工艺条件对直流磁控溅射沉积ITO薄膜光电特性的影响

1、稀有金属第29卷第6期2005年12月Vol.29.6CHINESEJOURNALOFRAREMETALSDec.2005工艺条件对直流磁控溅射沉积ITO薄膜光电特性的影响辛荣生13,林钰2(1.郑州大学材料科学与工程学院,河南郑州450052;2.河南教育学院化学系,河南郑州450014)摘要:研究了采用直流磁控溅射法制备ITO透明导电膜时温度、靶材、氧压比、溅射气压、ITO膜电阻率和可见光透过率等光电特性的影响。实验结果表明,用ITO陶瓷靶溅射镀膜要比In2Sn,;并由实验结果得到,当温度330,氧氩比1/40,溅射气压0145Pa和溅射速率-,8×10-4cm,可见光透过率80

2、%以上的最佳光电特性参数。关键词:磁控溅射;ITO;中图分类号:TN304.:A文章编号:0258-7076(2005)06-0931-03铟锡氧化物(ITO)透明导电膜是一种n型半导体晶体薄膜,作为透明导电膜,它将金属的导电性与晶体的透光性有机地结合在一起,在各种平板显示器件、太阳能电池、电致变色功能膜、红外遥感探测等领域,获得广泛的应用1。近年来,中国在ITO膜的研制方面进展很快,常见的制备方法有热喷涂法、真空镀膜法、化学气相沉积法以及磁控溅射法等。在这些方法中,磁控溅射法由于具有良好的可控性和易于获得大面积均匀薄膜而被广泛地采用。我们几年来在用直流磁控溅射法镀制ITO膜方面也做了大量的工

3、作,本文尝试对这方面的研究结果加以介绍。1实验1.1镀膜直流磁控溅射在玻璃基片上镀膜;系曲线图。当温度在250以下时,薄膜的结晶性较差,使ITO膜导电性和透光性都降低。到100以下时,膜层中多是一些低价的铟锡氧化物而使薄膜呈暗棕色2,透光性大大下降。当温度在300以上时,随着温度升高,ITO膜的导电性和透光性都大大提高。温度380比330350时薄膜的透光性还略好一点,但电阻率却有所上升,这是因为温度过高时,虽然因薄膜结晶性越趋完美使载流子迁移率有所提高3,但因所掺Sn4+施主浓度和氧空位4浓度减小会使薄膜电阻率总体上增大。在我们的实验设备上已摸索出的最佳温度为330,当其他条件一定时,此温度

4、下所镀制的ITO膜电阻率已降到1.8×10-4cm,可见光透过率达80%以上。靶材为铟锡氧化物陶瓷靶(ITO靶)和铟锡合金靶(InSn靶),纯度99.99%;真空室中气氛是991999%纯氩和纯氧。1.2测试采用MCK2B型测控仪测量膜厚,SDY5型双电测四探针仪测薄膜电阻,755B紫外可见分光光度计测可见光透过率,X射线衍射仪测XRD图谱。2结果与讨论2.1镀膜温度的影响镀膜温度是影响ITO膜电图1不同温度下ITO膜的电阻率和透光率Fig.1ResistivityandtransmissivityofITOfilmindifferenttem2perature阻率和透光率的最明显因

5、素。图1为薄膜电阻率、透光率(测量波长550580nm)与镀膜温度变化的关收稿日期:2005-04-06;修订日期:2005-05-29基金项目:河南省科技攻关项目(0224380029)作者简介:辛荣生(1959-),男,辽宁抚顺人,学士,副教授;研究方向:无机功能材料3通讯联系人(E2mail:xinrongsheng)9329卷稀有金属22.2靶材的影响分别用铟锡氧化物陶瓷靶(ITO靶)和铟锡合金靶(InSn靶)溅射镀膜,结果发杂锡的氧化,反而使电阻率迅速增大;降低氧氩比可增加ITO膜中的氧空位,从而提高薄膜的导电性能,但当过低的氧氩比(如为零时)影响膜层结晶性时,电阻率却又升高了。再则

6、,从图2中可看到,在该范围氧氩比下,膜层结晶性变化不是很大,所以其透光性变化不明显。2.4是在一定条件下所现陶瓷靶镀制的ITO膜光电性能要好于合金靶镀膜,特别是在电阻率上,前者要低一个数量级左右;而且,合金靶镀制的ITO膜只有经过退火后,才能得到较好的电阻率和透光率。另外,采用合金靶镀制ITO膜在工艺上难度较大,薄膜光电性能参数的重复性较差,因为这是一种反应溅射,影响成膜质量的随机因素更多,其工艺条件更为苛刻,。从图2,度好于合金靶膜,ITO膜光电性能要更好一些的原因。2.3氧含量的影响氧含量可通过调节进入镀OP变,当溅射气压较高时(达1.2Pa),薄膜的导电性和透光率均很差,因这时由Ar+溅

7、射出的靶原子动能较小,且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,使沉积到基底上的原子能量较小,降低了高价铟锡氧化物的反应活性,并影响了薄膜的结晶程度。随着P的逐渐降低,至0.45Pa时薄膜电阻率达到最低值,至0.35Pa时透光率增到最大值。这是因为在此过程中,Ar+受到的散射较小,从靶上溅射出的原子动能较大,同时,由于气体稀薄,飞向基底的原子平均自由程和反应活性均较大,氧离子能够和溅射到基底的金属原子进行充分反应5,易形成高价铟锡氧化物,并形成带有氧空位和掺杂锡的ITO膜,使薄膜导电性达到最好;随之结晶性也达最好,导致薄膜具有较高的透光率。再继续降低P,电阻率将迅速增大,因这时有更

8、充分的氧化反应,将造成氧空位的急剧下降和掺杂锡的氧化,使电阻率迅速增大。在P降至0.35Pa以下时,因ITO膜层结晶性很好,致使透光率很高,透光率仅在很小范围内有一点波动。2.5溅射速率的影响溅射速率v与溅射电流膜室氧气流量和氩气流量的比例(氧氩比)来控制,实验发现氧氩比对ITO膜的光电特性影响也很大。表1为采用陶瓷靶镀膜的氧氩比与ITO膜电阻率及透光率的关系。从表1可以看出,氧氩比为1/40时,导电性最好。当氧氩比升高或降低时,电阻率都将提高,且随氧氩比的增大,电阻率增加得很快,但透光率增减变化的不多。这是因为在确定了靶材的最佳掺锡水平后,增大氧氩比虽因结晶性略好可提高膜层载流子迁移率,但因

9、氧空位的急剧下降和掺图2不同靶材镀制ITO膜的XRD图谱Fig.2XRDspectrumofITOfilmindifferenttarget表1不同氧氩比ITO膜的电阻率与透光率(ITO靶)Table1ResistivityandtransmissivityofITOfilmindifferentratioO2/Ar(ITOtaget)氧氩比电阻率/(10-4cm)透光率/%0/402.581.31/401.882.02/403.583.24/401283.96/4011085.18/40140085.8图3不同溅射气压下ITO膜的电阻率和透光率Fig.3Resistivityandtrans

10、missivityofITOfilmindifferentsput2teringpressure6期辛荣生等工艺条件对直流磁控溅射沉积ITO薄膜光电特性的影响933表2溅射速率v与溅射电流I之间的对应的关系Table2RelationshipbetweensputteringspeedandsputteringelectricalcurrentI/Av/(nmmin-1)氧化导致了薄膜电阻率增得很大。在溅射速率由15nmmin-1逐渐增加到30nmmin-1过程中,基底上薄膜中的氧空位和掺杂锡含量增大,但此时薄0.2150.25230.3310.35400.4470.1510膜中仍能形成很好的

11、氧化物,结果透光率仍然较高,电阻率却降到很小。当溅射速率高至30nmmin-1以上时,导致缺氧,In的氧使透光率很低而薄膜电阻6。3结论采用直流磁控溅射法镀制ITO透明半导体膜时,陶瓷靶要优于合金靶。当温度330,氧氩比1/40,溅射气压0.45Pa和溅射速率24nmmin-1左图4不同溅射速率下ITO膜的电阻率和透光率Fig.4ResistivityandtransmissivityofITOfilmindifferentsput2teringspeed右时,所得薄膜电阻率降到了1.8×10-4cm,可见光透过率达到了80%以上。参考文献:1王承遇,陶瑛,王波.玻璃表面的透明半导体

12、薄膜J.玻璃与搪瓷,2000,27(4):50.2林钰,辛荣生,贾晓林.淀积温度和氧含量对ITO膜结构及性能的影响J.稀有金属,2003,27(4):510.3OyamaT,HashimotoN,ShimizuJ.LowresistanceindiumtinoxidefilmsonlargescaleglasssubstrateJ.J.Vac.Sci.TechnolA,1992,10(4):1683.4李玉增,赵谢群.氧化铟锡薄膜材料开发现状与前景J.I之间有对应的关系,表2为氧压比1/40,溅射气压0.45Pa,膜厚60nm时的测量结果。图4是通过测量溅射电流所得到的ITO膜电阻率和透过率与

13、溅射速率之间的关系曲线。从图4中可看到,随着溅射速率的增大,电阻率降低,透光率逐渐变小。这是因为当溅射速率低至10nmmin-1时,从靶上溅射到基底的原子数量很少,从而可以与周围的氧气进行充分反应,导致薄膜的透光率较高,但较少的氧空位和掺杂锡的稀有金属,1996,20(6):455.5陶海华,姚宁,辛荣生,等.ITO透明导电薄膜的制备及光电特性研究J.郑州大学学报(理学版),2003,35(4):37.6来冰,丁训民,袁泽亮.同步辐射光电子能谱对ITO表面的研究J.半导体学报,1999,20(7):543.InfluenceofTechnologicalFactorsonElectricala

14、ndOpticalPropertiesofITOFilmsDepositedbyDCMagnetronSputteringMethodXinRongsheng13,LinYu2(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450052,China;2.450014,China)DepartmentofChemistry,HenanEducationInstitute,ZhengzhouAbstract:Theinfluenceoftechnologicalfactorsonelec2tricalan

15、dopticalpropertiesofITOtransparentconductivefilmspreparedbyDCmagnetronsput2teringmethodwasresearched.Thesetechnologicalfactorsconsistofthetemperature,thetarget,theratioO2/Ar,thesputteringpressureandthesputteringspeed.Theexperimentalre2sultsshowthatITOtargetisbetterthanIn2SntargetKeywords:magnetronsputtering;ITOfilm;resistivity;transmissivity(speciallyinresistivity),andw