离子辅助反应蒸发技术室温制备ITO薄膜_喻志农

第27卷 第10期2007年10月北京理工大学学报

TransactionsofBeijingInstituteofTechnologyVol.27 No.10Oct.2007

文章编号:1001-0645(2007)10-0924-04

离子辅助反应蒸发技术室温制备ITO薄膜

喻志农, 相龙锋, 薛唯, 王华清, 卢维强

(北京理工大学信息科学技术学院光电工程系,北京 100081)

摘 要:室温下利用离子辅助反应蒸发法在玻璃衬底上制备高透射比、低电阻率的ITO透明导电薄膜.实验结果表明离子辅助蒸发可以有效地降低制备温度,提高薄膜的光电特性,薄膜具有明显的(222)择优取向,晶体粒子尺寸约为21nm;离子源屏压、通氧量及沉积速率是影响薄膜光电特性的主要因素.室温制备的ITO薄膜电阻率为214@10-38#cm,可见光平均透射比大于82%.关键词:离子辅助反应蒸发技术;室温;ITO薄膜中图分类号:O48414 文献标识码:A

PreparationofITOFilmsDepositedatRoomTemperatureby

IonBeam-AssistedReactiveEvaporation

YUZh-inong, XIANGLong-feng, XUEWei, WANGHua-qing, LUWe-iqiang

(DepartmentofOpticalEngineering,SchoolofInformationScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,

Beijing100081,China)

Abstract:ITOfilmswithhightransmissionandlowresistivityhavebeenpreparedonglasssubstrate

byionbeam-assistedreactiveevaporationatroomtemperature.Experimentalresultsshowedthatthedepositiontemperaturecanbedecreasedeffectivelyandthephotoelectricpropertiescanbeimproved.Thedepositedfilmsarepolycrystallinewithapreferredorientationof(222)andthesizeofcrystalparticleisabout21nm.Oxygenflux,evaporationrateandionenergyarethechieffactorsthataffecttheopto-electricpropertiesofITOfilms.Filmswitharesistivityaslowas214@10-Keywords:ionbeam-assistedreactivedeposition;roomtemperature;ITOfilms ITO薄膜是一种宽禁带、n型掺杂半导体材料,由于ITO薄膜在可见光区具有高的光谱透射比,同时具有良好的电学性能而被广泛地应用于各种光电器件中.例如:LCD、TFEL等平板显示器件,太阳能电池和灵巧窗等方面.利用ITO薄膜对红外线有很高的反射比,用来制备防辐射玻璃.利用其在射频区同样具有很高的反射能力,用来作为优良的电磁屏蔽材料

[1]

3

8#cmandthe

transmittanceofabove82%inthevisiblerangehavebeendepositedatroomtemperature.

目前对于ITO薄膜有很多种制备方法[2-

3]

例

如溅射、真空蒸发和化学气相沉积等,在耐高温的玻璃基片上高温加热(250~300e)或高温处理能够制备出高可见光透射比(90%)、低电阻率的ITO薄

膜.然而对于一些平板显示器件,ITO必须在低温下制备,例如在彩色滤色片上制备ITO薄膜,由于滤色片材料为树脂,耐热性比较差,一般要求低于200e.当使用不耐高温的有机玻璃或柔性材料作

.

收稿日期:2007-05-10

基金项目:北京市自然科学基金资助项目(3063022);北京理工大学优秀青年教师资助计划(059852);北京理工大学基础研究基金资助项

目(200501F4220)

作者简介:喻志农(1968)),男,副教授,E-mail:znyu@.

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衬底时,不可以使用高温沉积ITO膜,如制备非晶TFT有源LCD,OLED时,必须在低温下制备ITO.对于OLED器件,用作阳极的ITO必须在低温下直接沉积在有机层上,这样的制作过程不会破坏有机层,所以近年来低温成膜技术成为一个新的研究热点.

离子辅助沉积技术(ionbeamassisteddepos-i

tion,IBAD)是一种新型的镀膜技术,其特点是在气相沉积的同时,用高能离子轰击基体或薄膜,这种把离子辅助与反应蒸发法结合起来的镀膜技术能够实现低温成膜,改善薄膜的微观结构、力学性能并提高薄膜和基体结合力,提高薄膜的综合性能.

作者利用离子辅助反应蒸发法在室温条件下制备高性能的透明导电薄膜,讨论实验制备工艺参数对薄膜性能的影响及分析薄膜的光电特性.

为10-3Pa,工作真空度保持在10-2Pa.在实验中利用晶振片控制蒸发速率,并用光控辅助监控其透射比的变化,并为下一次参数的调节方向提供参考.在实验中主要调节的工艺参数有:离子源屏压、离子源束流、蒸发速率、充氧速率、氧气和氩气的比例.薄膜的厚度保持170nm.

[4]

2 结果与讨论

通过系列的正交实验分析得知,离子源屏压、通氧量及沉积速率是影响ITO薄膜光电特性的主要因素.

211 离子源屏压对薄膜性能的影响

离子的能量以离子源的屏极工作电压为参考,通过调节屏压来调节离子的能量.图2显示了不同的离子源屏压V获得的ITO薄膜方块电阻.样品的方块电阻阻值随离子能量的增加从1368(360V)降到768(380V),然后又升到1308(410V).当离子的能量比较低时由于低温沉积(23e左右)的条件,ITO薄膜存在很多的结构缺陷,此时方块电阻比较大,随着离子能量的增大,离子轰击引起的能量交换和动量传递不断加强,基片表面的原子或原子簇获得用来克服势垒的能量越来越大,表面的迁移率得到提高进而获得结构规整的薄膜,ITO薄膜的结构缺陷逐渐减少,利于形成亚晶粒和多晶粒的结构,从而电子陷阱的数目减少,电阻率降低.但随着离子能量的提高,高能量的离子将已经沉积薄膜的表面原子重新轰击出来,从而导致薄膜的缺陷增多,使薄膜的方块电阻增大[5].当屏极电压在360~410V之间时,平均透射比大于82%.需要指出的是当离子束电压低于360V时,制备的簿膜透射比较低,失去了透明导电薄膜的意义,因此离子源屏压取值应在360V以上

.

1 实 验

111 制备装置及测试设备

实验装置如图1所示,采用ZZSX-800ZA型全自动真空镀膜机,离子源采用考夫曼(Kaufman)离子源.利用钼制蒸发舟加热铟锡合金(纯度为99199%),其中锡的质量分数为10%.采用椭圆偏振仪测量其厚度和折射率;利用分光光度计测量其光谱透射比;利用XX-2型方阻仪测量其方块电阻;利用X射线衍射仪分析其结晶性

.

图1 实验设备的结构

Fig.1 Structureofexperimentalapparatus

112 制备工艺

首先将氩气和氧气按照一定的比例充入考夫曼离子源中,在离子源中产生氩离子和氧离子.在薄膜沉积前首先进行离子轰击清洗,然后在氧离子和氩离子的辅助下制备ITO,实验过程中本底真空度

图2 ITO薄膜方块电阻随离子源屏压的变化Fig.2 SheetresistanceofITOfilmsvstheionicvoltage

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212 通氧速率对薄膜特性的影响

氧气的通入有两种方式:一是氧气不经过离子源,直接通入钟罩室,利用纯氧气和金属蒸发原子反应生成ITO薄膜;另一种方式是氧气通入离子源,利用离子源产生的高能离子氧和蒸发的金属原子反应.

由于沉积的温度条件是室温,利用纯氧气和金属原子反应生成的薄膜颜色均发黑,透射比偏低(低于40%),制备的薄膜质量比较差,所以在此利用离子氧和金属蒸发反应的方法制备.

图3给出了不同通氧速率下ITO薄膜的方块电阻.从图中可见薄膜的方块电阻随通氧速率先减小后增大.氧气在制备的过程中具有两个作用.¹提供反应用的离子氧,离子氧的活性比较大,在低温下更容易和金属反应.

º金属原子传递能量提供金属原子的活性,有利于薄膜结晶的形成.

当通氧量过低时,薄膜会因缺氧而出现低价氧化物(InO,In2O和SnO),根据薄膜的导电机理,正四价Sn的存在可以提供导带的一个电子,相反二价锡的存在降低了导带中的电子的密度,从而影响了导电性能.另外,由于低价氧化物的禁带的宽度比较小,所以可见光的吸收比较大,薄膜透明性下降,光学性能变差.当通氧速率过高时,氧空位浓度降低,同样使其电学性能降低.由图3可以看出,当通氧速率为27mL#min-1时,薄膜方块电阻最小,可见光透射比为851

6%.

的大小、薄膜对基板的附着性.

当蒸发速率偏低时,金属的氧化比较充分,氧空位减少,导致薄膜的方块电阻增大.当蒸发速率比较大时,金属的氧化不完全,产生低价氧化物且形成的晶体结构也不完整,晶粒相对比较小,所以此时的方块电阻也将变大.

图4 方块电阻和蒸发速率的关系曲线

Fig.4 SheetresistanceofITOfilmsvsevaporationrate

除以上讨论的3种因素外,氧氩比和离子束流对薄膜的性能也有一定的影响.另外,各因素之间相互影响、相互制约,因此作者使用正交实验的方法分析各因素对薄膜性能的影响,并获得了最优工艺参数.

根据最优参数制备的薄膜,可见光区的平均透射比大于82%,折射率为211,方块电阻为708(电阻率为214@10-曲线.

3

8#cm).图5为薄膜的透射比

图5 ITO薄膜光学透射比

图3 ITO薄膜方块电阻随通氧速率的变化Fig.3 SheetresistanceofITOfilmsvsoxygenflux

Fig.5 TransmittanceofITOfilms

213 蒸发速率对薄膜特性的影响

图4给出了蒸发速率对方块电阻的影响.方块电阻随金属的蒸发速率增加先减小后增大,蒸发速率为0106nm#s-1时薄膜的方块电阻最小.蒸发速

图6给出了优化条件制备的ITO薄膜的X射

线衍射图.离子辅助可以有助于改善薄膜的结晶性,晶面呈(222)择优取向,根据谢乐(Scherrer)[6]公式可以算出晶体的尺寸约为21134nm.从射线衍射谱来看,离子辅助可以有效地提高薄膜的结晶性,从.

第10期 喻志农等:离子辅助反应蒸发技术室温制备ITO薄膜927

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图6 ITO薄膜的X射线衍射图Fig.6 XRDpatternsofITOfilms

6710-6713.

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3 结 论

采用离子辅助真空反应蒸发技术,蒸发高纯铟锡合金,在室温下适当地调节制备参数可以制备电

阻率为214@10-38#cm,平均透射比为82%的透明导电薄膜,薄膜具有(222)的择优取向,晶粒的尺寸约为21nm.离子辅助反应蒸发技术室温制备的ITO薄膜具有良好的结晶性和光电特性.

参考文献:

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(责任编辑:赵业玲)

(上接第918面)

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(责任编辑:赵业玲)

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