能量过滤磁控溅射技术ITO薄膜的制备及性能优化

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锡掺杂氧化铟(Tin-doped indium oxide, ITO)是一种n型半导体材料,因具有优良的导电性能、高的可见光透过率和优良的机械性能等优点,一直是材料、微电子和光电子领域的研究热点。  目前ITO薄膜有多种制备方法,例如:化学气相沉积法、喷雾热解法、真空蒸发法、溶胶-凝胶法、磁控溅射法等。其中磁控溅射技术因具有可制取高熔点物质的薄膜、与基片附着力大、成膜面积大以及均匀性好等优点,现已被广泛应用到各个领域。但该技术也存在一些不足之处,如在溅射镀膜过程中,等离子体中除了沉积粒子In3+、Sn4+、In2O3、SnO2外,还有O2ˉ、Oˉ等负离子和二次电子,这些高能负粒子会对衬底及其上已沉积的薄膜产生溅射损伤,并且高能粒子打入膜层会引起杂质气体的混入、缺陷的产生及薄膜内应力的增加,对薄膜的性能产生负面影响。为减小负离子和二次电子对衬底的轰击作用,我们对传统直流磁控溅射(DC Magnetron Sputtering, DMS)技术进行改进,自主研发了一种称之为“能量过滤磁控溅射”(Energy Filtering Magnetron Sputtering, EFMS)的镀膜新技术,采用EFMS技术了制备了成膜质量更高、光电性能更好的ITO薄膜。  随着太阳能电池、平板显示技术、OLED技术的快速发展和广泛应用,对ITO薄膜的光电性能有了更高的要求。本文主要通过改变工艺条件、改进制备技术和借助TFCalc软件优化来提高ITO薄膜的光电性能。  本文的研究工作主要分为以下三部分:  (1)采用直流磁控溅射技术在K9玻璃(2.5cm×2.5cm×0.1cm)上制备了ITO薄膜。溅射所用ITO靶材的纯度为99.99%、In2O3:SnO2的质量比为9:1。利用控制变量法,研究了基片温度、溅射时间、氧氩比、溅射功率和溅射压强等制备工艺条件对ITO薄膜性能的影响,以及这些制备工艺条件对ITO薄膜折射率的影响。用 X射线衍射仪,扫描电子显微镜,分光光度计、椭偏仪和四探针电阻测试仪对薄膜的结构、形貌、光学性能(透射率、折射率和消光系数)和电学性能(方块电阻和电阻率)进行了表征。结果表明,制备工艺条件对ITO薄膜的光电性能及折射率有或大或小的影响。  (2)采用DMS和EFMS两种制备技术,分别在室温和高温条件下制备了厚度相同的ITO薄膜样品,研究了两种制备技术对ITO薄膜光电性能的影响,以及两种制备技术对ITO薄膜折射率的影响。结果发现,较DMS技术,EFMS技术制备的ITO薄膜有更好的光电性能,有更低的折射率。  (3)通过利用两种技术制备ITO薄膜的研究,得到具有最低折射率、最高折射率ITO薄膜的制备工艺条件。在此条件下制备ITO薄膜样品,采用椭偏仪表征其折射率,并将折射率导入TFCalc软件中进行优化,得出了ITO单层减反射膜和 ITO同质双层减反膜的最佳制备工艺条件。在该最佳工艺条件下制备了上述两种减反射膜,并对其光电性能进行了表征。结果表明,在可见光范围内,两种减反膜的平均透射率均有所提高,其电学性能也有所改善。
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