不同基底的ITO薄膜制备及其光电性能

杨 坤，胡 志 强，王 海 权，于 洋，张 海 涛，王 志 昕

(1.大连工业大学 新能源材料研究所，辽宁 大连 116034；2.锦州新世纪石英

(集团)有限公司，辽宁 锦州 121000；3.长春天然气有限责任公司，吉林 长春 130033)

0 引 言

铟锡氧化物(ITO)薄膜是n型宽带隙半导体氧化物，具有复杂的立方铁锰矿结构，禁带宽度为3.5eV[1]。其不仅具有高可见光透过率和高电导率，还具备高紫外吸收率、高红外反射率、对微波的高衰减率、便于刻蚀等优良性能[2]。因此被广泛应用于各种平板显示器(FEDs)、有机发光二极管(OLED)、触摸屏面板、太阳能电池以及电磁干扰屏蔽等领域[3]。

ITO薄膜基底一般多为玻璃、陶瓷、单晶材料等[4]，石英玻璃是其中机械强度、透光性和耐热性方面性能最优异的。柔性基底与其相比，质轻、超薄、柔韧性好，但耐热性差，使其不能在高温下制备薄膜。近年来，国内外学者对各种基底上制备ITO薄膜进行了很多研究，也取得了一定的成果。Kim等[5]利用射频磁控溅射法将ITO薄膜沉积到PET基底上，得到了电阻率为1.9×10－3Ω·cm以及光透过率为80%的ITO薄膜；Lin等[6]通过脉冲磁控溅射在PET基底上，获得了电阻率为4.5×10－4Ω·cm以及可见光透射率在85%以上的ITO薄膜；王东生等[7]用直流磁控溅射法在190℃玻璃基底上制备了可见光及红外区域透射率高达90%的ITO薄膜。

实验采用高纯石英玻璃和柔性PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)塑料作为基底，通过脉冲磁控溅射法研究了相同工艺参数对不同基底上ITO薄膜光电性能的影响。本文旨在研究不同基底上薄膜的性能差异，并在低温下制备出性能优异的ITO薄膜。

1 试 验

采用JCP－200型高真空磁控溅射蒸发镀膜机(北京泰科诺科技有限公司)在石英玻璃和柔性PET基底上制备了ITO薄膜。溅射选用的ITO陶瓷靶材(北京泛德辰科技有限公司)参数为：In3O2与SnO2的质量分数之比为90∶10；纯度为99.99%；靶材尺寸为dia 53×4mm。

将石英基底清洗后装入溅射室内，靶距为65mm，基底旋转速度为10r／min，背底真空抽至5×10－3Pa，通入高纯氩气，功率调至45W，每次预溅射5min除去靶材表面的氧化物。工艺参数：溅射气压为0.5～1.1Pa，溅射时间为15～45min，衬底温度为25～150℃；柔性PET的薄膜制备方法及参数同上。

薄膜的表征：采用日本理学D／max－3B型X射线衍射(XRD)仪测定薄膜的晶体结构；通过JSM－6460LV型扫描电镜观察ITO薄膜的表面形貌；用SX1934型数字式四探针测试仪测定薄膜的方块电阻；用UV－Vis分光光度计Lambda35型(美国Perkin－Elmer公司)测定薄膜在300～1 200nm光谱范围内的透射率。

2 结果与讨论

2.1 薄膜晶体结构和形貌分析

根据ITO薄膜中主要成分In2O3的PDF卡(01－0929)标准谱图，可知薄膜晶体中(222)、(400)、(440)晶面在X射线衍射峰处分别对应的2θ为：30.698°、35.597°、51.283°。

图1为功率(45W)、压强(0.5Pa)、基底温度(25℃)一定，溅射时间同为45min的ITO薄膜的XRD衍射图谱。除晶体(222)面的单一特征衍射峰外，没有出现其他应有的特征衍射峰，Sn或Sn氧化物(SnO，SnO2)的特征衍射峰也不存在，证明了晶体在(222)面上存在强烈的择优取向，但并未完全晶化，而是处于非晶与多晶的过渡态。石英基底的薄膜(222)面特征衍射峰强度明显比后者大，说明石英基底的薄膜晶粒在(222)面有更强烈的择优取向；而前者的峰不尖锐，半高宽大，说明石英基底的薄膜平均晶粒尺寸比柔性基底的小，膜更致密。

图1 溅射时间为45min的ITO薄膜XRD图谱Fig.1 XRD patterns of ITO films sputtering for 45min

根据Scherrer公式

布拉格方程：

以及晶格常数与晶面间距的关系式：

可计算出(222)晶面薄膜晶粒的平均尺寸，晶格常数α与晶面间距d[8]。

由表1(222)晶面的参数得出：时间为45min的石英基底的薄膜平均晶粒尺寸比柔性的小，晶格常数大；说明石英基底的薄膜均匀性、致密性优于后者，但晶体生长较差。可能的原因是：石英基底SiO2晶体规则，排列整齐，表面扩散能大，晶体密排在膜面上，平均晶粒尺寸小；柔性的薄膜表面晶体不规则，扩散能差，使得基底生长的薄膜晶粒尺寸大，粗糙度大。

表1 不同基底上ITO薄膜的晶体结构参数Tab.1 Crystal structure parameters of ITO thin films under different substrates

图2(a)、(b)分别为石英基底与柔性PET基底薄膜的SEM图，二者均在功率(45W)、气压(0.5Pa)、基片温度(25℃)一定以及溅射时间为35min的工艺参数下制备的。两图相比：石英基底的薄膜要比柔性的均匀、致密，平均晶粒尺寸小，柔性的膜表面晶粒大，粗糙度大，缺陷多。这与表1的分析结果相一致。

图2 溅射时间为35min的ITO薄膜SEM图Fig.2 The SEM spectrum of ITO thin films sputtering for 35min

2.2 光学性能分析

图3所示为0.7Pa的气压下两个基底上ITO薄膜的透射光谱。光谱曲线震荡幅度小，说明二者薄膜的厚度较小，膜表面平整、均匀；在可见光范围内(390～760nm)透过率较高，均在80%以上；在紫外光区，向着短波方向的移动，薄膜的透过率都逐渐减小。

图3 溅射气压对ITO薄膜透光率的影响Fig.3 The influence of sputtering pressure on the light transmittance of the ITO films

图4为溅射35min的两个基底的薄膜透射光谱。与图3相比，二者光谱曲线的振动幅度较大，说明薄膜厚度大，表面粗糙、不均匀，透过率相对较低。在可见光蓝光(450nm)的长波方向，薄膜的透过率均在80%以上，而在蓝光的短波方向，透过率逐渐降低，说明溅射时间对不同基底上薄膜的透过率都影响较大。

图4 溅射时间对ITO薄膜透光率的影响Fig.4 The influence of sputtering time on the light transmittance of the ITO films

图5为两个基底温度同为150℃的透射光谱，二者曲线相似。光谱曲线的振幅较为平缓，说明薄膜在温度较高的基底上，薄膜厚度小，表面晶化程度高，更平整、致密；在蓝光长波方向，薄膜的透过率均在80%以上。

图5 基底温度对ITO薄膜透光率的影响Fig.5 The influence of substrate temperature on the light transmittance of the ITO films

2.3 电学性能分析

图6可知，随着压强逐渐增大，石英基底的薄膜方块电阻逐渐增大，呈几何趋势；柔性的方块电阻先是降低，后又缓慢增大。这是因为在气压较低时，靶材被溅射出的粒子受到的冲击弱，能量损失小，能很好地溅射到基底上，电导率高；随着气压增加，被溅射出的粒子受到的冲击和散射增大，不能很好地附着在基底上，致使薄膜缺陷增多，形成的氧空位少，载流子密度小，电导率低，所以方块电阻增大。柔性薄膜在气压为0.7Pa时，方块电阻出现了最小值，说明此时的溅射气压适合溅射镀膜。

图6 溅射气压对ITO薄膜方块电阻的影响Fig.6 The influence of sputtering pressure on the sheet resistance of the ITO films

如图7所示，随着溅射时间的延长，薄膜厚度增加，石英基底与柔性基底上薄膜的方块电阻均是下降明显。溅射初期薄膜中形成的氧空位少，自由移动的电子少，随着时间的延长，掺杂到In2O3结构中的Sn4＋增多，载流子密度增大，电导率提高，方块电阻降低，但薄膜表面的缺陷亦增多，一定程度上影响了自由电子的移动，使得电阻下降，曲线至于平缓。

图7 溅射时间对ITO薄膜方块电阻的影响Fig.7 The influence of sputtering time on the sheet resistance of the ITO films

图8 基底温度对ITO薄膜方块电阻的影响Fig.8 The influence of substrate temperature on the sheet resistance of the ITO films

由图8可知，随着基底温度的升高，二者均是明显下降后趋于平缓。当温度较低时，靶材中被溅射粒子获得的能量较低，溅射到膜中的O2－含量较少，Sn4＋不稳定，易变价形成Sn2＋，致使电阻率较小，方块电阻较大[9]。温度升高时，溅射粒子获得较高的能量，很好的溅射到基底上，电导率提高，方块电阻下降。

3 结 论

采用脉冲磁控溅射法，在石英基底上制备的ITO薄膜最佳方块电阻为13.3Ω，可见光透过率达91%；柔性PET衬底上ITO薄膜的最佳方块电阻为15Ω，可见光透过率达85%。相比与参考文献，光电性能均有所提高。

通过图表结果分析，ITO薄膜的光电性能随着工艺条件的改变，其变化规律相似，石英基底溅射的薄膜表面致密度、均匀性更好，可见光透过率更高，方块电阻更低，柔性的稍差。

[1]沈玫，纪建超，贺会权.低温沉积ITO透明导电膜的研究[J].材料工程，2006(增刊1)：17－19.

[2]王树林，夏冬林.ITO薄膜的制备工艺及进展[J].玻璃与搪瓷，2004，32(5)：51－54.

[3]LIN Y C，LI J Y，YEN W T.Low temperature ITO thin film deposition on PES substrate using pulse magnetron sputtering[J].Applied Surface Science，2008，254(11)：3262－3268.

[4]肖定全，朱建国，朱基亮，等.薄膜物理与器件[M].北京：国防工业出版社，2010：109－110.

[5]KIM Y S，PARK Y C，ANSARI S G，et al.Influence of O2admixture and sputtering pressure on the properties of ITO thin films deposited on PET substrate using RF reactive magnetron sputtering[J].Surface and Coatings Technology，2003，173(2／3)：299－308.

[6]LIN Y C，SHI W Q，CHEN Z Z.Effect of deflection on the mechanical and optoelectronic properties of indium tin oxide films deposited on polyethylene terephthalate substrates by pulse magnetron sputtering[J].Thin Solid Film，2009，517(5)：1701－1705.

[7]王东生，杜建周，李雪华，等.玻璃基底上氧化铟锡薄膜的光致发光性能[J].中国激光，2011，38(1)：1－5.

[8]余焜.材料结构分析基础[M].北京：北京科学出版社，2010：78－82.

[9]王军，成建波，饶海波，等.磁控溅射低阻ITO薄膜的气体参数优化[J].压电与声光，2007，29(1)：115－117.