ITO透明导电薄膜的磁控溅射法制备工艺

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 课程设计论文

ITO透明导电薄膜的磁控溅射法制备工艺

学院名称: 材料学院

专业班级: 无机光电0902

学生姓名: 张亚平

指导教师姓名: 李保家

指导教师职称：

2012 年 6 月

摘要: 铟锡氧化物(简称ITO) 是In2O3掺Sn的半导体材料, 其薄膜由于具有优良的导电性和光学性能,引起了人们的广泛关注，随着薄膜晶体管(TFT)，液晶显示( LCD)，等离子显示(PCD)等高新技术的不断发展，现今工业上以制备均匀的大面积ITO薄膜为热点。本文介绍了透明导电薄膜的定义及其导电机理，并就其中一种应用十分广泛的材料ITO进行了介绍，详细讲解了利用磁控溅射法制备ITO纳米透明导电薄膜，分析其结构及其光电性能，利用透射电子显微镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)对薄膜的的结构、形貌和电化学性质进行表征，并对其发展进行了展望。

关键词：氧化铟锡薄膜（ITO）；直流磁控溅射法；制备工艺

1 引言

透明导电薄膜是一种既能导电又在可见光范围内具有高透明率的一种薄膜，透过性的标准是透过率60%以上，导电性的标准是表面电阻在1010Ω·cm 以下[1]。透明导电薄膜的种类主要有金属膜、氧化物膜、多层复合膜和高分子膜等， 其中氧化物薄膜占主导地位。透明导电氧化物( TCO) 薄膜主要包括In 、Sn 、Zn 、Cd 的氧化物及其复合多元氧化物薄膜。1907年Badeker 首先制备并报道了 CdO 透明导电薄膜， 将物质的透明性和导电性这一矛盾统一起来。在随后的几十年中，人们发现和研究了多种材料的 TCO 薄膜，并不断扩大它们的用途。目前研究人员主要集中在对SnO2基、In 2O 3基以及ZnO 基透明导电膜的研究[2]。 2 透明导电薄膜的导电机理

2.1 透明度

透明导电膜的透明度主要取决于膜的光纳N =n - i k 和光学厚度nd 。在基底的光纳N g =n g －ik g ，和透明光波的波长认确定的条件下，由光学薄膜的理论可计算出单层膜的透光率[3]

*))(()

(4000C B N C B N N R N T g e ++= (1)

式中N 0是光波入射介质的光纳，R e (N g ) 是基底光纳的实部，B 和C 是膜系特征矩阵的元素。

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡g N i N i C B 1c o s s i n /)s i n (c o s δδδδ (2) ()3cos )/2(θλπδnd = (3)

式中θ是折射角。一般情况 下 N 0= 1，N g =1.5 2，nd =λ/2，θ = 0o 。

In 2O 3-x 膜的光纳 N =n -i k ，其中n =2，在一定的工艺条件下和在可见光谱区域内，左k →O ，代入公式(1)可计算出 In 2O 3-x 膜对可见光的积分透光率T =90％。理论计算的结果与实测的结果非常接近。In 2O 3-x 膜的短波吸收限在0.38μm ，掺入适量的SnO 2后吸收限可推移到0.35μm 。

为了提高透明导电膜的透光率，将单层的膜再与一种或几种光学介质膜组

合，能够设计成多层增透膜系，从而达到高透明的目的。

2.2 导电性

透明导电膜的导电性可用能带理论进行解释。

金属薄膜的禁带宽度近似于零，如图1a所示[4]。电子很容易由满带跨跃到导带中去，形成了自由电子，因自由电子的浓度很高，因此金属薄膜的导电性非常好。有些金属膜的禁带尽管还是有一定的宽度，但它满带中的一些能级上没有充满电子，如图1b 所示，这类金属膜的导电性也较好。

介质膜的禁带宽度很宽，如图1c所示，满带中的电子在外电场作用下不能跨过禁带而进入导带中去，因而不能形成导电的电子。介质膜属于绝缘体。

半导体薄膜的禁带宽度较窄，通常约为1eV，如图1d所示。在较弱的外电场作用下一部分电子能够跃过禁带而进入导带中去，形成了导电的电子。而满带中失去电子的地方便成为一个空穴。在半导体理论中把导带中的电子和满带中的空穴统称为载流子。

结构完整和成份很纯的半导体薄膜属于电子和空穴混合导电的本征半导体膜层，其载流子浓度较低，导电性并不好，方电阻往往较大。为了改善半导体膜的导电性，需要将膜的结构具有适当的缺陷和膜成份中具有适量的掺杂。

图1 电子填充能带的情况

一种缺陷是膜层晶格点阵中缺少了负离子或者填隙了正离子，就如同那里有一个正电中心，能带理论认为，正电中心的能级一般地分布在禁带之中，并且靠近导带，正电中心能级上的电子能够较容易地跨跃到导带中去，使导带中的载流子浓度提高了，得到的是n型半导体膜层。如果膜层晶格点阵中缺少了正离子或者填隙了负离子，就如同那里有一个负电中心，负电中心的能级一般地分布在禁带之中，并且靠近满带，满带中的电子能够容易地跨跃到负电中心的能级上去，从而在满带中就出现了空穴，同样也提高了载流子浓度，得到的是p型半导体膜层。

在高真空下镀制半导体膜层时，由于缺氧，膜层晶格中金属离子的比例增多了，通常得到的是带正电中心的n型半导体膜层，在氧气中镀制半导体膜层时，由于氧过量，膜层晶格中氧离子的比例增多了，通常得到的是带负电中心的p 型半导体膜层[5]。

掺杂也能改善半导体薄膜的导电性，一种掺杂是使晶格中产生多余的非共有化运动的价电子，例如In203薄膜中掺杂适量的Sn02后，晶格点阵中一部分三价的锢离子In+3就被四价的锡离子Sn+4所占据，锡离子Sn+4中有三个价电子与相邻的铟离子共有化，还剩一个价电子不能参加共有化运动，这个非共有化价电子的能级分布在禁带之中并靠近导带，在常温下这个价电子很容易跃迁到导带上去变成自由电子，使得整个晶体的载流子(指电子)浓度提高了，从而改善了In2O3膜的导电性。另一种掺杂是在晶格中缺少了共有化运动的价电子，还是以In2O3薄膜内掺杂ZnO为例来说明这个问题。掺杂后，In2O3晶格中一部分三价的铟离子In3+被二价的锌离子Zn2+ 所占据，在晶格中为了维持锌离子与它周围铟离子之间具有共价键的结构，锌离子势必要成为饱和的共价键结构，也就是要吸引附近的一个价电子来构成饱和结构，被吸引去的电子原来所处的位置便成了空穴。出现空穴的根本原因是缺少了共有化价电子。这种缺少了共有化价电子的杂质能级也分布在禁带之中，并且靠近满带，在常温下满带中的电子很容易跃迁到杂质能级上去，使得满带中出现了空穴，整个膜层的载流子的浓度(指空穴)提高了，导电性变好了[6]。

由薄膜的导电机理可知，金属膜导电是由于组成膜的自由电子受到电场作用而定向运动的结果，方电阻主要取决于膜层的厚度，不会因为镀膜工艺条件变化而有较大的变化，半导体薄膜导电是由于载流子在外电场作用下做定向运动的结果，方电阻的大小除了与膜的几何厚度有关外，主要取决于镀膜的工艺技术。

3 ITO简介

3.1 ITO的基本性质

可见光透过率高而又有导电性的薄膜称为透明导电薄膜。透过性的标准是透过率60%以上，导电性的标准是表面电阻在1010Ω·cm以下[7]。透明导电薄膜的种类主要有金属膜、氧化物膜、多层复合膜和高分子膜等，其中氧化物薄膜占主导地位。目前研究人员主要集中在对SnO2基、In2O3基以及ZnO 基透明导电膜的研究，而掺锡In2O3(简称ITO)薄膜又是当前研究和应用最广泛的透明导电薄