濺射溫度對ITO/Ag/ITO多層復合薄膜的結構和光電性能的影響

程媛媛，黃瑜佳，朱歸勝，徐華蕊，萬 樂，焦培文，汪坤喆

(1.桂林電子科技大學材料科學與工程學院，電子信息材料與器件教育部工程研究中心，廣西信息材料重點實驗室，桂林 541004；2.廣西中沛光電科技有限公司,來賓 546100)

0 引 言

隨著觸控技術的發展，觸控面板向著更大尺寸、更高靈敏度和更高性能的方向發展，傳統采用單一ITO薄膜為觸控電極的方案[1-2]，由于觸控面板尺寸變大，電極電阻增加，難以滿足大尺寸觸控面板的應用要求，因此急迫需要發展低電阻率的ITO透明導電薄膜[3-4]。現有ITO薄膜通過復合電極形成ITO/metal/ITO(IMI)結構的透明導電薄膜技術得以快速發展，如ITO/Ag/ITO薄膜由于光電性能優異，是大尺寸觸控面板應用的理想透明導電材料。

近年來，為優化ITO/Ag/ITO薄膜，使該薄膜的光學性能、電學性能和力學性能等各方面性能不斷滿足當前的應用需求，國內外研究學者進行了大量研究。Wu[5]制備了ITO/Ag/ITO薄膜，探究了Ag和ITO薄膜的厚度對該薄膜光電性能的影響。Kim等[6]制備了ITO/Mesh-Ag/ITO多層膜的OLED透明電極，探究了Ag薄膜的厚度對該薄膜光電性能的影響。Wang等[7]用射頻和直流磁控濺射在玻璃基板上沉積ITO/Ag/ITO多層薄膜，探究其力學性能的變化。在ITO/Ag/ITO多層復合薄膜制備過程之中，大多數只是研究厚度對光電性能的影響，以及濺射功率、退火等制備工藝對薄膜的影響，但對溫度與ITO/Ag/ITO復合薄膜的影響規律研究并不深入。由于ITO是氧化物，溫度對ITO薄膜的光電性能具有顯著的影響[8]。另一方面，Ag是金屬，在較高溫度下濺射時，Ag薄膜會收縮團聚[9]。同時兩者進行復合時，溫度還影響ITO薄膜和Ag薄膜的界面問題，在較高的溫度下Ag薄膜會發生界面擴散。因此，在ITO/Ag/ITO薄膜的制備過程中，研究濺射溫度對ITO薄膜和Ag薄膜的影響尤為重要。

本文采用磁控濺射法制備了ITO/Ag/ITO多層復合薄膜，系統研究濺射溫度對ITO/Ag/ITO薄膜結構、形貌和光電性能的影響。

1 實 驗

1.1 薄膜的制備

本實驗采用直流磁控濺射法制備ITO/Ag/ITO多層復合薄膜。采用ITO(m(In2O3)∶m(SnO2)=9∶1；直徑60 mm)靶材和Ag(純度99.999%；直徑60 mm)靶材分層濺射，使ITO薄膜和Ag薄膜依次沉積在鈉-鈣玻璃基片上。底層ITO薄膜沉積，基片的溫度自然降到室溫，在不打破真空的條件下，調節濺射溫度。由于Ag薄膜與普通ITO薄膜的濺射溫度相比較低，因此使中間Ag薄膜和頂層ITO薄膜的濺射溫度保持一致，防止在濺射頂層ITO薄膜的時濺射溫度影響Ag薄膜。調節濺射溫度為40 ℃、80 ℃、120 ℃和160 ℃，得到四個樣品，探究中間Ag薄膜和頂層ITO薄膜的濺射溫度對ITO/Ag/ITO薄膜的影響。圖1為ITO/Ag/ITO薄膜的制備流程圖。

圖1 ITO/Ag/ITO薄膜的制備流程圖Fig.1 Preparation process of ITO/Ag/ITO thin films

1.2 表征方法及儀器

采用D8 /Max-2500型X射線衍射儀表征薄膜的晶體結構。采用場發射掃描電子顯微鏡FEI Tecnai-450觀察薄膜的表面和橫截面形貌。采用四點探針系統測量方阻、電阻率以及電導率。采用U-4100型紫外可見分光光度計測試薄膜的透射率。

2 結果與討論

2.1 結構分析

圖2為不同濺射溫度下所制備的ITO/Ag/ITO薄膜的XRD圖譜。從圖中可以看出，所有樣品均為In2O3體心立方鐵錳礦晶體結構，衍射峰主峰為(222)，其結果與標準卡片(PDF#06-0416)一致，無Sn、SnO或SnO2等雜峰出現，說明Sn4+完全進入In2O3晶格。隨著中間層和頂層薄膜濺射溫度的升高，薄膜(222)和(400)衍射峰明顯增強。說明在濺射過程中，隨著溫度的升高，薄膜生長動能增強，提高了薄膜的結晶性，與文獻[10]報道的結果一致。

圖2 不同濺射溫度制備的ITO/Ag/ITO薄膜的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

2.2 微觀形貌分析

圖3為不同濺射溫度下所制備的ITO/Ag/ITO薄膜的表面和橫截面SEM照片。薄膜的表面形貌為圖3(a)～(d)，橫截面形貌為圖3(e)～(h)。根據圖3(a)～(d)可以看出，在底層ITO薄膜濺射溫度一定時，隨著中間層和頂層退火溫度的升高，薄膜表面的晶粒由類球形逐漸變為菱形，說明濺射溫度對薄膜的表面晶粒形貌產生了顯著的影響。在40 ℃時，薄膜表面為類球形的晶粒。隨著溫度的升高，在80 ℃時，薄膜類球形晶粒中夾雜著細長的晶粒，說明薄膜隨著溫度的升高有轉變為菱形晶粒的趨勢。當溫度達到120 ℃時，薄膜表面晶粒形貌由類球形幾乎完全轉換為菱形。當溫度繼續升高至160 ℃后，薄膜表面有較大的菱形晶粒，部分晶粒有長大的趨勢。結合XRD圖譜分析，隨著溫度的升高，薄膜的結晶性逐漸增強，而ITO薄膜的(400)晶面具有比(222)晶面更低的表面能，薄膜會逐漸朝著(400)方向生長，因此隨著濺射溫度的升高，薄膜的表面形貌發生了改變。

由圖3(e)～(h)知，隨著中間層和頂層退火溫度的升高，薄膜厚度沒有明顯的變化，同時薄膜橫截面出現了明顯的柱狀晶，隨著溫度的升高，薄膜中間Ag層的厚度逐漸變薄，說明中間Ag薄膜減少，部分Ag晶粒嵌入ITO薄膜的孔隙中。結合圖3(a)～(d)分析，造成這種現象可能是因為在40 ℃濺射時，溫度較低，薄膜結晶度較低，動能小，Ag薄膜在中間層，不易擴散。隨著溫度的升高，表面的晶粒變為菱形，從橫截面看頂層ITO薄膜逐漸變成“犬牙交錯”的柱狀晶，結合文獻[11]分析，Ag薄膜的納米顆粒逐漸嵌入ITO薄膜表面的孔隙中，所以在橫截面看到中間Ag薄膜逐漸變薄。以上分析表明，隨著濺射溫度的升高，薄膜的結晶性逐漸增強，薄膜(400)衍射峰峰值逐漸增強，薄膜表面晶粒形貌逐漸由類球形轉變為棱型。同時，隨著溫度的升高，Ag薄膜的分布發生了改變。

2.3 光學性能分析

圖4(a)為不同濺射溫度下所制備的ITO/Ag/ITO薄膜的透射率曲線。結合相關文獻[3]與圖4(a)可知，加入Ag薄膜后，與普通ITO薄膜相比，所制備的ITO/Ag/ITO薄膜透射率有所下降，但在120 ℃以下時，可見光平均透射率均為80%以上。當中間層和頂層退火溫度達到120 ℃時，其在488 nm處透射率最高為88.98%。隨著中間層和頂層退火溫度由40 ℃升高至120 ℃時，薄膜的透射率有所降低。造成這種現象的原因是，隨著溫度的升高，薄膜的晶體由柱晶轉變成多晶，多晶狀態增加了對光的散射，因此薄膜可見光透射率下降[12]。同時隨著溫度的升高，Ag薄膜中部分納米顆粒嵌入上層ITO薄膜中，這會降低薄膜的可見光透射率。在160 ℃時，透射率出現了明顯的下降，結合文獻[13]分析，造成這種現象的原因是，Ag薄膜隨著溫度的逐漸升高，會出現收縮和團聚，嵌入頂層ITO薄膜，阻礙了光線的透過，所以導致透射率出現了明顯的降低。

圖4(b)為不同濺射溫度下所制備的ITO/Ag/ITO薄膜的禁帶寬度曲線。由圖4(b)和文獻[14]可知，濺射溫度為40 ℃、80 ℃、120 ℃和160 ℃所制備的多層復合薄膜光學帶隙分別為3.90 eV、3.91 eV、3.94 eV和3.97 eV。載流子數量的增加會導致摻雜費米能級進入導帶底，從而導致ITO薄膜禁帶寬度的寬化[15]。計算結果表明，在濺射溫度為160 ℃時，其具有最大的禁帶寬度。

2.4 電學性能分析

圖5(a)為不同濺射溫度下所制備的ITO/Ag/ITO薄膜的電導率和電阻率，圖5(b)顯示了其方阻和計算得出的品質因數[16]。從圖中可以明顯看出，在120 ℃及以下時，隨著濺射溫度的升高，薄膜的電阻率明顯下降，導電性顯著提高。結合相關文獻[17]，Ag薄膜隨著溫度的升高，晶粒尺寸增加，薄膜電阻率因電子晶界散射少而減小，金屬層的導電性增強使薄膜電阻率降低。同時對于ITO/Ag/ITO薄膜，隨著溫度的升高，Ag薄膜逐漸嵌入ITO薄膜中，Ag與ITO界面接觸處能帶彎曲[5,18]，使Ag層中的大量電子可以很容易地注入ITO層中[19]，從而導致薄膜導電性增強。在溫度達到160 ℃時，薄膜導電性略有下降，與圖4(b)計算得出的結果相符合，結合圖3薄膜的橫截面形貌可知，造成這種現象的原因可能是溫度過高，中間Ag薄膜有所收縮和團聚，造成中間Ag薄膜不連續，所以在溫度達到160 ℃后，導電性有所下降。因此溫度達到120 ℃時，ITO薄膜和Ag薄膜的濺射溫度達到一個平衡狀態，此時薄膜的導電性達到最佳。

圖3 不同濺射溫度制備的ITO/Ag/ITO薄膜的SEM照片Fig.3 SEM images of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

圖4 不同濺射溫度制備的ITO/Ag/ITO薄膜的透射率和禁帶寬度Fig.4 Transmittance curves and band gap widths of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

由薄膜在可見光范圍內的平均透射率和方阻計算得出的薄膜的品質因數φH(見圖5(b))，計算公式如下：

圖5 不同濺射溫度制備的ITO/Ag/ITO薄膜的電導率、電阻率及方阻、品質因數Fig.5 Electrical conductivity, resistivity and square resistance, quality factor of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

(1)

式中：RS為所制備的ITO薄膜的方阻；T為薄膜可見光范圍內的平均透射率。由圖可知，在中間層和頂層的濺射溫度為120 ℃時，品質因數達到最大0.030 Ω-1，此時薄膜的方阻為3.68 Ω/Sq，在160 ℃時方阻有所升高，計算得出的品質因數與120 ℃時相比，出現了明顯的下降。結合以上分析可知，在濺射溫度為120 ℃下薄膜的性能達到最佳。

3 結 論

采用磁控濺射法制備了ITO/Ag/ITO多層復合薄膜，發現濺射溫度對薄膜的結晶性、表面形貌和Ag薄膜具有顯著影響。隨著Ag薄膜和頂層ITO薄膜的濺射溫度升高，薄膜表面晶粒形貌由類球形轉變為菱形，薄膜的導電性提高。在160 ℃以下時，隨著中間層和頂層薄膜濺射溫度的升高，薄膜的透射率幾乎沒有下降。在濺射溫度為120 ℃時，Ag薄膜仍為連續的網絡結構，實現了薄膜方阻為3.68 Ω/Sq，488 nm處透射率為88.98%的ITO/Ag/ITO多層復合薄膜的制備。