ITO薄膜制备及特性

1、一、ITO薄膜的制备方法薄膜的制备方法有多种，如磁控溅射沉积、真空蒸发沉积、溶胶-凝胶和化学气相沉积法等1. 1磁控溅射法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+)轰击锢锡合金 (IT)靶材或氧化锢锡(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HJ。1. 2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

2、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。1. 3溶胶一凝胶(SolGel)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

3、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于凝 胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的薄膜。1. 4化学气相沉积法（CVD） 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锢锡原材料的热分解和原位氧化u2I。如果在CVD法中采用锢、锡有机金属化合物作为 原材料，则称为MOCVD法。MOCVD法具有沉积温度低、薄膜成分和厚度易控制、均匀性好和重复性

4、好等优点。具体过程为， 以乙酰丙酮锢和四甲基锡为原材料，在300下通过化学气相沉积过程中的热分解和原位氧化制取ITO薄膜，其反应方程式 为：21n（C5H,J J气）+36Oj气）一 In,J 固）+30COj气）+2140（气）（1）（CH） Sn（气）+8O （气）一SnO （固）+4CO （气）+6HO（气）（2）二、ITO薄膜材料的主要特性参数及测试设备和原理1 .方块电阻方块电阻，又称面电阻，指一个正方形的薄膜导电材料边到边“之”间的电阻，面电阻如图1所示：G表示玻璃原片; ITO表示被溅射在玻璃原片上的氧化锢锡膜层；D表示膜层的厚度；I表示平行于玻璃原片表面而流经膜层的电流；L1表

5、 示在电流方向上被测膜层的长度；L2表示垂直于电流方向上被测膜层的长度。根据式R=p XL/S则膜层电阻R为：Rs= p XL1/CL2XD）式中p为膜层材料的电阻率。当式中L1= L2时，即为膜层的面电阻R:R=p /D （单位：Q /）（2）它表示膜层的面电阻值仅与膜层材料本身和膜层的厚度有关，而与膜层的表面积大小无关。实际的测量中一般用两种方法：四探针法测方阻和铜棒测方阻（1）采用四探针方法测量膜层的面电阻原理如图2所示。图中1、2、3、4表示四根探针；S表示探针间距；I表示 从探针1流入、从探针4流出的电流（单位：mA）； V表示探针2、3间的电位差（单位：mV）。此时,膜层的面电阻R

6、（式）为:R= 4.53XAV/ I （单位：Q /） 2 3由上式可见，只要在测量时给样品输入适当的电流I,并测出相应的电位差,即可得出膜层的面电阻值。ITO图£面电阻的测星注解 .薄圆片(厚度4mm)电阻率：P = VL义 F (D/S)xF (W/S)xWxFspQcm.(1)其中：D样品直径，单位：cm或mm,注意与探针间距S单位一致；S-平均探针间距，单位：cm或mm,注意与样品直径D单位一致(四探针头合格证上的S值);W样品厚度，单位：cm,在F(W/S)中注意与S单位一致；Fsp探针间距修正系数(四探针头合格证上的F值)；F(D/S)样品直径修正因子。当D-s时，F(D

7、/S)=4.532,有限直径下的F(D/S)由附表B查出：F(W/S) 样品厚度修正因子。W/S<0.4时，F(W/S)=1； W/S>0.4时，F(W/S)值由附表C查出；I 1、4探针流过的电流值，选值可参考表5.2(第6页表5.2)；V 2、3探针间取出的电压值，单位mV； .薄层方块电阻R:%=:义 F (D/S)XF (W/S)xFspQ/O其中：D样品直径，单位：cm或mm,注意与探针间距S单位一致；S-平均探针间距，单位：cm或mm,注意与样品直径D单位一致(四探针头合格证上的S值)；W样品厚度，单位：cm,在F(W/S)中注意与S单位一致；Fsp探针间距修正系数(四

8、探针头合格证上的F值)；F(D/S)样品直径修正因子。当D-s时，F(D/S)=4.532,有限直径下的F(D/S)由附表B查出：F(W/S) 样品厚度修正因子。W/S<0.4时，F(W/S)=1； W/S>0.4时，F(W/S)值由附表C查出；I 1、4探针流过的电流值，选值可参考表5.1(第6页表5.1)；V 2、3探针间取出的电压值，单位mV；双面扩散层方块电阻RD可按无穷大直径处理，此时F(D/S)=4.532,由于扩散层厚度W远远小于探针间距，故F(W/S)=1,此时V R = 4.532 x_x Fsp口I单面扩散层、离子注入层、反型外延层方块电阻此时F(D/S)值应根

9、据D/S值从附表C中查出。另外由于扩散层、注入层厚度W远远小于探针间距，故F(W/S)=1,此时 有R =上义 F (D/S) x Fsp口 I(2)采用铜棒测方阻原理如图3所示。测试方法如下：用四根光洁的圆铜棒压在导电薄膜上，如图二所示。四根铜 棒用A、B、C、D表示，它们上面焊有导线接到毫欧计上，我们使BC之间的距离L等于导电薄膜的宽度W,至于AB、CD之间的距离没有要求，一般在10-20mm就可以了，接通毫欧计以后，毫欧计显示的阻值就是材料的方阻 值。这种测试方法的优点是：(1)用这种方法毫欧计可以测试到几百毫欧，几十毫欧，甚至更小的方阻值，(2)由于采用四端测试，铜棒和导电膜之间的接触

10、电阻，铜棒到仪器的引线电阻，即使比被测电阻大也不会影响测试 精度。(3)测试精度高。由于毫欧计等仪器的精度很高，方阻的测试精度主要由膜宽 W和导电棒BC之间的距离L 的机械精度决定，由于尺寸比较大，这个机械精度可以做得比较高。在实际操作时，为了提高测试精度和为了测 试长条状材料，W和L不一定相等，可以使L比W大很多，此时方阻Rs=Rx*W/L,Rx为毫欧计读数。2.透光率ITO透明导电玻璃是兼备透光性和导电性的一类特殊导电玻璃，作为一种透明材料，透光率是一项非常重要的光学性 能指标，透光率是指以透过材料的光通量与入射的光通量之比的百分数表示，在测试中采用相对测量原理，将通过ITO 透明导电玻璃

11、的光通量记为T2,在没有放入ITO玻璃时的光通量记为T/那么，ITO玻璃的透光率为：Tt=T2/T1100%其中，T1, T2均为测量相对值一般用来测量透过率的仪器有透过率雾度测试仪，分光光度计法，其原理图分别如下透过率雾度测试仪原理图3.厚度在半导体平面工艺中，薄膜的质量好坏对器件的成品率和性能影响很大，因此对薄膜必须作必要的检查，厚度测量是SiO2膜质量检查的重要内容之一。膜厚的测量有多种方法：如椭圆偏振仪测量，干涉法，台阶仪测试法（1）干涉法等倾干涉条纹的测量原理是：当用单色光垂直照射氧化层透明介质表面时，入射光将分别在透明介质表面和介质与衬底界面处反射，在光束照射的区域厚度相同的地方就

12、会产生干涉条纹，如图所示，为劈尖形的等厚干涉:根据光的干涉原理，当两道相干光的光程差为半波长的偶数倍，即当A=2KA /2= KA (K=0, 1, 2, 3)时，两道光 的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹。当两道光的光距差为半波长的奇数倍，即当A=(2k+1)A /2时，两道光的相 位相反，因而互相减弱，出现暗条纹。由于整个介质台阶的厚度是连续变化的，因此，台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。如图光束在介质台阶上的反射光束用(1)表示，衬底界面的反射光束用表示。根据光程的概念和小入射角的条件， 光束在介质层内走过的光程应近似为2nX，这里n为被测介质层的折射率，乂为入射照射处介质层的厚度。由图

13、可见， 光束和光束的光程差为2nX。假如光束(1)和光束产生的干涉条纹为亮条纹，则下列关系式成立又若光束S在介质台阶表面的反射光束和在介质界面处的反射光束产生一个与上述亮纹相邻的亮条纹。则同样应有下式成a （与.+1”= （Ky + 1）A. + 才3 =由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO层的厚度差为*-27同样，两个相邻暗条纹之间的SiO层的厚度差应为力2n。2由此可见，如果从SiO台阶楔尖算起至台阶顶端共有m+1个亮条纹（或暗条纹），则SiO层的厚度应为：X = 7JI -2n通过利用上述公式可以计算被测介质层的厚度。其中n是被测介质的折射率，入为照射光的波长，m为在劈形介质上 的干涉条

14、纹数。上述原理是利用等厚干涉原理来测试薄膜厚度的，同样也可以利用等倾干涉来测薄膜的厚度。利用宽带白光照射 在被测介质时会在薄膜的上下表面产生反射如下图所示：反射光束I、I的光程差可表示为 =2dcosi,i为入射角，d为薄膜厚度。在近垂直入射时认为i'0°且I1,所以2 d。根据Fresnel定律，干涉光的光强可由下式给出I = 2 Ir 1 -f- cos通过上式可以知道，利用两个或两个以上干涉光强极值，可以计算出每个极值的阶数以及光程差的值。再根据乙二2 nd （折射率n已知），可求厚度d。（2）椭圆偏振仪测量法椭圆偏振法应用范围广泛，它是表面科学研究的一个重要工具。通过

15、这种方法可以同时测出介质薄膜的厚度和折射率，在 己有测定薄膜厚度的方法中，它是能测量到最薄和精度最高的一类。测量范围从0. 1 nm到几个pm，比干涉法测量精度高 一个数量级以上。此种方法的基本原理是：利用一束椭圆偏振光以一定的入射角射到各向同性均质薄膜系统的表面，经反射后，反射 光的偏振状态（振幅和相位）会发生变化，而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关，所以只要能测量出偏振状态的变化量 就能定出膜厚和折射率。其原理如下图所示样品检偏器探测器起偏器单色光束"4波片（3）台阶仪测量原理台阶法（触针法）：这是将表面光洁度测量移用与薄膜厚度测量的一种方法。测量具体过程：金刚石触针一一表面上移动 触针跳跃运动一一高度的变化由位移传感器转