磁控濺射法制備晶格大尺寸的ITO薄膜

陳婉君

摘? 要：該文為了制備一種高透過率、高導電、晶格尺寸大的ITO薄膜，探討制備最佳ITO薄膜的工藝條件，研究了磁控濺射機臺的直流功率，射頻功率對ITO薄膜的光電性能及形貌的影響。結果表明：當本體真空在7.0×10-4 Pa條件下，直流功率為200 W，射頻功率400 W，氬氣流量100 sccm，用600 ℃快速升降溫機臺進行熔合3 min，可獲得方塊電阻為50Ω/□，可見光波段透過率為88.7%，大晶格尺寸且發光均勻的高性能ITO薄膜，為生產發光二極管提供了一條高效的制備流程。

關鍵詞：直流磁控濺射;射頻磁控濺射;大尺寸ITO晶體

中圖分類號：? O484? ? 文獻標志碼：A

0 引言

ITO的主要成分為 In2O3和SnO2，是一種寬禁帶高透明的N型半導體材料。其禁帶寬度3.5 eV～4.3 eV，電子遷移率4.3eV15～45cm2V-1S-1，在可見關波段的光透過率>85%上，對短波紫外線具有很強的光吸收率能力，而對長波紅外線其反射率>80%，根據材料的性能，ITO薄膜被廣泛運用在各類晶體管、平面顯示器、太陽能電池、電致變色器件等產業[1-3]。

ITO薄膜以氧化銦為基底材料，SnO2中的錫離子一般條件下最大固溶度僅為6%，而在制成薄膜產品后，錫離子比例能夠達到39%，溶度超出時錫成分會被析出[4]。目前市場上主要采用磁控濺射法、激光脈沖法、等離子體輔助沉積法、氣相沉積法、溶膠凝膠法等制備ITO薄膜[5]。該文主要采用高真空射頻磁控濺射方法，可快速有效沉積大面積ITO薄膜，然后用快速升降溫熔合方法（RTA）為ITO薄膜提供一個好的氛圍，重排RTA的晶格，可得到產品需求的薄膜質量（如缺陷少、晶格大、透過率高的薄膜）。

1 實驗儀器和方法

采用瑞士Evatec磁控濺射機臺，制備ITO導電膜，靶材選用In2O3和SnO2比例9∶1純度99.99%的ITO陶瓷靶，在鍍膜過程中靶材和襯底的間距為120 mm，鍍膜真空為7.0×10-4 Pa，濺射溫度25 ℃，高純氬氣流量25 sccm～100 sccm，濺射射頻功率0.3 kW～0.95 kW ，直流功率0.1 kW～0.4 kW。快速退火設備采用了技鼎科技的RTA機臺快速退火，將ITO晶格重排使晶體透過率高電阻率小，薄膜厚度量測采用了N&K多功能薄膜分析儀，采用富丞光電四針電阻計測量薄膜的電阻率，薄膜的透射光譜用安捷倫Cary 5000光譜儀進行檢測，薄膜表面形貌采用掃描電子顯微鏡 （SEM）進行表征。

2 結果與討論

2.1 直流濺射功率對ITO薄膜的影響

實驗研究直流濺射功率對ITO薄膜的性質的影響，制備過程中不通氧氣，不開射頻，氬氣流量為100 sccm，腔體沉積溫度為常溫。薄膜濺射沉積完成后，采用快速升降溫機臺進行快速退火，采用600 ℃，氧氣通入3 sccm，溫度持續300 s進行熔合重排ITO晶體。在靶材上使用直流濺射功率，在相同周期中電子比 Ar+ 的速度快，所以沉積到靶材上的電子數量比 Ar+ 數量多，在基板中需要建立自偏，所以基板上需加偏壓，加速 Ar+的撞擊。利用直流輝光放電電子加速撞擊氬氣，形成 Ar+和電子，Ar+在電場作用下，加速撞擊靶材，形成二次發射電子，在穩定放電后進入輝光放電階段。帶電粒子轟擊膜面，使得膜在形成過程中達到了吸附和解吸的動態平衡，直流功率的大小主要是改變帶電粒子的數量和能量，對于獲得的薄膜的沉積速率和外觀形貌都有著重要影響[6]。

表1 為不同直流功率對獲得的ITO薄膜性能的影響，固定ITO薄膜厚度為30 nm情況下，隨著直流濺射功率增加，薄膜透過率上升后下降，200 W條件下透過率最佳。方塊電阻200 W條件下阻值最小。直流濺射功率越大，薄膜沉積速度越快，薄膜致密度越差，當速度過快，ITO原子沉積在基板無法快速分散時會形成結瘤等缺陷。縱使采用退火手法，仍無法將結瘤缺陷重排，改善ITO的晶格形貌。圖1 為直流濺射功率對薄膜晶格形貌的影響，從掃描電子顯微鏡（SEM）圖上看，隨著功率的增加，晶格大小先增大后減小，最佳晶格大小為200 W。綜合透過率、方塊電阻、晶格大小、直流功率，在200 W條件下晶格光電性能及其晶格形貌最佳。

2.2 射頻濺射功率對ITO薄膜的影響

實驗研究射頻濺射功率對ITO薄膜性質的影響，實驗用射頻RF進行輔助鍍膜，可獲得晶體尺寸大、性能好的ITO薄膜。制備過程中不通氧氣，直流功率設置為200 W，氬氣流量為100 sccm，腔體沉積溫度為常溫。薄膜濺射沉積完成后，采用快速升降溫機臺采用600 ℃，氧氣通入3 sccm，溫度持續300 s進行熔合重排ITO晶體。射頻是利用極高的頻率獲得的，在電場作用下，帶電離子在電極間進行循環往復的相互碰撞電離，無需接觸電極與等離子體也能放電，帶電粒子將靶材上的分子撞擊濺射飛出，沉積在基板上。在很高的頻率下靶材的濺射是不易放電的，所以在沉積半導體和絕緣體薄膜上，可獲得致密性和吸附性好的膜層。另一方面，射頻功率可以消除直流濺射在絕緣體材料上形成屏蔽電荷，解決了絕緣體無法濺射成膜的問題[7]。

表2 是不同射頻功率下獲得的ITO薄膜性能，固定ITO薄膜厚度為30 nm情況下，隨著射頻濺射功率增加。薄膜透過率下上升后下降，300 W條件下透過率最佳;隨著射頻功率的增加，其方塊電阻變化不大。圖2為射頻濺射功率對薄膜晶體形貌影響，電子顯微鏡（SEM）圖1和圖2對比，磁控濺射機臺增加射頻功率，ITO薄膜的晶體尺寸大小從納米級別上升至微米級別，晶體尺寸得到了大幅增加，且隨著射頻功率的提升，ITO的晶界分明且齊整，有利于ITO薄膜的光透過和載流子橫向傳導電流。

2.3 ITO薄膜運用與發光二極管

將以上最佳的ITO沉積的參數運用于尺寸22 mil ×35 mil的二極管芯片中，直流功率設置為200 W，射頻功率設定為400 W，氬氣流量為100 sccm，本底真空7.0×10-4 Pa ，腔體沉積溫度為常溫，沉積30 nm的ITO薄膜。薄膜濺射沉積完成后，采用快速升降溫機臺采用600 ℃，氧氣通入3 sccm，溫度持續300 s進行熔合。將制備好的產品，用不同的測試電流測試其發光均勻性。圖3 不同電流密度下的LED芯片發光狀況，驗證電流分別為60 mA，120 mA，240 mA，360 mA，從近場（near field）測試的圖片上看，隨著電流增加其分布均勻性緩慢變差，在240 mA電流下，產品的發光均勻性仍能符合工藝需求。

3 結論

采用磁控濺射沉積方法，獲得高透過率高、導電的ITO薄膜，該文對濺射機臺的沉積工藝進行研究探討。首先，在沒有射頻輔助條件下，直流功率200 W的條件下，其制備出的ITO薄膜透過率、電阻率及晶格形貌尺寸最佳。其次，在直流功率200 W條件下，輔助射頻功率400 W時，其制備出的ITO薄膜透過率、電阻率及晶格形貌尺寸最佳。且運用了射頻輔助沉積薄膜后，薄膜的尺寸及形貌得到了大幅度提升，晶體尺寸從納米級別跨越到了微米級別。最后，將沉積的ITO薄膜，運用在二級管產品上，通入一定量的電流，其電流的橫向擴展效果好，產品亮度均勻，22 mil×35 mil尺寸的二極管芯片鍍30 nm的ITO薄膜，在240 mA發光均勻性仍能符合工藝需求。

參考文獻

[1]Aleksandrova M，Kurtev N，Videkov V，et al.Material alternative to ITO for transparent conductive electrode in flexible display and photovoltaic devices[J].Microelectronic Engineering，2015（145）： 112-116.

[2]Chen A，Zhu K，Zhong H，et al.A new investigationof oxygen flow influence on ITO thin films bymagnetron sputtering[J].Solar Energy Materials &Solar Cells，2014，120（1）：157-162.

[3]Hamberg I，Granqvist C G.Evaporated SndopedIn2O3 films： basic optical properties and applicationsto energy-efficient windows[J].Journal ofApplied Physics，1986，60（11） ： 123-160.

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[5]吳云龍，成惠峰，余剛，等.ITO透明導電薄膜厚度與光電性能的關系[J].材料科學與工程學報，2012（1）：14-16.

[6]馬衛紅，蔡長龍.磁控濺射制備ITO 薄膜光電性能的研究[J].真空，2011，48（6）：18.

[7]郭守月，曹春斌，孫兆奇.摻銀ITO薄膜退火前后的性能比較[J].吉林大學學報：理學版，2010，48（2）：291-294.