氧化銦錫（ITO）薄膜濺射生長及光電性能調控

雷沛，束小文，劉培元，羅俊杰，李佳明，郝常山，紀建超，張旋

（1.北京航空材料研究院股份有限公司，北京 100095；2.北京市先進運載系統結構透明件工程技術研究中心，北京 100095；3.陸軍裝備部駐北京地區航空軍事代表室，北京 100039）

透明導電薄膜因具有透明和導電特性，廣泛應用于各種顯示器、發光二極管、觸摸屏面板、太陽能電池、電磁干擾屏蔽與紅外隱身功能擋風玻璃以及建筑用低輻射率幕墻玻璃等領域[1-4]。隨著科技的發展，對透明導電薄膜的要求越來越高，并出現各類新型透明導電氧化物研究熱潮。透明導電氧化物主要包含極薄金屬層、多元氧化物、化合物/金屬/化合物、碳材料以及有機透明導電材料等體系[5-9]。其中，ITO 薄膜具備電阻率低（10-4Ω/cm）、可見光透過率高（85%@550 nm）、化學穩定性好、硬度高等優點，成為透明導電材料中綜合性能最佳、應用最廣泛的薄膜材料[10-14]。

ITO 是一種重摻雜、高簡并的N 型Sn 摻雜In2O3半導體材料，主要成分是In2O3（圖1a），結構為體心立方錳鐵礦結構（也稱C 型稀土氧化物結構），空間點群Ia-3(206)，標準晶格常數為1.011 7 nm，如圖1b所示。In2O3完整的晶胞中含有80 個原子，其中32個In3+位于2 種非等效六配位位點上，48 個氧原子則排布在In3+周圍的八面體中。一個In3+與6 個O2-相連，O2-有2 種排布方式：第1 種配位形式為In3+位于b 位，周圍由6 個O2-包圍，體對角線上排布2 個氧空位；第2 種是In3+位于d 位，同樣是由6 個O2-包圍，但面對角線上排布2 個氧空位，如圖1c 所示[15-16]。在ITO 薄膜制備過程中，半徑較小的Sn離子（0.071 nm）較容易替換半徑較大的In 離子（0.081 nm）而形成替位摻雜。Sn 對In 原子的替位摻雜不會改變ITO 晶體結構，摻雜過程中Sn4+替代In3+，形成施主能級，貢獻1 個電子，同時氧空位也提供2 個電子，這2 種缺陷態使得薄膜具有較高的載流子濃度，具備半導體屬性，同時引發光學能隙變化而改變光學特性[17]。因此，ITO 薄膜中引入缺陷的數量和種類決定了ITO 薄膜的結構和性能。

圖1 In2O3 晶體結構（a），ITO 晶體（b），氧原子2 種配位構型（c）Fig.1 Crystal structure of In2O3 (a); crystal structure of ITO (b); two sites of oxygen atom in ITO structure (c)

目前制備ITO 薄膜的方法主要有激光脈沖法、磁控濺射法等物理氣相沉積方法和溶膠-凝膠法、噴霧熱解法等化學氣相沉積方法[18-22]。相比其他ITO 薄膜制備方法，磁控濺射法具有明顯的優勢。磁控濺射法制備的薄膜具有致密度高、純度高、均勻性好、沉積溫度低、成膜速率快、薄膜性能優異以及可實現大面積沉積等優點，因此在ITO 大規模產業化過程中，廣泛采用濺射法制備ITO 薄膜。

ITO 薄膜的光學和電學是最重要的性能，其優劣直接影響工程應用。為此，學者對如何獲得高品質ITO 薄膜進行了廣泛研究，得到了一些制備優良ITO薄膜的策略和手段[23-26]。ITO 薄膜的微觀結構和性能由制備方法以及工藝參數決定。目前文獻報道了氧含量、熱處理溫度、功率等對電阻率和透光率的影響規律[10,24,27-29]，調控氧含量可獲得較低薄膜電阻率，根據熱處理氣氛可升高或者降低薄膜電阻率。研究者大多關注單因素的影響，且報道結果因試驗方法、設備和工藝等因素不同呈現出多樣性，結果離散性較大，且關鍵因素的協同影響規律以及如何多種因素疊加獲得極限性能的ITO 薄膜有待進一步探討。通常地，磁控濺射法制備的ITO 薄膜受反應氣體比例、膜層厚度、熱處理溫度等因素的影響，各因素間既有協同又相互掣肘，為了獲得優異的ITO 薄膜，即較低的薄膜電阻率和較高的可見光透過率，通過優化多種關鍵工藝參數并協同作用來探索實現性能最優值的途徑是本文的立足點。為此，本文選取了磁控濺射法制備ITO 過程中3 種關鍵參數，在K9 玻璃上不同氧氣流量下制備了不同厚度的ITO 薄膜，研究其對低溫生長ITO 膜光電性能的影響規律，以及后續熱處理對ITO薄膜光電性能的調控規律。

1 試驗

1.1 ITO 薄膜制備

采用直流磁控濺射技術在K9 玻璃上制備ITO 透明導電膜，靶材為ITO 陶瓷靶（尺寸φ96 mm×4 mm），In2O3和SnO2比例為9∶1。鍍膜前，樣品分別在酒精和去離子水中超聲清洗10 min，以除去表面油污，而后用高壓氮氣吹干樣品并放在樣品架上。采用高純氬氣和氧氣進行濺射鍍膜，氬氣流量固定為150 mL/min，氧氣流量從6 mL/min 逐漸增加到14 mL/min。其他工藝參數固定不變，靶基距為 100 mm，功率為150 W。根據鍍膜時間來調控所需要的薄膜厚度，薄膜厚度控制在300～600 nm。熱處理選擇真空管式熱處理爐進行退火處理，爐內真空度為2×10-2Pa，熱處理溫度為500 ℃。

1.2 結構表征和性能測試

ITO 薄膜的厚度采用表面輪廓儀（KLA Tencor D 120）進行測量。薄膜結構采用X-射線衍射儀（Bruker D8）進行表征，使用Cu-Kα 射線源，波長為0.154 06 nm，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描角度為20°～80°。利用X-射線光電子能譜儀（Thermal ESCALAB 250）進行元素含量分析，Al α 源分辨率為0.1 eV，本底真空為2×10-6Pa。薄膜透射譜采用Agilent Carry 5000紫外-可見光-紅外分光光度計測量，平均透過率采用上海儀電物光有限公司生產的透光/霧度儀（WGT-S）進行測試。薄膜方塊電阻采用四探針（德國NAGY SD-610 型）測試儀測試。

2 結果及分析

2.1 不同氧氣流量和厚度對ITO 薄膜電學和光學的影響

氧氣流量對于制備ITO 薄膜至關重要，其大小決定了薄膜中氧空位的含量，從而影響ITO 薄膜的光學和電學性能。圖2 為3 種不同厚度的ITO 薄膜（350、550、600 nm）隨著氧氣流量變化對方塊電阻的影響規律。從圖2 可以看出，3 種厚度的ITO 薄膜均呈現出相一致的規律。氧氣流量較低（6 mL/min）時，ITO薄膜的方塊電阻較低，隨著氧氣流量的增加，方塊電阻呈現出上升的趨勢。對于ITO 薄膜，其電阻率與載流子濃度和載流子遷移率成反比，載流子濃度由氧空位決定，載流子遷移率則主要受結晶程度的影響[23]。在濺射過程中，從靶材濺射出來的粒子流在真空傳輸到基片過程中氧離子缺失，通入的氧氣參與反應補充了缺失的氧空位，隨著氧氣含量的增加，氧原子填充到了In2O3晶格中，氧空位濃度逐漸變少。當氧氣含量增加到30 mL/min 時，方塊電阻達到40 800 Ω/□（圖2 中未列出），氧空位位點幾乎被氧原子占據，氧空位所提供的載流子濃度急劇減小，趨近于絕緣體。同樣地，薄膜電阻率隨著氧氣流量的增加，呈現出逐漸增加的趨勢[30]。對不同氧氣流量下制備的ITO薄膜樣品表面元素百分含量利用XPS 進行測試表征，結果見表1，元素窄譜掃描圖未放在文中。從表1 中可以看出，隨著氧氣流量的增加，薄膜中氧含量逐漸增加，而In 和Sn 含量逐漸減小，氧原子填充氧空位導致氧空位濃度降低，同時氧氣流量增加導致Sn 原子替位摻雜濃度的降低，這2 種因素決定了薄膜載流子濃度隨著氧氣流量的增加而減小。另外，遷移率主要受薄膜中缺陷態的影響，增加的氧氣流量減小缺陷態密度從而增加遷移率。因此，在氧氣流量較低時薄膜電阻率較低，隨著氧氣流量的增大，電阻率快速增大。此規律與文獻[30]報道相一致。

圖2 不同厚度下氧氣含量對方塊電阻的影響Fig.2 The effects of different oxygen flow rates on the sheet resistance of ITO films with different thicknesses

表1 不同氧氣流量下制備ITO 薄膜的元素百分含量Tab.1 The element content of ITO films at different oxygen flow rates

當固定氧氣流量時，不同的薄膜厚度對應于不同的薄膜電阻率，如圖3 所示。這是由于在不同厚度下生長時，ITO 薄膜的晶體結構發生了變化，厚度較薄時，薄膜結晶較差，存在較多的散射中心，載流子遷移率較低，導致較高的電阻率。當厚度增大時，薄膜結晶性能得到提升[31-33]，使得電阻率降低。厚度為400 nm時，所制備ITO 薄膜的電阻率達到8.0×10-4Ω·cm。

圖3 不同厚度對薄膜電阻和電阻率的影響Fig.3 The effect of different thicknesses on the resistance and resistivity of ITO films

圖4 為氧氣流量對ITO 薄膜光學性能的影響。從圖4a 可以看出，600 nm 厚的ITO 薄膜的透光光譜曲線呈現出包絡線特征，隨著氧氣流量的增加，透過率逐漸增加。圖4b 描述了厚度為550～600 nm 的ITO薄膜在可見光波段的平均透過率，可知厚度為550、600 nm 的ITO 薄膜均呈現出透過率隨著氧氣流量的增加逐漸升高的規律。這與金屬離子的氧化程度相關。隨著氧氣流量的增加，氧氣分壓升高，增大了濺射出來的In 和Sn 粒子與氧氣粒子碰撞的幾率，薄膜氧化程度較高，缺陷減少，透過率提高。當氧氣流量為14 mL/min 時，厚度為550 nm 的ITO 薄膜的平均透光率為80.5%。當充入氧氣較少時，低價態的銦錫氧化物不能被完全氧化，呈棕色或黑色[24]，透過率偏低。

圖4 600 nm 厚的ITO 薄膜在不同氧氣流量下的透射光譜及厚度為550、600 nm 的ITO 薄膜在不同氧氣流量下可見光平均透過率Fig.4 The transmittance spectra of ITO film with the thickness of 600 nm at different oxygen flow rates;the average transmittance in the visible region of ITO films with the thickness of 550 nm and 600 nm at different oxygen flow rates

2.2 熱處理對ITO 薄膜結構和光電性能的影響

圖5 為不同熱處理溫度下ITO 薄膜（Ar 和O2流量比150∶8）的XRD 圖譜，與標準卡片（PDF#65-3170）對比，ITO 薄膜的衍射峰均為In2O3晶體結構的衍射峰，并無其他雜質峰，說明Sn 元素已經完全

圖5 ITO 薄膜不同熱處理溫度下的XRD 圖譜Fig.5 XRD patterns of ITO films annealed at different temperatures

融入In2O3晶格中形成了固溶體。當ITO 在室溫下生長時，結晶性較弱，出現了（222）和（400）衍射峰，薄膜原子沿著（400）方向擇優生長，與文獻[25]報道一致。隨著退火溫度的升高，衍射峰強度逐漸增強，擇優結晶方向由（400）晶面轉為（222）晶面。當退火溫度為500 ℃時，沿（222）晶面擇優生長十分明顯，（400）、（622）、（440）、（211）衍射峰也明顯增強，說明500 ℃退火可顯著增強ITO 的結晶性，且與未加熱ITO 相比，晶體擇優取向由（400）轉為（222）。這是由于加熱過程中，薄膜原子獲得了更多的能量，原子重新排列再結晶，原子移動到能量更低的位置，結構更加規整化，結晶度較高且擇優取向發生改變[34-36]。

圖6 為在515～583 nm 厚度內ITO 薄膜的光學透過圖譜，波長為300～800 nm。由于薄膜較厚，光波經上下表面反射形成了明顯的包絡線。隨著厚度的增加，包絡線波峰向長波方向移動，這是由于厚度增加使波峰移向長波方向。厚度為552 nm 的ITO 薄膜的透過率達到79.0%@550 nm。500 ℃熱處理后，薄膜的短波截止限藍移，光學帶隙增大，同時第1 級和第2 級波峰透過率明顯提高，后面幾級的波峰透過率相差不大。厚度為552 nm 的ITO 薄膜的透過率達到87.0%@550 nm，相比熱處理前提高了8%，薄膜平均透過率達到80.6%。這是由于高溫使得薄膜原子具有更高的動能，缺陷減少，減小了光的吸收，提高了透光率。

圖6 熱處理對不同厚度ITO 薄膜透射曲線的影響Fig.6 The effects of anealing process on the transparencies of ITO films with different thicknesses

圖7 為不同氧氣流量下500 ℃熱處理ITO 薄膜的方塊電阻、電阻率和方塊電阻下降率的變化關系。從圖7a 中可以看出，隨著氧氣流量的增加，500 ℃熱處理后，薄膜的方塊電阻逐漸增加，厚度為334～380 nm 和490～552 nm 時，呈現出相同的規律，隨氧氣流量的增加，方塊電阻逐漸增加。熱處理后，ITO薄膜的方塊電阻有了較大程度的下降，電阻率在流量比為150∶6 時達到2.7×10-4Ω·cm（345 nm）和3.1×10-4Ω·cm（548 nm），對應于電阻下降率分別為66%和59%。這是由于熱處理后薄膜晶體尺寸增加，晶界減少，晶界散射對于遷移率影響減弱，降低了電阻率[26]。隨著氧氣流量的增加，等量厚度下ITO 薄膜的電阻率升高且電阻下降率逐漸下降，這是由于氧空位減小導致載流子濃度降低。與此同時，不同厚度呈現出不同的熱處理特性，厚度對ITO 電阻率的影響與氧含量有關。氧氣流量小于10 mL/min 時，較厚的ITO 薄膜熱處理后具有較高的電阻率，電阻下降率也較低。在富氧階段，較薄的ITO 膜則呈現出較高的電阻率和較低的下降率。這是由于結晶度和氧空位的變化導致。

圖7 不同氧氣流量下制備ITO 薄膜500 ℃熱處理后的方塊電阻、電阻率、方塊電阻下降率Fig.7 Sheet resistance, resistivity, sheet resistance drop rate of ITO films with different oxygen flow rates

圖8 為固定氧氣流量下，不同厚度ITO 薄膜熱處理后方塊電阻、電阻率以及方塊電阻下降率的關系。可以看出，隨著厚度的增加，熱處理后ITO 薄膜的方塊電阻逐漸減小；同時，電阻率也呈現一致的規律。厚度較小時，ITO 薄膜熱處理后的電阻下降率較低，隨著厚度的增加，方塊電阻下降率逐漸增大。這是由于厚度增大，導致薄膜單位氧空位濃度增多，使得薄膜具有更高的電阻下降率和更低的電阻率。

圖8 不同ITO 薄膜厚度在500 ℃熱處理后電阻、電阻率和方塊電阻下降率的影響Fig.8 The effect of ITO thickness on sheet resistance,resistivity and sheet resistance drop rate of ITO films anealed at 500 ℃

3 結論

1）磁控濺射法制備的ITO 薄膜的性能高度依賴于氧氣流量、厚度和熱處理這3 種工藝參數，電阻率隨著氧氣含量的增加先緩慢增加后急劇升高；厚度增加，薄膜電阻率降低。在氬氧流量比為150∶8 時，可得到400 nm 厚、電阻率為8.0×10-4Ω·cm 的ITO 薄膜。

2）氧氣流量的增加對于低溫下制備ITO 薄膜透光度的提高具有直接促進作用。

3）真空熱處理退火可提高低溫沉積ITO 薄膜的結晶性能，較大程度地降低電阻率。熱處理退火條件下，厚度對電阻率的影響規律與氧含量相關。氧氣含量增加不利于ITO 薄膜電阻率降低，當氬氧流量比為150∶6 時，500 ℃退火熱處理，ITO 薄膜的電阻率達到最低值（2.7×10-4Ω·cm），平均透光率為80%，滿足科學和工業領域對透明導電膜光電性能的要求。