ITO薄膜厚度和含氧量对其结构与性能的影响

1、2012-07-19#2012-07-19#2#012-07-19#ITO 薄膜厚度和含氧量对其结构与性能的影响辛荣生 1，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: 在玻璃衬底上用直流磁控溅射的方法镀制 ITO 透明半导体膜，采用 X 射线衍射技术分析了膜层晶体结构与薄膜厚度和氧含量的关系，并测量了薄膜电阻率及透光率分别随膜厚和氧含量的变化情况。以低氧氩流量比(1/40)并控 制膜厚在 70 nm 以上进行镀膜，获得了结晶性好、电阻率低且透光率高的 ITO 透明半导体薄膜，所镀制的 ITO 膜电阻 率降

2、到 1.8×104 ·cm，可见光透光率达 80 %以上。关键词: 无机非金属材料；ITO 膜；氧氩流量比；电阻率；透光率中图分类号: TN304.055文献标识码:A文章编号:1001-2028（2007）07-0021-03Influence of thickness and oxygen content of ITO thin films on itsstructure and propertiesXIN Rong-sheng1, LIN Yu2(1. College of Material Science and Engineering, Zhengzhou Uni

3、versity, Zhengzhou 450052, China; 2. Department ofChemistry, Henan Education Institute, Zhengzhou 450014, China)Abstract: ITO transparent semiconducting films were deposited onto the glass substrates by DC magnetron sputteringmethod. The film structure related to film thickness and oxygen content wa

4、s determined by X-ray diffraction. The resistivity and transmissivity changed with film thickness and oxygen content individually were also measured. The ITO transparent semiconducting films with well crystallinity, low resistivity and high transmissivity were obtained, which deposited byprocessing

5、of low flow ratio O2/Ar(1/40) and film thickness above 70 nm. The ITO film resistivity is 1.8×104 ·cm andvisible light transmissivity is beyond 80 %.Key words: non-metallic inorganic material; ITO film; ratio O2 /Ar; resistivity; transmissivity氧化铟锡（ITO）透明半导体膜具有一系列独特性能，如电导率高、可见光透光率高、膜层硬度高且耐

6、 化学腐蚀，在平面显示器、太阳能电池、电致变色镜、 热镜、智能窗和薄膜电池等领域获得广泛的应用1。近几年来人们已经研究了用多种沉积技术来制备 ITO 透明半导体膜2，但至今为止磁控溅射法还是最普 遍使用的方法。很多人在直流磁控溅射法镀制 IT膜 方面作了大量的工作，特别是镀膜工艺条件对薄膜光 电特性影响方面已有较多文献报导，但有关薄膜厚度 和含氧量对 ITO 薄膜结构影响的详细报道却极其少见。笔者采用直流磁控溅射的方法镀制 ITO 薄膜，研 究了膜厚和含氧量对 ITO 透明半导体膜结构的影响， 并讨论了与之对应的性能关系。1实验1.1 镀膜采用直流磁控溅射法在玻璃基片上制备 ITO薄膜。在 C

7、S300 型溅射设备上，先用真空泵把溅射室的压强抽到 3×103 Pa，然后通纯度为 99.999 %的氩气， 氩的压力维持在 0.5 Pa。基板玻璃装入溅射室前，先 用有机溶剂清洗，然后用去离子水超声清洗两遍。靶 材用纯度为 99.99 %的氧化铟锡陶瓷靶(ITO 靶)。沉积 前，靶材提前预溅射 10 min，以消除任何黏附物，并 杜绝任何其它溅射的影响。改变膜厚时，通入的氧氩 体积流量比为 1/40；改变氧氩流量比镀膜时，控制膜 厚为 100 nm。衬底温度均保持在 330 。收稿日期：2007-04-09通讯作者：辛荣生2012-07基-金1项9目：#河#南#省科#技#攻#关项

8、#目#（#02#243#80#029#） #2012-07-19#2#012-07-19#1.2 测试采用 MCK2B 型测控仪测量镀膜速率，SDY5 型 双电测四探针仪测薄膜方块电阻，755 B 紫外可见分 光光度计测可见光透光率(测量波长 550 nm)，X 射线 衍射仪测 XRD 谱2结果与讨论2.1 膜厚的影响XRD 谱表明，薄膜具有体心立方氧化铟锌矿结构3。 图 1 曲线分别为 50，70，100，140 和 200 nm 不同薄 膜厚度 ITO 膜样品的 XRD 谱，所有薄膜均显示氧化 铟的（222）加强峰，同时还显示了明显的(400)和(440) 峰，说明薄膜中（111）晶面和其

9、它晶面共存。化不再明显；此时，（400）和（440）峰强度增加，膜层随机取向加大，也说明膜层结晶程度变好，并且这时没有观察到衍射峰强度比（如I(400) / I(222)或 I(440) /I(222)）与膜厚间再有变化的趋势，说明这时的晶面随机取向不再随膜厚的增加有大的变化。另外，表 1 中 得到的晶面间距要比由 In2O3 晶体 JCPDF 卡给出的数 值大，说明晶格间存在一定的应力6。图 2 给出了对应的样片电阻率和可见光透光率参 数，可见，当膜厚达 70 nm 以上时，薄膜导电性和透光 性都很好，与上述结构分析结果相符。所镀制的 ITO 膜 电阻率最低已降到 1.8×104

10、·cm，可见光（550 nm） 透过率达 80 %以上。但膜太厚时，可见光透光率将低 于 80 %。100(222)I14(400)129050 nm (440)108070 nm8670100 nm4602140 nm050050100150200250200 nmd / nm不同膜厚下 ITO 膜的电阻率与透光率图 22030402 / (°)50Fig.2 Resistivities and transmissivities of ITO film at different film thicknesses2.2 氧含量的影响氧含量可通过调节进入镀膜室氧气流量和氩气流

11、 量的体积比例(氧氩流量比)来控制，实验发现氧氩流 量比对 ITO 膜结构也有影响。图 3 是在膜厚 100 nm 下氧氩流量比分别为 0/40，1/40，2/40 和 4/40 时用 ITO 靶所镀制薄膜的 XRD 谱。图 1 不同膜厚下 ITO 膜的 XRD 谱Fig.1 XRD spectra of ITO films at different film thicknesses根据图 1 衍射峰按 Scherer 公式和 Bragg 公式4得到的膜层晶体结构参数见表 1。表 1 不同膜厚下 ITO 膜的结构参数Tab.1 Structure parameters of ITO film

12、at different film thicknesses(222)I0/40由表 1 可看出，当膜厚在 70 nm 以下时，（222）衍射峰强度相对较大，说明这时膜层具有(111)择优取 向，还可看出(222)衍射峰半高宽是随着膜厚的增加而 减小的。当膜厚达 70 nm 以上时，半高宽的变化大大 减缓，此时对应的晶粒尺寸变化也大大减小。这说明 随着薄膜厚度的增加，薄膜的晶粒度逐渐增大，晶化 程度提高5，薄膜变得非常致密，最终晶粒尺寸的变2030402 / (°)50图 3 不同氧氩流量比下 ITO 膜的 XRD 谱Fig.3 XRD spectra of ITO film at d

13、ifferent flow ratioes of O2/Ar由图 3 得到的膜层晶体结构参数见表 2。从图 3 和表 2 可看出，氧氩流量比 0/40 时(111) 择优取向较明显一些，晶粒尺寸相对较小。氧氩流量 比在 1/40 以上时薄膜结晶性均比较好，且薄膜结晶性 / 104(·cm)T / %(400)(440)1/402/404/40膜厚nm衍射峰 晶向晶面间距nm半高宽（º）晶粒尺寸nm相对峰强%50(222)0.293 50.37022.18100(400)27.26(440)11.6270(222)0.293 40.20340.36100(400)48.23(

14、440)37.94100(222)0.293 60.19342.83100(400)56.12(440)43.65140(222)0.293 50.17745.26100(400)54.36(440)42.71200(222)0.293 50.18943.04100(400)57.44(440)44.86 电阻率透光率随氧氩流量比的增大会略有改善。表 2 不同氧氩流量比下 ITO 膜的结构参数Tab.2 Structure parameters of ITO film at different flow ratioes of O2 /Ar结果使薄膜电阻率迅速增大。当过低的氧氩流量比(如0/40

15、 时)影响到膜层的结晶性时，也会导致薄膜电阻率 升高。另外，从表 2 中所列的结构参数来看，氧氩流 量比在 1/40 以上时 ITO 膜结晶程度的变化不是很大, 而对应列入表 3 中的薄膜透光率变化也不明显。所以， 表 3 给出的 ITO 光电特性与表 2 列出的结构分析结果 是一致的。3结论采用直流磁控溅射 ITO 陶瓷靶的工艺，在玻璃衬底上镀制了 ITO 透明半导体膜,薄膜电阻率最低已降到 1.8×104 ·cm，可见光透光率达到 80 %以上。通 过研究薄膜厚度和含氧量对 ITO 透明半导体膜结构和 性能的影响，认为在确定 ITO 陶瓷靶的最佳掺 SnO2 比例后，以

16、低氧氩流量比(1/40)和控制膜厚在 70 nm 以 上进行镀膜，能获得结晶性好、电阻率低和透光率高 的 ITO 透明半导体薄膜。表 3 给出了不同氧氩流量比下 ITO 膜电阻率及透光率的参数。表 3 不同氧氩流量比下 ITO 膜的电阻率与透光率Tab.3 Resistivities and transmissivities of ITO film at different flow ratioes of O2 /Ar由表 3 看出，氧氩流量比为 1/40 时导电性最好。当氧氩流量比升高或降低时，电阻率都将提高，且随 氧氩流量比的增大电阻率增加很快，但透光率增减变 化不多。这是因为 ITO 膜

17、属 n 型半导体薄膜，其载流 子来源主要有施主 Sn4+置换氧化铟中 In3+放出的一个 电子和处于还原态氧化铟本身的氧空位放出的二个电 子2，因此在确定了靶材最佳的掺 SnO2 水平后，若增 大镀膜室中的氧氩流量比就会减少 ITO 膜中的氧空 位，从而降低薄膜的导电性能。增大氧氩流量比虽因 结晶性略好可提高膜层载流子迁移率7，但因氧空位 的急剧下降和掺杂 Sn 的氧化，造成载流子浓度降低，参考文献：1徐美君. ITO 透明导电膜玻璃生产及应用 J. 玻璃与搪瓷, 2001, 29(2):5359.王承遇, 陶瑛, 王波. 玻璃表面的透明半导体薄膜J. 玻璃与搪瓷,2000, 27(4): 5

18、056.陈跃. 磁控溅射 ITO 透明导电薄膜的研究 J. 福州大学学报（自然科学版）, 1999, 27(4): 1820.刘静, 李秀荣, 李长珍. 基材温度对铟锡氧化物膜结构与性能的影响J. 硅酸盐学报, 2000, 28(3): 251254.辛荣生, 林钰. ITO 薄膜的制备及其光电特性的研究 J. 电子元件与材料, 2005, 24(9): 3941.周静, 刘静. X 射线分析温度对 ITO 膜结构与电性能的影响 J. 武汉理工大学学报, 2001, 23(9): 13.Oyama T, Hashimoto N, Shimizu J , et al. Low resistanc

19、e indium tin oxide films on large scale glass substrate J. J Vac Sci Technol A, 1992, 10(4):16831684.（编辑：陈渝生）234567下·锌掺杂纳米 TiO2 光催化剂制备条件研究期要目·片式电阻混合焊点热循环负载下的可靠性研究·曲折状 CoFeSiB 三明治薄膜及其巨磁阻抗效应·中高压铝电解电容器用电子铝箔腐蚀系数的研究·旋转腔内两种研究射流速度的方法比较·微波介质陶瓷/铁氧体复合材料低温共烧行为的研究·M 型铁氧体 BaFeCoTiMnO 微波吸收性能研究·无铅焊膏用助焊剂的制备与研究·中频交流磁控溅射制备 AZO 薄膜及退火工艺研究·无 VOC 助焊剂的无铅波峰焊工艺探讨·低温多晶硅薄膜的制备技术进展·