอินฟราเรด พบว่าฟิล์มที่ถูกเตรียมโดยใช้โหมดออกไซด์ที่เงื่อนไขศักย์ไฟฟ้า 370-380 V และอัตราการไหลของแก๊สออกซิเจน 4.32-4.42 sccm มีค่าฟิกเกอร์ออฟเมอริทหรืออัตราส่วนการส่งผ่านแสงในย่านที่ตามองเห็นได้ยกกำลังสิบต่อค่าความต้านทานเชิงแผ่นสูงที่สุด ผลการวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของฟิล์มด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ พบพีคของระนาบ (002) ของผลึก ZnO อย่างเด่นชัด ซึ่งแสดงถึงฟิล์มมีความเป็นผลึกที่ดีและมีการจัดเรียงตัวตามแนวแกน c อย่างเป็นระเบียบ

นอกจากนี้ยังได้ศึกษาความเป็นไปได้ในการพัฒนาขั้วไฟฟ้าโปร่งแสงแบบ TCO/Metal/TCO โดยได้ทำการเคลือบฟิล์ม ZnO/Cu/ZnO โดยใช้เทคนิครีแอคทีฟพัลส์ดีซีและไฮพาวเวอร์อิมพัลส์แมกนีตรอนสปัตเตอริงในการเคลือบชั้น ZnO และ Cu ตามลำดับ พบว่าที่เงื่อนไขเวลาการเคลือบชั้น Top ZnO 2 นาที ชั้น Cu interlayer 10 วินาที และชั้น Bottom ZnO 5 นาที ให้ค่าฟิกเกอร์ออฟเมอริทเท่ากับ 3.31x10-3 ต่อโอห์ม แต่อย่างไรก็ตามค่าฟิกเกอร์ออฟเมอริทของฟิล์ม ZnO/Cu/ZnO ยังมีค่าต่ำกว่าของฟิล์มบาง AZO เล็กน้อย ดังนั้นจึงควรมีการปรับปรุงค่าเฉลี่ยการส่งผ่านแสงของชั้น Cu interlayer ต่อไป