ITO透明导电薄膜的磁控溅射法制备工艺解析.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y课 程 设 计 论 文ITO透明导电薄膜的磁控溅射法制备工艺学院名称: 材料学院 专业班级: 无机光电0902 学生姓名: 张亚平 指导教师姓名: 李保家 指导教师职称： 2012 年 6 月ITO透明导电薄膜的磁控溅射法制备工艺摘要: 铟锡氧化物(简称ITO) 是In2O3掺Sn的半导体材料, 其薄膜由于具有优良的导电性和光学性能,引起了人们的广泛关注， 随着薄膜晶体管(TFT)， 液晶显示( LCD)，等离子显示(PCD)等高新技术的不断发展，现今工业上以制备均匀的大面积ITO薄膜为热点。本文介绍了透明导电薄膜的定义及其导电机理，并就其中一种应用十分广泛的材料ITO进行了介绍，详细讲解了利用磁控溅射法制备ITO纳米透明导电薄膜，分析其结构及其光电性能，利用透射电子显微镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)对薄膜的的结构、形貌和电化学性质进行表征，并对其发展进行了展望。关键词：氧化铟锡薄膜（ITO）；直流磁控溅射法；制备工艺ITO透明导电薄膜的磁控溅射法制备工艺1 引言 透明导电薄膜是一种既能导电又在可见光范围内具有高透明率的一种薄膜，透过性的标准是透过率60%以上，导电性的标准是表面电阻在1010·cm以下1。透明导电薄膜的种类主要有金属膜、氧化物膜、多层复合膜和高分子膜等， 其中氧化物薄膜占主导地位。透明导电氧化物( TCO) 薄膜主要包括In、Sn、Zn、Cd 的氧化物及其复合多元氧化物薄膜。1907年Badeker首先制备并报道了 CdO透明导电薄膜， 将物质的透明性和导电性这一矛盾统一起来。在随后的几十年中，人们发现和研究了多种材料的 TCO薄膜，并不断扩大它们的用途。目前研究人员主要集中在对SnO2基、In2O3基以及ZnO基透明导电膜的研究2。2 透明导电薄膜的导电机理2.1 透明度 透明导电膜的透明度主要取决于膜的光纳N=n- ik 和光学厚度nd。在基底的光纳Ng=ngikg，和透明光波的波长认确定的条件下，由光学薄膜的理论可计算出单层膜的透光率3 (1)式中N0是光波入射介质的光纳，Re(Ng) 是基底光纳的实部，B 和C是膜系特征矩阵的元素。 (2) (3)式中是折射角。一般情况 下 N0= 1，Ng=1.5 2，nd =/2， = 0o。In 2O3-x膜的光纳 N =n-ik，其中n=2，在一定的工艺条件下和在可见光谱区域内，左kO，代入公式(1)可计算出 In 2O3-x膜对可见光的积分透光率T=90。理论计算的结果与实测的结果非常接近。In 2O3-x膜的短波吸收限在0.38m，掺入适量的SnO2后吸收限可推移到0.35m。为了提高透明导电膜的透光率，将单层的膜再与一种或几种光学介质膜组合，能够设计成多层增透膜系，从而达到高透明的目的。2.2 导电性透明导电膜的导电性可用能带理论进行解释。金属薄膜的禁带宽度近似于零，如图1a所示4。电子很容易由满带跨跃到导带中去，形成了自由电子，因自由电子的浓度很高，因此金属薄膜的导电性非常好。有些金属膜的禁带尽管还是有一定的宽度，但它满带中的一些能级上没有充满电子，如图1b 所示，这类金属膜的导电性也较好。介质膜的禁带宽度很宽，如图1c所示，满带中的电子在外电场作用下不能跨过禁带而进 入导带中去，因而不能形成导电的电子。介质膜属于绝缘体。半导体薄膜的禁带宽度较窄，通常约为1eV，如 图1d所示。在较弱的外电场 作用下一部分电子能够跃过禁带而进入导带中去，形成了导电的电子。而满带中失去电子的地方便成为一个空穴。在半导体理 论中把导带中的电子和满带中的空穴统称为载流子。结构完整和成份很纯的半导体薄膜属于电子和空穴混合导电的本征半导体膜层，其载流子浓度较低，导电性并不好，方电阻往往较大。为了改善半导体膜的导电性，需要将膜的结构具有适当的缺陷和膜成份中具有适量的掺杂。 图1 电子填充能带的情况一种缺陷是膜层晶格点阵中缺少了负离子或者填隙了正离子，就如同那里有一个正电中心，能带理论认为，正电中心的能级一般地分布在禁带之中，并且靠近导带，正电中心能级上的 电子能够较容易地跨跃到导带中去，使导带中的载流子浓度提高了，得到的是n型半导体膜层。如果膜层晶格点阵中缺少了正离子或者填隙了负离子，就如同 那里有一个负电中心，负电中心的能级一般地分布在禁带之中，并且靠近满带，满带中的电子能够容易地跨跃到负电中心的能级上去，从而在满带中就出现了空穴，同样也提高了载流子浓度，得到的是p型半导体膜层。在高真空下镀制半导体膜层时，由于缺氧，膜层晶格中金属离子的比例增多了，通常得到的是带正电中心的n型半导体膜层，在氧气中镀制半导体膜层时，由于氧过量，膜层晶格中氧离子的比例增多了，通常得到的是带负电中心的p型半导体膜层5。掺杂也能改善半导体薄膜的导电性，一种掺杂是使晶格中产生多余的非共有化运 动的价电子，例如In203薄膜中掺杂适量的Sn02后，晶格点阵中一部分三价的锢离子In+3就 被四价的锡离子 Sn+4所占据，锡离子 Sn+4中有三个价电子与相邻的铟离子共有化，还剩一个价电子不能参加共有化运动，这个非共有化价电子的能级分布在禁带之中并靠近导带，在常温下这个价电子很容易跃迁到导带上去变成 自由电子，使得整个晶体的载流子(指电子)浓度提高了，从而改善了In2O3膜的导电性。另一种掺杂是在晶格中缺少了共有化运动的价电子，还是以In2O3薄膜内掺杂ZnO为 例来说明这个问题。掺杂后，In2O3晶格中一部分三价的铟离子In3+被二价的锌离子Zn2+ 所占据，在晶格中为了维持锌离子与它周围铟离子之间具有共价键的结构，锌离子势必要成为饱和的共价键结构，也就是要吸引附近的一个价电子 来构成饱和结构，被吸引去的电子原来所处的位置便成了空穴。出现空穴的根本原因是缺少了共有化价电子。这种缺少了共有化价电子的杂质能级也分布在禁带之中，并且靠近满带，在常温下满带中的电子很容易跃迁到杂质能级上去，使得满带中出现了空穴，整个膜层的载流子的浓度(指空穴)提高了，导电性变好了6。由薄膜的导电机理可知，金属膜导电是由于组成膜的自由电子受到电场作用而定向运动的结果，方电阻主要取决于膜层的厚度，不会因为镀膜工艺条件变化而有较大的变化，半导体薄膜导电是由于载流子在外电场作用下做定向运动的 结果，方电阻的大小除了与膜的几何厚度有关外，主要取决于镀膜的工艺技术。3 ITO简介3.1 ITO的基本性质可见光透过率高而又有导电性的薄膜称为透明导电薄膜。透过性的标准是透过率 60%以上，导电性的标准是表面电阻在1010·cm以下7。透明导电薄膜的种类主要有金属膜、氧化物膜、多层复合膜和高分子膜等，其中氧化物薄膜占主导地位。目前研究人员主要集中在对SnO2基、In2O3基以及ZnO 基透明导电膜的研究，而掺锡In2O3(简称ITO)薄膜又是当前研究和应用最广泛的透明导电薄膜。锡掺杂的氧化铟是一种体心立方铁锰矿结构的n 型半导体透明导电薄膜， 具有以下特性： 导电性能好( 电阻率可低达10-4·cm)，带隙宽(3.54.3 eV) ，载流子浓度(1021cm-3)和电子迁移率( 1545 cm2V-1s-1) 较高； 在可见光波段透过率高，可达85%以上; 对紫外线的吸收率较高，可达85%以上； 对红外线具有反射性，反射率高于80%； 对微波具有衰减性，衰减率可达85%以上； 膜层硬度高，耐磨，耐化学腐蚀(氢氟酸等除外)； 膜层具有很好的酸刻、光刻性能，便于细微加工，可以被刻蚀成不同的电极图案。由于具有上述优良特性，ITO薄膜被广泛用于平面显示、电致变色(EC)窗、太阳能电池透明电极、微波屏蔽和防护镜、交通工具的风挡玻璃等8。3.2 ITO的制备制备ITO薄膜的方法有很多种，几乎所有制备薄膜的方法都可用于制备ITO 薄膜。制备方法主要有物理法和化学法。物理法包括真空蒸发法、离子增强沉积、激光脉冲沉积等。化学法包括溶胶-凝胶法、喷雾热解法、化学气相沉积法、均相沉淀法等911。3.2.1 真空蒸发法真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底或基片)表面，凝结形成薄膜的方法，由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称为热蒸发法。按照蒸发源加热部件的不同，蒸发镀膜法可分为电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发、电弧蒸发、激光蒸发法等。采用这种方法制造薄膜，已有几十年的历史， 用途十分广泛。3.2.2 喷雾热解法 喷雾热解法( Spray Pyrolysis，SP)是将金属盐溶液雾化后喷入高温区同时进行干燥和热分解的工艺方法， 可以用于氧化物陶瓷粉末(特别是复合粉末)合成、纤维合成和薄膜制备。用该法制备的ITO薄膜的电导率高，对可见光的透过率可达90%以上。自从1960年ChamLerlin和Skarman在用喷雾热分解法制取薄膜方面做了开创性工作以来，该方法已用于ZnO、ITO、ZnS: Mn等透明薄膜以及YBaCuO超导薄膜等的制备上12。3.2.3 溶胶-凝胶( Sol-Gel)法溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停地进行布朗运动的体系。溶胶凝胶法制备涂层的基本原理是：以金属醇盐或无机盐为前驱体，溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的薄膜。3.2.4 化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)是一种或几种气态反应物(包括易蒸发的凝聚态物质在蒸发后变成的气态反应物)在衬底表面发生化学反应而沉积成膜的工艺。反应物质是由金属载体化合物蒸气和气体载体所构成，沉积在基体上形成金属氧化物膜，衬底表面上发生的这种化学反应通常包括铟锡原材料的热分解和原位氧化。3.3 ITO的应用3.3.1 用于平面显示ITO薄膜大量应用于平面显示器，例如液晶显示(LCD)、电致发光显示 (ELD)、电致彩电显示(ECD)等。随着液晶显示器件的大面积化、高等级化和彩色化，LCD将超过CRT成为显示器件中的主流产品13。3.3.2 用于电致变色 (EC)灵巧窗ITO薄膜对光波具有选择性，可用于寒冷地区和高层建筑的视窗，使建筑物内暖气、冷气和照明等能耗减少50%以上，将使热量保存在封闭的空间里， 起到热屏蔽作用，并使外界热量难以辐射入室内。3.3.3 用于太阳能电池在 ITO的实际应用方面，还有一个十分重要又颇具发展前景的领域：太阳能技术。由涂覆在半导体材料(如Si、GaAs、InP等)表面上的ITO膜所形成的杂结构体，已经成功地用于把太阳能转换为电能的一种有效的能源转换器上面。ITO薄膜用于异质结 SIS太阳能电池顶部氧化物层，可以得到高的能量转换效率。3.3.4 用于微波屏蔽和防护镜ITO薄膜具有良好的微波屏蔽作用，能防静电，也用于屏蔽电磁波的地方， 如微波暗室消除设备、计算机房和雷达的屏蔽保护区，防雷达隐形飞机的涂层等。 ITO透明导电薄膜玻璃对微波的衰减可达-30dB。茶色ITO薄膜是铟、锡氧化物的新品种，它能防紫外线和红外线，滤去对人体有害的紫外波段，因此镀ITO膜的玻璃镜片可用做特殊防护镜。3.3.5 用于军事上的隐身技术ITO材料具有良好的光学性能，在可见光区具有高透过率，由于基本能带的原因，在紫外光区具有高吸收率，同时由高自由载流子浓度决定的等离子体吸收在中远红外区，使其具有高反射率。这是ITO能应用于伪装隐身技术的根本原因。3.3.6 用于传感器方面在ITO薄膜的表面吸附了气体之后，薄膜的导电性就会发生变化，因此可用于各种高灵敏度的传感器，专门用于发现和测量各种气体的浓度。自1993年以来，特别是2000年以来，对In2O3气敏性能的研究出现了大量的文献报道，研究表明，ITO薄膜对NH3、CO、O3、NO2有很高的灵敏度。3.4 我国ITO技术现状和发展趋势为了充分了解ITO薄膜的特性并利用其优良性能，今后研究人员至少需要在以下几个方面加强研究： 多元 TCO 薄膜的性质； 低温和室温ITO薄膜的制备； ITO 薄膜的导电机理； 纳米尺度ITO材料的特性； In2O3基的掺杂化合物的性能14。我国的ITO产业十分发达，是ITO导电玻璃的主要生产国。但是在纳米级别的ITO制备上，中国则落后于美国、日本等发达国家，他们已经可以制备出10nm以下的ITO薄膜，因此，我们仍需要继续努力研究，突破瓶颈。4 直流磁控溅射法制备纳米ITO薄膜现在制备ITO薄膜的方法有很多，不同的方法原理不同，产物的形貌结构会有很大的差异，产量的也会相差很大。在如此众多的方法中，磁控溅射法比较适用于工业上的大规模生产，磁控溅射法的优点在于：成膜面积大，沉积速度快， 可适用于大规模生产；获得的ITO薄膜密度高，而且薄膜的纯度较高(在溅射过程不存在污染) ；溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好；薄膜与衬底的附着性好；工艺稳定性好。下面探讨直流磁控溅射法制备纳米ITO薄膜的工艺细节。4.1 工艺简介 磁控溅射法是目前工业上应用较广的镀膜方法。磁控溅射沉积可分为直流磁控溅射沉积和射频磁控溅射沉积，而直流磁控溅射沉积是当前发展最成熟的技术。该工艺的基本原理是在电场和磁场的作用下，被加速的高能粒子( Ar+)轰击铟锡合金(IT)靶材或氧化铟锡(ITO)靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，溅射粒子沉积到基体表面与氧原子发生反应而生成氧化物薄膜。4.2 工艺原理 电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。4.3 生产设备 图2所示为磁控溅射镀膜生产线。其主体设备的主要组成部分如下。 图2 TD-750型透明导电膜玻璃镀膜生产线15 （1）真空室：304不锈钢材料制造，立式结构，外壁通冷却水。所有箱体均通过退火处理。 （2）真空系统：涡轮分子泵抽气系统。 （3）镀膜系统：直流及中频磁控溅射阴极，配合环控制系统。配备先进的平面溅射阴极。 （4）烘烤系统：采用不锈钢管状加热器配合均热板，确保基片加热均匀性。 （5）充气系统：高精度气体质量流量计及均匀布气装置。 （6）电气控制系统：工程机及PLC自动控制，安装中文全自动控制软件。15寸彩色触摸屏操控界面。 （7）水冷系统：真空室冷却和阴极冷却，有水压和水流保护开关。4.4 生产流程先将靶材放进真空室，一边将真空室抽成真空状态，一边通入氩气，在外壁通上冷却水。在镀膜系统中，经过溅射将从靶材料中溅射出的原子沉积在基片上成膜，同时均匀加热基片。镀膜完成后通过水冷系统了却。4.5 ITO薄膜的结构和表面形貌图3( a) 为溅射功率比较小的ITO薄膜SEM 图片，图3( b)为溅射功率比较大的ITO薄膜SEM图片，通过( a)和( b)比较可以看到，溅射功率小的ITO颗粒容易在基体表面团聚，成岛状不连续分布，颗粒度大小不均匀，致密度差，当溅射功率大时，ITO颗粒结晶度越高，均匀性好，致密度越好。通过图3( a)和3( b) 的比较同时也验证了随着溅射功率的增大，ITO表面电阻减小；随着溅射功率增大，ITO薄膜致密性增大透光率减小16。 图3 不同溅射功率下ITO薄膜的SEM图(图a,b)17图4为不同溅射功率下ITO薄膜的X射线衍射( XRD)测试图谱。对照标准的PDF卡可知，图谱中的衍射峰与In2O3的( 211)、( 222)、( 400)、( 440) 和( 622) 等特峰对应，没有发现In、Sn单质及其亚氧化物的衍射峰，由于In3+和 Sn4+的离子半径相差不大，并且m( In2O3) ：m( SnO2) = 9：1，所以 Sn4+离子取代了In3+的位置，SnO2溶入In2O3晶格形成固溶体结构，因此ITO薄膜保持 In2O3晶体结构16。随着溅射功率增大，(222)峰的强度降低，(400)峰强度增大，功率的增强改变晶体的结构，在溅射功率为110W时，ITO薄膜沿( 222)和( 400)择优取向。 图4 不同溅射功率下ITO薄膜的XRD谱184.6 影响ITO薄膜性能的因素1 溅射功率对ITO薄膜的影响 ITO的载流子主要来源是氧空位和Sn4+代替In3+放出的一个电子。理想的In203结构中In3+是满态，与O2-结合完全。当部分四面体间隙中的O2一成为无序后，会留出空位，形成氧空位，即InZO3-X，存在过剩的自由电子。同时，Sn4+代替In3+会提供电子到导带，形成n型掺杂。图5所示为氧分压为0.02Pa、沉积气压为1.2Pa时，ITO薄膜的R与随溅射功率的变化，由图可看出，随着功率的增大，R逐渐减小。当功率较低时，从靶上溅射到基底的原子数量和动能很小，在基底表面具有较大的表面迁移能，从而可以与周围的氧气进行充分反应，导致氧空位的减少和吸附氧原子的存在，从而使R较大。图6为厚度与沉积速率随溅射功率的变化图，随着功率的增加，薄膜的沉积速率加快，相应的厚度也逐渐增大。薄膜的厚度主要决定于溅射功率与时间，当溅射功率和时间一定时，厚度基本保持不变。当功率较小时，薄膜的厚度较小，电子将在界面发生漫反射，根据sondhermer的薄膜导电理论:=0(1+30/8d)(式中d为厚度，场为厚度无穷大时的电子平均自由程，0为厚膜远远大于场时的电阻率)，平均自由程效应会导致电阻率随厚度的增加而减小，从而薄膜的R减小。考虑到后续器件(太阳电池)的制备，ITO薄膜厚度在150200nm为宜，在33w时可获得R约810/、厚度在150nm左右的ITO薄膜。 图5 ITO的R与随功率的变化19 图6 薄膜厚度与沉积速率随功率的变化19 图7为不同功率下沉积的ITO的XRD测试图。图中21.30°、30.3°、35.3°、60.30°的衍射峰分别对应(211)、(222)、(400)、(622)晶面。在功率较低时(13w)，薄膜的结晶性能较差，虽出现结晶峰，但衍射峰并不明显，薄膜处于非晶与多晶掺杂的阶段，相应的R较大，导电性较差。随着功率的增大，ITO薄膜出现了较强的衍射峰，结晶性进一步完善。随着功率的升高，薄膜的择优取向也发生了明显的变化，(222)晶面衍射峰逐渐减弱，(400)衍射峰逐渐增强，薄膜由(222)的择优取向转变为沿(222)和(400)随机生长，相应地，R口逐渐减小，导电性提高，这可能与载流子的散射机制有关。 图7 不同功率下沉积的IT0的XRD图202 氧分压对ITO薄膜的影响图8为溅射功率为33w、沉积气压为1.2Pa时，在不同氧分压下沉积的ITO薄膜的R口和的变化图。由图可看出，随着氧分压的升高，薄膜的导电性变差。O2浓度的升高使In氧化充分，形成接近标准化学计量比的氧化锢，从而使薄膜内的氧空位减少，同时导致掺杂锡的氧化，造成载流子浓度降低，从而使得薄膜的导电性变差。当氧分压高达0.04Pa时，溅射到基底上的In203受到大量氧负离子的轰击而发生分解生成低价的氧化物(InO)，即：In2O3离子轰击2lnO+O；同时，大量的氧负离子的轰击还可能使沉积到基底上的薄膜颗粒脱离薄膜，导致薄膜中存在大量的位错和吸附氧原子。因此，氧分压很高时，薄膜的导电性和透过率均较差。随着氧分压的降低，In2O3分解生成低价的氧化物的程度减弱，吸附氧原子的数量逐渐减少，使得薄膜的R口逐渐减小、透光率也逐步增加。当氧分压为0.0lPa时，薄膜的导电性和透过率达到最优，R口约为8/，在400800nm的波长范围内的平均透光率达到了82%。 图8 ITO的R口和随氧分压的变化2413 沉积气压对ITO薄膜的影响选定溅射功率为33w、氧分压为0.01Pa不变，在不同气压下沉积的ITO薄膜的导电性与透过谱的变化见图9、10所示。由图可知，当气压较低时，ITO的导电性能与透光性均相对较差，这是因为气压较低时，ITO受到的散射较小，同时，低气压下平均自由程较大，导致赶Ar+的动能较大，因此从靶上溅射出来的原子的动能大，氧原子可以和溅射到基底上的原子进行充分反应，从而导致氧空位的减少和掺杂锡的氧化，使得薄膜的导电性能相对较差。随着气压的升高，沉积形成带有较高氧空位和掺杂锡的ITO膜，在1.01.6Pa的范围，均可获得678/的ITO膜，电阻率低至1.01.2×l04·cm。 图9 ITO的R口和随沉积气压的变化22 图10 不同氧分压下沉积的ITO的透过谱22随着气压的升高，薄膜表面的平整度增加，导致光散射更少，因此增加了可见光区域的透射。在1.21.6Pa，透过率基本无变化，在400800nm的波长范围内，平均透过率均达到了82%。4 溅射压强对ITO膜的影响在保持氧流量为0.62 seem，溅射功率为130w不变的条件下改变溅射压强。电阻率和透过率随溅射压强的变化如图11所示。 图11 ITO薄膜的透过率和电阻率随溅射压强的变化关系图23当溅射压强较小(0.3 Pa)时，由于气体稀薄，在溅射过程中，Ar+受到的散射较小，同时，低气压下长的平均自由程导致Ar+离子高的动能，因此从靶上溅射出的原子的动能大，氧原子能够和溅射到基底的原子充分反应，这时膜的结晶状况比较好，透过率较高。这一充分氧化反应，造成氧空位的下降，因为ITO薄膜中氧空位对导电性起很大的作用。因此导致制备的ITO薄膜的电阻率较大，导电性较差。当溅射压强较大(1 Pa)时，由于中性气体和已经电离的气体离子会频繁的撞击，因此，腔体内的Ar+受到强烈的散射作用使其动能较小，导致溅射出的靶原子的动能较小，靶原子飞向基底时遭到气体分子和等离子体散射的几率大，使得沉积到基底的原子能量较小，降低了高价铟锡氧化物的反应活性，会生成一些铟锡的低价氧化物，使薄膜呈暗棕色，同时，影响薄膜的结晶程度，使薄膜的电阻率变大，透过率变差。当溅射压强介于中间某个值(0.7Pa)时，ITO膜的透过率很高，而电阻率很小，为最佳的溅射压强值。4.7 ITO薄膜的性能评价4.7.1 ITO薄膜的电学性能利用四探针电阻仪测试不同沉积参数下制备的ITO薄膜的方块电阻，其变化如图12所示。图12 ITO薄膜方块电阻随溅射参数变化曲线24图12中A曲线为其他参数不变(沉积气压0.15Pa，O2流量0 sccm)，单纯改变功率时，薄膜方块电阻变化曲线。从图5中A曲线可以看出，当功率为100W 时，薄膜的方块电阻为46，薄膜方块电阻随功率的增加而降低，当功率增大到 350W时，薄膜的方块电阻减小到了24/。溅射功率增大时，薄膜沉积速率增加，氧化反应不充分，ITO薄膜中的氧空位增大，导致方块电阻的降低。图12中B曲线为其他参数不变(沉积气压0.5Pa，溅射功率为100W )，单纯改变O2流量时，薄膜方块电阻变化曲线。从图5B曲线可以看出，当O2流量为0时，ITO薄膜的方块电阻为46/，当O2流量为0.2 sccm时，ITO薄膜的方块电阻又降为30/，随后ITO薄膜的方块电阻随着O2流量的增大而增大，当O2流量达到2.0 sccm时，薄膜的方块电阻已经达到156/。当不通入O2的时候，In未充分氧化，存在较多的黑色InO，导致方块电阻较大，同时可见光平均透过率较低。 当稍微通入O2时，薄膜氧化较充分，方块电阻降低，但是当 O2流量过高时，氧空位和载流子的浓度较低，导致方块电阻增高，降低薄膜导电性能，因此存在最佳的 O2流量范围使得薄膜的方块电阻最低。图12中C曲线为其他参数不变( O2流量为0sccm，溅射功率为250W )，单纯改变沉积气压时，薄膜方块电阻变化曲线。从图12中C曲线可以看出，当沉积气压为0.5Pa时，薄膜的方块电阻为31.7/，薄膜方块电阻随沉积气压的升高明显增大，当沉积为2.5 Pa时，薄膜的方块电阻达到1980/。当沉积气压增大时，溅射出来的靶材粒子被Ar气散射的几率大大增加，这样就没有足够的能量在基体上结晶和迁移，导致了薄膜缺陷的增加，因此薄膜的方块电阻随着沉积气压的升高而增大，导电性能变差。4.7.2 ITO薄膜的光学性能 采用紫外-可见分光光度计检测出在不同O2流量参数下制备的ITO薄膜的可见光平均透过率(波长在400 800 nm)，如图13所示。 图13 ITO薄膜可见光平均透过率随溅射参数变化曲线25 图13曲线为其他参数不变(压强为0.5Pa，溅射功率为100W )，单纯改变O2流量时的薄膜平均透过率曲线，可以看出薄膜的可见光透过率随着O2流量的增加而略有增加，因为在溅射过程中主要发生的反应是21： 直接氧化：4In+ 3O2= 2In2O3 二次氧化：2In+ O2 = 2InO；4InO + O2 =2In2O3 当O2分压较低时，氧化反应不太充分，主要发生的反应是二次氧化：2In+ O2= 2InO，这样会生成较多的黑色的 InO，薄膜的透过率下降，当O2分压增大时，主要发生的反应是直接氧化反应：4In+ 3O2= 2In2O3，反应比较充分，生成较多灰白色的 In2O3，使得薄膜的透过率增加。 当O2流量为0 sccm，溅射功率为250W，单纯改变沉积气压时，经检测发现薄膜平均透过率没有明显的变化，始终维持在84% 86% ，沉积气压对可见光平均透过率几乎没有影响。同样当单纯改变功率时(沉积气压为0.5Pa，O2流量为0sccm )，经检测薄膜的平均透过率在 84% 左右，可以说明功率对薄膜可见光平均透过率没有影响。5 结束语本文概述了透明导电薄膜的种类及其导电机理。对作为其中重要一支的ITO透明导电薄膜的制备方法和应用进行了详细的介绍，对ITO有了更深的了解。ITO透明导电薄膜作为重要的现代信息产业基础产品，在许多领域都扮演着重要的角色，鉴于ITO薄膜的优异特性, 有必要组织科研人员进行更深层次的技术攻关。这不仅有利于ITO薄膜的使用, 更主要的一点是对ITO复杂结构及机理的研究, 可以促进对其它氧化物薄膜的认识随着科学技术研究的不断深入和高新技术及现代国防发展应用的需要, ITO透明导电薄膜必将在新型的电子薄膜材料中占有越来越重要的地位。参考文献1 段学臣, 陈振华, 周立等. 超细氧化铟-氧化锡 ( ITO)复合粉末的研制与结构特性 J. 稀有金属, 1998, 22(5): 396399 2 张维佳, 王天民, 吴小文等. 纳米ITO粉末制备工艺优化设计 J. 稀有金属材料与工程, 2005, 9(34): 135313563 毛黎明, 李历历, 段学臣. 两种不同分散剂对 ITO纳米粉末粒度和团聚的影响 J. 稀有金属与硬质合金, 2005, 33(1): 574 周洪庆, 吕军华, 沈晓冬. 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