基于磁控濺射技術制備的io薄膜的研究

1導電薄膜的電化學性能錫混合氧化（in2o3sn，ito）是一種常見的透明電子膜。最近，許多研究對ito進行了比較，但由于其良好的電導率和良好的加工性能，膜層硬度高，不僅耐腐蝕性好，ito透明電子膜仍具有重要的應用和研究價值。直到近期,國內外關于ITO薄膜光電性質的研究仍有大量報道[3,4,5等],目前ITO薄膜的電阻率可低達10-4Ω·cm,可見光透過率大于85%。在實際應用中,如觸摸屏、電加溫薄膜、電磁屏蔽膜等方面,導電膜面電阻值不僅是一個重要的工程數(shù)據(jù),而且是能夠真正反應薄膜電學應用能力的數(shù)據(jù),通常作為薄膜電學最重要的考察指標,因此,更能體現(xiàn)透明導電薄膜的應用效果。大面積、均質超低面電阻(≤2Ω/□)透明導電薄膜潛在應用廣泛、制備工藝嚴格,而與膜厚相關的面電阻、透過率的研究并不多。本研究制備了較小面電阻的ITO薄膜,討論了薄膜顏色與可見光透過率的關系,并研究了薄膜厚度與面電阻、電阻率及可見光透過率的關系。2高質量浮法玻璃薄膜的制備ITO薄膜生長采用中環(huán)公司W(wǎng)-2300中頻脈沖電源磁控濺射鍍膜系統(tǒng),靶材為In2O3∶SnO2(w.t.)=9∶1的陶瓷靶(純度99.9%),最大可實現(xiàn)1300mm×2500mm范圍內均勻鍍膜,通過改變?yōu)R射時間而獲得厚度為200nm~1500nm的ITO薄膜,基片為高質量浮法玻璃,樣品尺寸為60mm×60mm×6mm,基片溫度為300℃,濺射氣壓0.5Pa,氬氣流量與氧氣流量比為49∶1。通過VEECO-Dektak150表面輪廓儀測量薄膜厚度,利用V-VASE橢偏儀獲得薄膜的折射率及消光系數(shù),薄膜可見光透過率采用WGT-S透光率/霧度測定儀測定,通過SDY-5型雙電測四探針測試儀測量薄膜的方塊電阻。3ito薄膜的熒光定量檢測利用橢偏儀測量了厚度為266nm和443nm的ITO薄膜的相關光學相干數(shù)據(jù),通過計算獲得ITO薄膜在光波長350nm~2500nm區(qū)間折射率與消光系數(shù),由圖1給出,圖中標識方塊區(qū)域為可見光區(qū)域。從圖中可看出,兩種不同厚度的ITO薄膜,折射率相差不大,較薄的薄膜折射率略小。可見光區(qū),薄膜的折射率隨著入射波長的增加,折射率呈下降趨勢,從380nm的2.16下降到780nm的1.70;薄膜的消光系數(shù)在可見光區(qū)域較小,在380nm為0.003,在780nm為0.026。由于ITO薄膜的折射率大于玻璃的折射率(N=1.5),對于一定厚度的ITO薄膜,即使不考慮薄膜吸收,也存在光學透過率下降現(xiàn)象。針對某一特定波長,只有在薄膜厚度滿足光學干涉相消條件時,ITO鍍膜玻璃的透過率才與玻璃基片透過率相同,在薄膜厚度不滿足干涉相消條件時,相對于原片玻璃,針對該波長透過率都將下降。對于不同厚度(200nm~1500nm)的ITO薄膜,視覺感觀玻璃顏色呈周期性變化,隨著膜厚的增加而顯現(xiàn)為紫紅-藍-金黃-綠-金黃-藍-紫紅變化規(guī)律?？梢姽馔高^率試驗表明,呈現(xiàn)紫紅色的ITO薄膜透過率最好,呈現(xiàn)綠色的ITO薄膜透過率最差,其中的原因是可見光波長范圍為380~780nm,厚度不同的薄膜對不同波長的光線干涉吸收作用不同。當薄膜厚度對可見光中心波長550nm(綠光)全透時,可見光透過率較高,薄膜對紫光、紅光吸收較強,因此ITO薄膜呈現(xiàn)與綠光顏色互補的紫紅色;當薄膜厚度對可見光中心波長550nm(綠光)吸收最強時,可見光透過率最低,玻璃吸收綠光,呈現(xiàn)綠色。圖2給出了ITO薄膜可見光透過率與薄膜厚度關系曲線,從圖中可以看出,隨著薄膜厚度的增加,ITO薄膜對可見光的吸收呈現(xiàn)逐漸振蕩增大的趨勢,其中在266nm和443nm處存在兩個明顯的吸收極小值,此厚度薄膜對應著紫紅色,在364nm處為吸收最大值,此厚度薄膜呈現(xiàn)綠色,與前面的分析一致。在可見光區(qū),由于玻璃的折射率為1.5,設ITO薄膜的折射率為2,因此,ITO薄膜對玻璃主要是減小透射光能量,反射率公式可由下式給出:其中,R為薄膜光強的反射率,δ為相位差,λ為波長,d為薄膜厚度。在排除玻璃本底吸收和不考慮薄膜厚度吸收的情況下,由公式(1),可計算出薄膜厚度與透過率的關系,如圖2由振蕩曲線給出,圖中表明在nd=0.5*kλ(k=0,1,2,…)時,透過率最高,在nd=0.25*kλ(k=1,3,5,…)時,透過率最低,對于λ=550nm的綠光,透過率最高的膜厚為137nm,275nm,412nm…,透過率最低的膜厚應該為68nm,206nm,343nm,…。試驗所得值與公式計算值在λ=275nm吻合較好,其余偏差較大,原因是公式(1)給出的是單一光源的情況,入射光源白光光譜復雜,另外沒有考慮薄膜吸收及折射率變化等因素的影響。圖3給出的是磁控濺射ITO薄膜方塊電阻Rs與薄膜厚度關系曲線。圖中清晰展示,隨著ITO膜厚的增加,薄膜電阻Rs單調下降,并符合指數(shù)衰減規(guī)律,可由方程R=0.9+13.9×EXP(-d/387)擬和,d為薄膜厚度,通過擬和公式計算可知,隨著膜厚的增加,ITO薄膜的方塊電阻衰減率近似為一常數(shù),百納米衰減系數(shù)約為1.2,預示著只要增加ITO膜厚,薄膜電阻總能減小至某一需要的數(shù)值。然而事實上,在薄膜生長過程中,隨著ITO沉積厚度的增加,ITO晶粒逐漸長大,存在選擇生長現(xiàn)象,當薄膜超過一定厚度,薄膜表面生長不均現(xiàn)象將突出,并且容易在較厚的薄膜中出現(xiàn)孔洞、空隙、稀松等狀況,薄膜質量變壞,因此,薄膜電阻不能隨著膜厚的增加一直下降。另外,膜厚的增加導致薄膜的可見光透過率下降,將損失透明導電薄膜的另一重要特性。ITO薄膜的電阻率可由經(jīng)驗公式ρ=Rs×d獲得,其中d為膜厚。薄膜電阻率隨膜厚變化情況顯示于圖3中,在膜厚為200~1500nm范圍內,薄膜的電阻率在1.8×10-4~2.4×10-4Ω·cm范圍內變化:在薄膜較薄d=200nm時,ITO薄膜電阻率較小,為1.87×10-4Ω·cm,隨著薄膜厚度的增加,薄膜電阻率首先呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,在430nm附近達到最大值,為2.4Ω·cm;此后,隨著膜厚的增加呈現(xiàn)逐漸下降趨勢,直至1387nm,電阻率最終達1.8×10-4Ω·cm,電阻率的變化與ITO薄膜的生長質量相關,膜厚在500nm時遷移率達到最低。4薄膜染色與厚度研究了中頻磁控濺射生長ITO薄膜,分析了薄膜厚度與可見光透過率、方塊電阻的關系,得到如下結論:1.隨著膜厚的增加,ITO薄膜顏色呈現(xiàn)周期性變化,其中,顏色呈紫紅色的薄膜,可見光透過