СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА
METHOD OF FORMING ZINC OXIDE-BASED LAYERS

Изобретение относится к области тонкопленочной технологии, а именно  к технологии получения прозрачных проводящих слоев на основе оксида цинка.
Известны многочисленные способы формирования слоев (например, прозрачных электродов) на основе оксида цинка [например, Т. Minami. New n-Type Transparent Conducting Oxides. MRS BULLETIN AUGUST 2000, 38-44; US pat. №№5342676, 6457683, 64586736569548, 8163342, заявка №20080308411, JP2005-298867]. Недостатком их является зависимость от материала и/или состояния поверхности подложки.
Наиболее близкими к предлагаемому способу являются способы, заключающиеся в том, что между подложкой и слоем ZnO с легирующими примесями (основной слой) предварительно наносят промежуточный слой [Z.L.Pei, Х.В.Zhang, G.P.Zhang, J.Gong, С.Sun, R.F.Huang, L.S.Wen. Transparent conductive ZnO:Al thin films deposited on flexible substrates prepared by direct current magnetron sputtering. Thin Solid Films 497 (2006) 20-23; US pat. No.8168463]. Подслой влияет на кристаллическую структуры слоев (например, может увеличивать совершенство кристаллической решетки,) и может играть роль барьерного слоя.
Недостатком способов-прототипов является внесение в состав структуры дополнительных материалов с отличными от ZnO оптическими, электрическими, химическими, тепловыми и механическими свойствами, что может снижать эксплуатационные характеристики слоев, а также то, что использование отличающихся материалов требует разбиения технологического процесса на этапы, в т.ч. и с использованием различного оборудования.
Задачей предлагаемого изобретения является исключение использования материалов, отличных от материалов, входящих в основной слой, уменьшение суммарного времени нанесения подслоя и основного слоя, а также управление рельефом синтезируемого слоя.
Указанный технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что распыление производят в два этапа. На первом этапе формируют промежуточный слой (подслой) из оксида цинка с концентрацией легирующей примеси в интервале от ее величины в основном слое вплоть до величины 20 ат.%. На втором этапе формируют основной слой на основе оксида цинка.
Нанесение подслоя с концентрацией, совпадающей или близкой к ее концентрации в основном слое, дает эффект, отличный от нанесения основного слоя (того же состава) без подслоя, благодаря тому, что подслой может - до нанесения основного слоя - быть подвергнут каким-либо действиям. Например, выдержка подслоя после его нанесения (до нанесения основного слоя) в течение времени от 5 минут до 2 часов при температуре от 200°С до 500°С приводит к увеличению числа или размеров центров кристаллизации для последующего выращивания основного слоя. Легирование подслоя с концентрациями, заметно меньшими, чем у основного слоя, не приводит к существенному влиянию на свойства основного слоя даже при описанных промежуточных обработках.
Увеличенный уровень легирования подслоя приводит к тому, что в ходе роста подслоя или при его промежуточной обработке на растущей поверхности создается большое число центров кристаллизации, образованных осаждаемыми на поверхность атомами легирующей примеси. Большое число центров кристаллизации приводит к ускорению слияния (коалесценции) зародышей. Ранняя коалесценция зародышей существенно уменьшает рельеф поверхности подслоя и, как следствие, сглаживает рельеф синтезированного слоя. Кроме того, ранняя коалесценция снижает время, необходимое для формирования сплошного подслоя, что увеличивает производительность напылительного оборудования. Оптимальное содержание легирующей примеси в подслое зависит от материала подложки и требуемых свойств основного слоя и определяется экспериментально.
Используемый подслой может быть как сплошным, так и островковым. Управляя степенью заполнения поверхности подложки, можно управлять рельефом поверхности основного слоя. Формируя островковые центры кристаллизации, создают условия для раннего начала роста в области центров кристаллизации и получения слоев с аномально высоким рельефом. Такой процесс обеспечивает создание прозрачных электродов для более эффективных солнечных панелей. Благодаря высокому рельефу обеспечивается большая степень поглощения солнечного излучения в преобразователе и тем самым высокий кпд преобразователя.
Наоборот, формирование сплошного слоя позволяет формировать слои с гладкой поверхностью, что необходимо для синтеза прозрачных электродов в системах отображения информации и в светоизлучающих структурах.
В варианте предлагаемого способа в качестве легирующей примеси используют галлий или алюминий. Выбор алюминия и галлия в качестве легирующих компонентов обусловлен тем, что слои ZnO:Ga и ZnO:Al представляют наибольший практический интерес для создания прозрачных электродов в различных устройствах, а также их высоким коэффициентом диффузии в оксиде цинка.
Указанный метод может быть также реализован в проходных магнетронных установках путем использования одной секционированной мишени. Так, если подложка перемещается сначала над частью мишени с высоким содержанием примеси, а затем  с низким, то можно с помощью одного магнетронного узла синтезировать и подслой, и основную пленку. При этом толщину подслоя и основного слоя регулируют скоростью транспортировки подложки, мощностью разряда, давлением в камере и иными параметрами.
sub
о
Примером конкретного использования способа является синтез слоев ZnO:Ga с различными уровнями легирования. При температуре подложки T=290С, давлении аргона в камере Р=0,1-0,15 Ра и токе разряда I=500 mА выращивают слой ZnO:Ga с 1%, 3% и 6% Ga. При этом время формирования центров кристаллизации для слоев с 6% Ga на 5 минут меньше, чем для 3%, и на 7,5 минут - чем для 1%. Изучение электронных фотографий поверхностей полученных основных слоев показывает, что по мере роста уровня легирования подслоев без последующей выдержки рельеф поверхности основного слоя сглаживается, а при промежуточной выдержке подслоев при повышенной температуре  становится более резким. Кроме того, на подслоях с более высокой концентрацией примеси линейный (по времени) рост основной пленки начинается раньше, чем на подслоях с низкой концентрацией.
Проведенные испытания показали, что полученные слои соответствуют требованиям, предъявляемым к прозрачным проводящим электродам, а предлагаемый способ нанесения оксидных пленок обеспечивает высокое структурное совершенство слоев. Показано существенное снижение времени, затрачиваемого на формирование слоев, что позволяет увеличить производительность дорогостоящего промышленного напылительного оборудования и сократить длительность энергоемких операций.