ITO透明導電薄膜的磁控濺射法制備工藝

1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y課 程 設 計 論 文ITO透明導電薄膜的磁控濺射法制備工藝學院名稱: 材料學院 專業(yè)班級: 無機光電0902 學生姓名: 張亞平 指導教師姓名: 李保家 指導教師職稱： 2012 年 6 月18ITO透明導電薄膜的磁控濺射法制備工藝摘要: 銦錫氧化物(簡稱ITO) 是In2O3摻Sn的半導體材料, 其薄膜由于具有優(yōu)良的導電性和光學性能,引起了人們的廣泛關注， 隨著薄膜晶體管(TFT)， 液晶顯示( LCD)，等離子顯示(PCD)等高新技術的不斷發(fā)展，現今工業(yè)上以制備均勻的大面積ITO薄膜為熱點。本文介紹了透明導電薄膜的定義及

2、其導電機理，并就其中一種應用十分廣泛的材料ITO進行了介紹，詳細講解了利用磁控濺射法制備ITO納米透明導電薄膜，分析其結構及其光電性能，利用透射電子顯微鏡(SEM)、X 射線衍射(XRD)對薄膜的的結構、形貌和電化學性質進行表征，并對其發(fā)展進行了展望。關鍵詞：氧化銦錫薄膜（ITO）；直流磁控濺射法；制備工藝ITO透明導電薄膜的磁控濺射法制備工藝1 引言 透明導電薄膜是一種既能導電又在可見光范圍內具有高透明率的一種薄膜，透過性的標準是透過率60%以上，導電性的標準是表面電阻在1010cm以下1。透明導電薄膜的種類主要有金屬膜、氧化物膜、多層復合膜和高分子膜等， 其中氧化物薄膜占主導地位。透明導電

3、氧化物( TCO) 薄膜主要包括In、Sn、Zn、Cd 的氧化物及其復合多元氧化物薄膜。1907年Badeker首先制備并報道了 CdO透明導電薄膜， 將物質的透明性和導電性這一矛盾統(tǒng)一起來。在隨后的幾十年中，人們發(fā)現和研究了多種材料的 TCO薄膜，并不斷擴大它們的用途。目前研究人員主要集中在對SnO2基、In2O3基以及ZnO基透明導電膜的研究2。2 透明導電薄膜的導電機理2.1 透明度 透明導電膜的透明度主要取決于膜的光納N=n- ik 和光學厚度nd。在基底的光納Ng=ngikg，和透明光波的波長認確定的條件下，由光學薄膜的理論可計算出單層膜的透光率3 (1)式中N0是光波入射介質的光納

4、，Re(Ng) 是基底光納的實部，B 和C是膜系特征矩陣的元素。 (2) (3)式中是折射角。一般情況 下 N0= 1，Ng=1.5 2，nd =/2， = 0o。In 2O3-x膜的光納 N =n-ik，其中n=2，在一定的工藝條件下和在可見光譜區(qū)域內，左kO，代入公式(1)可計算出 In 2O3-x膜對可見光的積分透光率T=90。理論計算的結果與實測的結果非常接近。In 2O3-x膜的短波吸收限在0.38m，摻入適量的SnO2后吸收限可推移到0.35m。為了提高透明導電膜的透光率，將單層的膜再與一種或幾種光學介質膜組合，能夠設計成多層增透膜系，從而達到高透明的目的。2.2 導電性透明導電膜

5、的導電性可用能帶理論進行解釋。金屬薄膜的禁帶寬度近似于零，如圖1a所示4。電子很容易由滿帶跨躍到導帶中去，形成了自由電子，因自由電子的濃度很高，因此金屬薄膜的導電性非常好。有些金屬膜的禁帶盡管還是有一定的寬度，但它滿帶中的一些能級上沒有充滿電子，如圖1b 所示，這類金屬膜的導電性也較好。介質膜的禁帶寬度很寬，如圖1c所示，滿帶中的電子在外電場作用下不能跨過禁帶而進 入導帶中去，因而不能形成導電的電子。介質膜屬于絕緣體。半導體薄膜的禁帶寬度較窄，通常約為1eV，如 圖1d所示。在較弱的外電場 作用下一部分電子能夠躍過禁帶而進入導帶中去，形成了導電的電子。而滿帶中失去電子的地方便成為一個空穴。在半

6、導體理 論中把導帶中的電子和滿帶中的空穴統(tǒng)稱為載流子。結構完整和成份很純的半導體薄膜屬于電子和空穴混合導電的本征半導體膜層，其載流子濃度較低，導電性并不好，方電阻往往較大。為了改善半導體膜的導電性，需要將膜的結構具有適當的缺陷和膜成份中具有適量的摻雜。 圖1 電子填充能帶的情況一種缺陷是膜層晶格點陣中缺少了負離子或者填隙了正離子，就如同那里有一個正電中心，能帶理論認為，正電中心的能級一般地分布在禁帶之中，并且靠近導帶，正電中心能級上的 電子能夠較容易地跨躍到導帶中去，使導帶中的載流子濃度提高了，得到的是n型半導體膜層。如果膜層晶格點陣中缺少了正離子或者填隙了負離子，就如同 那里有一個負電中心，

7、負電中心的能級一般地分布在禁帶之中，并且靠近滿帶，滿帶中的電子能夠容易地跨躍到負電中心的能級上去，從而在滿帶中就出現了空穴，同樣也提高了載流子濃度，得到的是p型半導體膜層。在高真空下鍍制半導體膜層時，由于缺氧，膜層晶格中金屬離子的比例增多了，通常得到的是帶正電中心的n型半導體膜層，在氧氣中鍍制半導體膜層時，由于氧過量，膜層晶格中氧離子的比例增多了，通常得到的是帶負電中心的p型半導體膜層5。摻雜也能改善半導體薄膜的導電性，一種摻雜是使晶格中產生多余的非共有化運 動的價電子，例如In203薄膜中摻雜適量的Sn02后，晶格點陣中一部分三價的錮離子In+3就 被四價的錫離子 Sn+4所占據，錫離子 S

8、n+4中有三個價電子與相鄰的銦離子共有化，還剩一個價電子不能參加共有化運動，這個非共有化價電子的能級分布在禁帶之中并靠近導帶，在常溫下這個價電子很容易躍遷到導帶上去變成 自由電子，使得整個晶體的載流子(指電子)濃度提高了，從而改善了In2O3膜的導電性。另一種摻雜是在晶格中缺少了共有化運動的價電子，還是以In2O3薄膜內摻雜ZnO為 例來說明這個問題。摻雜后，In2O3晶格中一部分三價的銦離子In3+被二價的鋅離子Zn2+ 所占據，在晶格中為了維持鋅離子與它周圍銦離子之間具有共價鍵的結構，鋅離子勢必要成為飽和的共價鍵結構，也就是要吸引附近的一個價電子 來構成飽和結構，被吸引去的電子原來所處的位

9、置便成了空穴。出現空穴的根本原因是缺少了共有化價電子。這種缺少了共有化價電子的雜質能級也分布在禁帶之中，并且靠近滿帶，在常溫下滿帶中的電子很容易躍遷到雜質能級上去，使得滿帶中出現了空穴，整個膜層的載流子的濃度(指空穴)提高了，導電性變好了6。由薄膜的導電機理可知，金屬膜導電是由于組成膜的自由電子受到電場作用而定向運動的結果，方電阻主要取決于膜層的厚度，不會因為鍍膜工藝條件變化而有較大的變化，半導體薄膜導電是由于載流子在外電場作用下做定向運動的 結果，方電阻的大小除了與膜的幾何厚度有關外，主要取決于鍍膜的工藝技術。3 ITO簡介3.1 ITO的基本性質可見光透過率高而又有導電性的薄膜稱為透明導電

10、薄膜。透過性的標準是透過率 60%以上，導電性的標準是表面電阻在1010cm以下7。透明導電薄膜的種類主要有金屬膜、氧化物膜、多層復合膜和高分子膜等，其中氧化物薄膜占主導地位。目前研究人員主要集中在對SnO2基、In2O3基以及ZnO 基透明導電膜的研究，而摻錫In2O3(簡稱ITO)薄膜又是當前研究和應用最廣泛的透明導電薄膜。錫摻雜的氧化銦是一種體心立方鐵錳礦結構的n 型半導體透明導電薄膜， 具有以下特性： 導電性能好( 電阻率可低達10-4cm)，帶隙寬(3.54.3 eV) ，載流子濃度(1021cm-3)和電子遷移率( 1545 cm2V-1s-1) 較高； 在可見光波段透過率高，可達

11、85%以上; 對紫外線的吸收率較高，可達85%以上； 對紅外線具有反射性，反射率高于80%； 對微波具有衰減性，衰減率可達85%以上； 膜層硬度高，耐磨，耐化學腐蝕(氫氟酸等除外)； 膜層具有很好的酸刻、光刻性能，便于細微加工，可以被刻蝕成不同的電極圖案。由于具有上述優(yōu)良特性，ITO薄膜被廣泛用于平面顯示、電致變色(EC)窗、太陽能電池透明電極、微波屏蔽和防護鏡、交通工具的風擋玻璃等8。3.2 ITO的制備制備ITO薄膜的方法有很多種，幾乎所有制備薄膜的方法都可用于制備ITO 薄膜。制備方法主要有物理法和化學法。物理法包括真空蒸發(fā)法、離子增強沉積、激光脈沖沉積等?；瘜W法包括溶膠-凝膠法、噴霧熱

12、解法、化學氣相沉積法、均相沉淀法等911。3.2.1 真空蒸發(fā)法真空蒸發(fā)鍍膜法(簡稱真空蒸鍍)是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到固體(稱為襯底或基片)表面，凝結形成薄膜的方法，由于真空蒸發(fā)法或真空蒸鍍法主要物理過程是通過加熱蒸發(fā)材料而產生，所以又稱為熱蒸發(fā)法。按照蒸發(fā)源加熱部件的不同，蒸發(fā)鍍膜法可分為電阻蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、高頻感應蒸發(fā)、電弧蒸發(fā)、激光蒸發(fā)法等。采用這種方法制造薄膜，已有幾十年的歷史， 用途十分廣泛。3.2.2 噴霧熱解法 噴霧熱解法( Spray Pyrolysis，SP)是將金屬鹽溶液霧化后噴入高溫區(qū)同時進行干燥和

13、熱分解的工藝方法， 可以用于氧化物陶瓷粉末(特別是復合粉末)合成、纖維合成和薄膜制備。用該法制備的ITO薄膜的電導率高，對可見光的透過率可達90%以上。自從1960年ChamLerlin和Skarman在用噴霧熱分解法制取薄膜方面做了開創(chuàng)性工作以來，該方法已用于ZnO、ITO、ZnS: Mn等透明薄膜以及YBaCuO超導薄膜等的制備上12。3.2.3 溶膠-凝膠( Sol-Gel)法溶膠是指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中，并且不停地進行布朗運動的體系。溶膠凝膠法制備涂層的基本原理是：以金屬醇鹽或無機鹽為前驅體，溶于溶劑(水或有機溶劑)中形成均勻的溶液，溶質與溶劑產生水解或醇解反應，反應生成物聚

14、集成幾個納米左右的粒子并形成溶膠，再以溶膠為原料對各種基材進行涂膜處理，溶膠膜經凝膠化及干燥處理后得到干凝膠膜，最后在一定的溫度下燒結即得到所需的薄膜。3.2.4 化學氣相沉積法化學氣相沉積法(CVD)是一種或幾種氣態(tài)反應物(包括易蒸發(fā)的凝聚態(tài)物質在蒸發(fā)后變成的氣態(tài)反應物)在襯底表面發(fā)生化學反應而沉積成膜的工藝。反應物質是由金屬載體化合物蒸氣和氣體載體所構成，沉積在基體上形成金屬氧化物膜，襯底表面上發(fā)生的這種化學反應通常包括銦錫原材料的熱分解和原位氧化。3.3 ITO的應用3.3.1 用于平面顯示ITO薄膜大量應用于平面顯示器，例如液晶顯示(LCD)、電致發(fā)光顯示 (ELD)、電致彩電顯示(E

15、CD)等。隨著液晶顯示器件的大面積化、高等級化和彩色化，LCD將超過CRT成為顯示器件中的主流產品13。3.3.2 用于電致變色 (EC)靈巧窗ITO薄膜對光波具有選擇性，可用于寒冷地區(qū)和高層建筑的視窗，使建筑物內暖氣、冷氣和照明等能耗減少50%以上，將使熱量保存在封閉的空間里， 起到熱屏蔽作用，并使外界熱量難以輻射入室內。3.3.3 用于太陽能電池在 ITO的實際應用方面，還有一個十分重要又頗具發(fā)展前景的領域：太陽能技術。由涂覆在半導體材料(如Si、GaAs、InP等)表面上的ITO膜所形成的雜結構體，已經成功地用于把太陽能轉換為電能的一種有效的能源轉換器上面。ITO薄膜用于異質結 SIS太

16、陽能電池頂部氧化物層，可以得到高的能量轉換效率。3.3.4 用于微波屏蔽和防護鏡ITO薄膜具有良好的微波屏蔽作用，能防靜電，也用于屏蔽電磁波的地方， 如微波暗室消除設備、計算機房和雷達的屏蔽保護區(qū)，防雷達隱形飛機的涂層等。 ITO透明導電薄膜玻璃對微波的衰減可達-30dB。茶色ITO薄膜是銦、錫氧化物的新品種，它能防紫外線和紅外線，濾去對人體有害的紫外波段，因此鍍ITO膜的玻璃鏡片可用做特殊防護鏡。3.3.5 用于軍事上的隱身技術ITO材料具有良好的光學性能，在可見光區(qū)具有高透過率，由于基本能帶的原因，在紫外光區(qū)具有高吸收率，同時由高自由載流子濃度決定的等離子體吸收在中遠紅外區(qū)，使其具有高反射

17、率。這是ITO能應用于偽裝隱身技術的根本原因。3.3.6 用于傳感器方面在ITO薄膜的表面吸附了氣體之后，薄膜的導電性就會發(fā)生變化，因此可用于各種高靈敏度的傳感器，專門用于發(fā)現和測量各種氣體的濃度。自1993年以來，特別是2000年以來，對In2O3氣敏性能的研究出現了大量的文獻報道，研究表明，ITO薄膜對NH3、CO、O3、NO2有很高的靈敏度。3.4 我國ITO技術現狀和發(fā)展趨勢為了充分了解ITO薄膜的特性并利用其優(yōu)良性能，今后研究人員至少需要在以下幾個方面加強研究： 多元 TCO 薄膜的性質； 低溫和室溫ITO薄膜的制備； ITO 薄膜的導電機理； 納米尺度ITO材料的特性； In2O3

18、基的摻雜化合物的性能14。我國的ITO產業(yè)十分發(fā)達，是ITO導電玻璃的主要生產國。但是在納米級別的ITO制備上，中國則落后于美國、日本等發(fā)達國家，他們已經可以制備出10nm以下的ITO薄膜，因此，我們仍需要繼續(xù)努力研究，突破瓶頸。4 直流磁控濺射法制備納米ITO薄膜現在制備ITO薄膜的方法有很多，不同的方法原理不同，產物的形貌結構會有很大的差異，產量的也會相差很大。在如此眾多的方法中，磁控濺射法比較適用于工業(yè)上的大規(guī)模生產，磁控濺射法的優(yōu)點在于：成膜面積大，沉積速度快， 可適用于大規(guī)模生產；獲得的ITO薄膜密度高，而且薄膜的純度較高(在濺射過程不存在污染) ；濺射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜

19、厚再現性好；薄膜與襯底的附著性好；工藝穩(wěn)定性好。下面探討直流磁控濺射法制備納米ITO薄膜的工藝細節(jié)。4.1 工藝簡介 磁控濺射法是目前工業(yè)上應用較廣的鍍膜方法。磁控濺射沉積可分為直流磁控濺射沉積和射頻磁控濺射沉積，而直流磁控濺射沉積是當前發(fā)展最成熟的技術。該工藝的基本原理是在電場和磁場的作用下，被加速的高能粒子( Ar+)轟擊銦錫合金(IT)靶材或氧化銦錫(ITO)靶材表面，能量交換后，靶材表面的原子脫離原晶格而逸出，濺射粒子沉積到基體表面與氧原子發(fā)生反應而生成氧化物薄膜。4.2 工藝原理 電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在

20、電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內，該區(qū)域內等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠離靶材，最終沉積在基片上。4.3 生產設備 圖2所示為磁控濺射鍍膜生產線。其主體設備的主要組成部分如下。 圖2 TD-750型透明導電膜玻璃鍍膜生產線15 （1）真空室：304不銹鋼材料制造，立式結構，外壁通冷卻水。

21、所有箱體均通過退火處理。 （2）真空系統(tǒng)：渦輪分子泵抽氣系統(tǒng)。 （3）鍍膜系統(tǒng)：直流及中頻磁控濺射陰極，配合環(huán)控制系統(tǒng)。配備先進的平面濺射陰極。 （4）烘烤系統(tǒng)：采用不銹鋼管狀加熱器配合均熱板，確保基片加熱均勻性。 （5）充氣系統(tǒng)：高精度氣體質量流量計及均勻布氣裝置。 （6）電氣控制系統(tǒng)：工程機及PLC自動控制，安裝中文全自動控制軟件。15寸彩色觸摸屏操控界面。 （7）水冷系統(tǒng)：真空室冷卻和陰極冷卻，有水壓和水流保護開關。4.4 生產流程先將靶材放進真空室，一邊將真空室抽成真空狀態(tài)，一邊通入氬氣，在外壁通上冷卻水。在鍍膜系統(tǒng)中，經過濺射將從靶材料中濺射出的原子沉積在基片上成膜，同時均勻加熱基片

22、。鍍膜完成后通過水冷系統(tǒng)了卻。4.5 ITO薄膜的結構和表面形貌圖3( a) 為濺射功率比較小的ITO薄膜SEM 圖片，圖3( b)為濺射功率比較大的ITO薄膜SEM圖片，通過( a)和( b)比較可以看到，濺射功率小的ITO顆粒容易在基體表面團聚，成島狀不連續(xù)分布，顆粒度大小不均勻，致密度差，當濺射功率大時，ITO顆粒結晶度越高，均勻性好，致密度越好。通過圖3( a)和3( b) 的比較同時也驗證了隨著濺射功率的增大，ITO表面電阻減小；隨著濺射功率增大，ITO薄膜致密性增大透光率減小16。 圖3 不同濺射功率下ITO薄膜的SEM圖(圖a,b)17圖4為不同濺射功率下ITO薄膜的X射線衍射(

23、 XRD)測試圖譜。對照標準的PDF卡可知，圖譜中的衍射峰與In2O3的( 211)、( 222)、( 400)、( 440) 和( 622) 等特峰對應，沒有發(fā)現In、Sn單質及其亞氧化物的衍射峰，由于In3+和 Sn4+的離子半徑相差不大，并且m( In2O3) ：m( SnO2) = 9：1，所以 Sn4+離子取代了In3+的位置，SnO2溶入In2O3晶格形成固溶體結構，因此ITO薄膜保持 In2O3晶體結構16。隨著濺射功率增大，(222)峰的強度降低，(400)峰強度增大，功率的增強改變晶體的結構，在濺射功率為110W時，ITO薄膜沿( 222)和( 400)擇優(yōu)取向。 圖4 不同

24、濺射功率下ITO薄膜的XRD譜184.6 影響ITO薄膜性能的因素1 濺射功率對ITO薄膜的影響 ITO的載流子主要來源是氧空位和Sn4+代替In3+放出的一個電子。理想的In203結構中In3+是滿態(tài)，與O2-結合完全。當部分四面體間隙中的O2一成為無序后，會留出空位，形成氧空位，即InZO3-X，存在過剩的自由電子。同時，Sn4+代替In3+會提供電子到導帶，形成n型摻雜。圖5所示為氧分壓為0.02Pa、沉積氣壓為1.2Pa時，ITO薄膜的R與隨濺射功率的變化，由圖可看出，隨著功率的增大，R逐漸減小。當功率較低時，從靶上濺射到基底的原子數量和動能很小，在基底表面具有較大的表面遷移能，從而可

25、以與周圍的氧氣進行充分反應，導致氧空位的減少和吸附氧原子的存在，從而使R較大。圖6為厚度與沉積速率隨濺射功率的變化圖，隨著功率的增加，薄膜的沉積速率加快，相應的厚度也逐漸增大。薄膜的厚度主要決定于濺射功率與時間，當濺射功率和時間一定時，厚度基本保持不變。當功率較小時，薄膜的厚度較小，電子將在界面發(fā)生漫反射，根據sondhermer的薄膜導電理論:=0(1+30/8d)(式中d為厚度，場為厚度無窮大時的電子平均自由程，0為厚膜遠遠大于場時的電阻率)，平均自由程效應會導致電阻率隨厚度的增加而減小，從而薄膜的R減小。考慮到后續(xù)器件(太陽電池)的制備，ITO薄膜厚度在150200nm為宜，在33w時可

26、獲得R約810/、厚度在150nm左右的ITO薄膜。 圖5 ITO的R與隨功率的變化19 圖6 薄膜厚度與沉積速率隨功率的變化19 圖7為不同功率下沉積的ITO的XRD測試圖。圖中21.30、30.3、35.3、60.30的衍射峰分別對應(211)、(222)、(400)、(622)晶面。在功率較低時(13w)，薄膜的結晶性能較差，雖出現結晶峰，但衍射峰并不明顯，薄膜處于非晶與多晶摻雜的階段，相應的R較大，導電性較差。隨著功率的增大，ITO薄膜出現了較強的衍射峰，結晶性進一步完善。隨著功率的升高，薄膜的擇優(yōu)取向也發(fā)生了明顯的變化，(222)晶面衍射峰逐漸減弱，(400)衍射峰逐漸增強，薄膜由(

27、222)的擇優(yōu)取向轉變?yōu)檠?222)和(400)隨機生長，相應地，R口逐漸減小，導電性提高，這可能與載流子的散射機制有關。 圖7 不同功率下沉積的IT0的XRD圖202 氧分壓對ITO薄膜的影響圖8為濺射功率為33w、沉積氣壓為1.2Pa時，在不同氧分壓下沉積的ITO薄膜的R口和的變化圖。由圖可看出，隨著氧分壓的升高，薄膜的導電性變差。O2濃度的升高使In氧化充分，形成接近標準化學計量比的氧化錮，從而使薄膜內的氧空位減少，同時導致摻雜錫的氧化，造成載流子濃度降低，從而使得薄膜的導電性變差。當氧分壓高達0.04Pa時，濺射到基底上的In203受到大量氧負離子的轟擊而發(fā)生分解生成低價的氧化物(In

28、O)，即：In2O3離子轟擊2lnO+O；同時，大量的氧負離子的轟擊還可能使沉積到基底上的薄膜顆粒脫離薄膜，導致薄膜中存在大量的位錯和吸附氧原子。因此，氧分壓很高時，薄膜的導電性和透過率均較差。隨著氧分壓的降低，In2O3分解生成低價的氧化物的程度減弱，吸附氧原子的數量逐漸減少，使得薄膜的R口逐漸減小、透光率也逐步增加。當氧分壓為0.0lPa時，薄膜的導電性和透過率達到最優(yōu)，R口約為8/，在400800nm的波長范圍內的平均透光率達到了82%。 圖8 ITO的R口和隨氧分壓的變化2413 沉積氣壓對ITO薄膜的影響選定濺射功率為33w、氧分壓為0.01Pa不變，在不同氣壓下沉積的ITO薄膜的導

29、電性與透過譜的變化見圖9、10所示。由圖可知，當氣壓較低時，ITO的導電性能與透光性均相對較差，這是因為氣壓較低時，ITO受到的散射較小，同時，低氣壓下平均自由程較大，導致趕Ar+的動能較大，因此從靶上濺射出來的原子的動能大，氧原子可以和濺射到基底上的原子進行充分反應，從而導致氧空位的減少和摻雜錫的氧化，使得薄膜的導電性能相對較差。隨著氣壓的升高，沉積形成帶有較高氧空位和摻雜錫的ITO膜，在1.01.6Pa的范圍，均可獲得678/的ITO膜，電阻率低至1.01.2l04cm。 圖9 ITO的R口和隨沉積氣壓的變化22 圖10 不同氧分壓下沉積的ITO的透過譜22隨著氣壓的升高，薄膜表面的平整度

30、增加，導致光散射更少，因此增加了可見光區(qū)域的透射。在1.21.6Pa，透過率基本無變化，在400800nm的波長范圍內，平均透過率均達到了82%。4 濺射壓強對ITO膜的影響在保持氧流量為0.62 seem，濺射功率為130w不變的條件下改變?yōu)R射壓強。電阻率和透過率隨濺射壓強的變化如圖11所示。 圖11 ITO薄膜的透過率和電阻率隨濺射壓強的變化關系圖23當濺射壓強較小(0.3 Pa)時，由于氣體稀薄，在濺射過程中，Ar+受到的散射較小，同時，低氣壓下長的平均自由程導致Ar+離子高的動能，因此從靶上濺射出的原子的動能大，氧原子能夠和濺射到基底的原子充分反應，這時膜的結晶狀況比較好，透過率較高。

31、這一充分氧化反應，造成氧空位的下降，因為ITO薄膜中氧空位對導電性起很大的作用。因此導致制備的ITO薄膜的電阻率較大，導電性較差。當濺射壓強較大(1 Pa)時，由于中性氣體和已經電離的氣體離子會頻繁的撞擊，因此，腔體內的Ar+受到強烈的散射作用使其動能較小，導致濺射出的靶原子的動能較小，靶原子飛向基底時遭到氣體分子和等離子體散射的幾率大，使得沉積到基底的原子能量較小，降低了高價銦錫氧化物的反應活性，會生成一些銦錫的低價氧化物，使薄膜呈暗棕色，同時，影響薄膜的結晶程度，使薄膜的電阻率變大，透過率變差。當濺射壓強介于中間某個值(0.7Pa)時，ITO膜的透過率很高，而電阻率很小，為最佳的濺射壓強值

32、。4.7 ITO薄膜的性能評價4.7.1 ITO薄膜的電學性能利用四探針電阻儀測試不同沉積參數下制備的ITO薄膜的方塊電阻，其變化如圖12所示。圖12 ITO薄膜方塊電阻隨濺射參數變化曲線24圖12中A曲線為其他參數不變(沉積氣壓0.15Pa，O2流量0 sccm)，單純改變功率時，薄膜方塊電阻變化曲線。從圖5中A曲線可以看出，當功率為100W 時，薄膜的方塊電阻為46，薄膜方塊電阻隨功率的增加而降低，當功率增大到 350W時，薄膜的方塊電阻減小到了24/。濺射功率增大時，薄膜沉積速率增加，氧化反應不充分，ITO薄膜中的氧空位增大，導致方塊電阻的降低。圖12中B曲線為其他參數不變(沉積氣壓0.

33、5Pa，濺射功率為100W )，單純改變O2流量時，薄膜方塊電阻變化曲線。從圖5B曲線可以看出，當O2流量為0時，ITO薄膜的方塊電阻為46/，當O2流量為0.2 sccm時，ITO薄膜的方塊電阻又降為30/，隨后ITO薄膜的方塊電阻隨著O2流量的增大而增大，當O2流量達到2.0 sccm時，薄膜的方塊電阻已經達到156/。當不通入O2的時候，In未充分氧化，存在較多的黑色InO，導致方塊電阻較大，同時可見光平均透過率較低。 當稍微通入O2時，薄膜氧化較充分，方塊電阻降低，但是當 O2流量過高時，氧空位和載流子的濃度較低，導致方塊電阻增高，降低薄膜導電性能，因此存在最佳的 O2流量范圍使得薄膜

34、的方塊電阻最低。圖12中C曲線為其他參數不變( O2流量為0sccm，濺射功率為250W )，單純改變沉積氣壓時，薄膜方塊電阻變化曲線。從圖12中C曲線可以看出，當沉積氣壓為0.5Pa時，薄膜的方塊電阻為31.7/，薄膜方塊電阻隨沉積氣壓的升高明顯增大，當沉積為2.5 Pa時，薄膜的方塊電阻達到1980/。當沉積氣壓增大時，濺射出來的靶材粒子被Ar氣散射的幾率大大增加，這樣就沒有足夠的能量在基體上結晶和遷移，導致了薄膜缺陷的增加，因此薄膜的方塊電阻隨著沉積氣壓的升高而增大，導電性能變差。4.7.2 ITO薄膜的光學性能 采用紫外-可見分光光度計檢測出在不同O2流量參數下制備的ITO薄膜的可見光

35、平均透過率(波長在400 800 nm)，如圖13所示。 圖13 ITO薄膜可見光平均透過率隨濺射參數變化曲線25 圖13曲線為其他參數不變(壓強為0.5Pa，濺射功率為100W )，單純改變O2流量時的薄膜平均透過率曲線，可以看出薄膜的可見光透過率隨著O2流量的增加而略有增加，因為在濺射過程中主要發(fā)生的反應是21： 直接氧化：4In+ 3O2= 2In2O3 二次氧化：2In+ O2 = 2InO；4InO + O2 =2In2O3 當O2分壓較低時，氧化反應不太充分，主要發(fā)生的反應是二次氧化：2In+ O2= 2InO，這樣會生成較多的黑色的 InO，薄膜的透過率下降，當O2分壓增大時，主

36、要發(fā)生的反應是直接氧化反應：4In+ 3O2= 2In2O3，反應比較充分，生成較多灰白色的 In2O3，使得薄膜的透過率增加。 當O2流量為0 sccm，濺射功率為250W，單純改變沉積氣壓時，經檢測發(fā)現薄膜平均透過率沒有明顯的變化，始終維持在84% 86% ，沉積氣壓對可見光平均透過率幾乎沒有影響。同樣當單純改變功率時(沉積氣壓為0.5Pa，O2流量為0sccm )，經檢測薄膜的平均透過率在 84% 左右，可以說明功率對薄膜可見光平均透過率沒有影響。5 結束語本文概述了透明導電薄膜的種類及其導電機理。對作為其中重要一支的ITO透明導電薄膜的制備方法和應用進行了詳細的介紹，對ITO有了更深的

37、了解。ITO透明導電薄膜作為重要的現代信息產業(yè)基礎產品，在許多領域都扮演著重要的角色，鑒于ITO薄膜的優(yōu)異特性, 有必要組織科研人員進行更深層次的技術攻關。這不僅有利于ITO薄膜的使用, 更主要的一點是對ITO復雜結構及機理的研究, 可以促進對其它氧化物薄膜的認識隨著科學技術研究的不斷深入和高新技術及現代國防發(fā)展應用的需要, ITO透明導電薄膜必將在新型的電子薄膜材料中占有越來越重要的地位。參考文獻1 段學臣, 陳振華, 周立等. 超細氧化銦-氧化錫 ( ITO)復合粉末的研制與結構特性 J. 稀有金屬, 1998, 22(5): 396399 2 張維佳, 王天民, 吳小文等. 納米ITO粉

38、末制備工藝優(yōu)化設計 J. 稀有金屬材料與工程, 2005, 9(34): 135313563 毛黎明, 李歷歷, 段學臣. 兩種不同分散劑對 ITO納米粉末粒度和團聚的影響 J. 稀有金屬與硬質合金, 2005, 33(1): 574 周洪慶, 呂軍華, 沈曉冬. ITO納米粉制備及表面修飾研究 J. 南京工業(yè)大學學報, 2004, 26(4): 28305 朱協(xié)彬, 段學臣. 在納米 ITO 粉末共沉淀法制備過程中pH值的影響 J. 稀有金屬與硬質合金, 2006, 34(2): 8116 姜辛, 張超, 洪瑞江, 戴達煌, 透明導電氧化物薄膜 M. 北京: 高等教育版社, 20087 王樹林.