ITO薄膜制備及特性

1、一、ITO薄膜的制備方法薄膜的制備方法有多種，如磁控濺射沉積、真空蒸發(fā)沉積、溶膠-凝膠和化學氣相沉積法等1.1磁控濺射法磁控濺射法是目前工業(yè)上應(yīng)用較廣的鍍膜方法。磁控濺射沉積可分為直流磁控濺射沉積和射頻磁控濺射沉積，而直流磁控濺射沉積是當前發(fā)展最成熟的技術(shù)。該工藝的基本原理是在電場和磁場的作用下，被加速的高能粒子（Ar+）轟擊鈿錫合金（IT）靶材或氧化鈿錫（ITO）靶材表面，能量交換后，靶材表面的原子脫離原品格而逸出，濺射粒子沉積到基體表面與氧原子發(fā)生反應(yīng)而生成氧化物薄膜HJ。1.2真空蒸發(fā)法真空蒸發(fā)鍍膜法（簡稱真空蒸鍍）是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化

2、逸出，形成蒸氣流，入射到固體（稱為襯底或基片）表面，凝結(jié)形成薄膜的方法。由于真空蒸發(fā)法或真空蒸鍍法主要物理過程是通過加熱蒸發(fā)材料而產(chǎn)生，所以又稱為熱蒸發(fā)法。按照蒸發(fā)源加熱部件的不同，蒸發(fā)鍍膜法可分為電阻蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、高頻感應(yīng)蒸發(fā)、電弧蒸發(fā)、激光蒸發(fā)法等。采用這種方法制造薄膜，已有幾十年的歷史，用途十分廣泛。1.3溶膠一凝膠（Sol-Gel）法溶膠是指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中，并且不停地進行布朗運動的體系。溶膠凝膠法制備涂層的基本原理是：以金屬醇鹽或無機鹽為前驅(qū)體，溶于溶劑（水或有機溶劑）中形成均勻的溶液，溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng)，反應(yīng)生成物聚集成幾個納米左右的粒子并形成溶膠，再以

3、溶膠為原料對各種基材進行涂膜處理，溶膠膜經(jīng)凝膠化及干燥處理后得到于凝膠膜，最后在一定的溫度下燒結(jié)即得到所需的薄膜。1. 4化學氣相沉積法（CVD）化學氣相沉積法（CVD）是一種或幾種氣態(tài)反應(yīng)物（包括易蒸發(fā)的凝聚態(tài)物質(zhì)在蒸發(fā)后變成的氣態(tài)反應(yīng)物）在襯底表面發(fā)生化學反應(yīng)而沉積成膜的工藝。反應(yīng)物質(zhì)是由金屬載體化合物蒸氣和氣體載體所構(gòu)成，沉積在基體上形成金屬氧化物膜，襯底表面上發(fā)生的這種化學反應(yīng)通常包括鈿錫原材料的熱分解和原位氧化u2I。如果在CVD!中采用鈿、錫有機金屬化合物作為原材料，則稱為MOCVD。MOCVD具有沉積溫度低、薄膜成分和厚度易控制、均勻性好和重復(fù)性好等優(yōu)點。具體過程為，以乙酰丙酮鈿

4、和四甲基錫為原材料，在300c下通過化學氣相沉積過程中的熱分解和原位氧化制取ITO薄膜，其反應(yīng)方程式為：21n（CsHQ）3（氣）+36O2（氣）一1n2c3（固）+30CO（氣）+21H20（氣）（1）（CH3）4Sn（氣）+8Q（氣）一SnO（固）+4CO（氣）+6HkO（氣）（2）二、ITO薄膜材料的主要特性參數(shù)及測試設(shè)備和原理1 .方塊電阻方塊電阻，又稱面電阻，指一個正方形的薄膜導電材料邊到邊“之”間的電阻，面電阻如圖1所示：G表示玻璃原片；ITO表示被濺射在玻璃原片上的氧化鈿錫膜層；D表示膜層的厚度；I表示平行于玻璃原片表面而流經(jīng)膜層的電流；L1表示在電流方向上被測膜層的長度；L2表

5、示垂直于電流方向上被測膜層的長度。根據(jù)式R=pXL/S則膜層電阻R為：Rs=pXL1/（L2XD）式中p為膜層材料的電阻率。當式中L1=L2時，即為膜層的面電阻R:Fb=p/D（單位：Q/口）（2）它表示膜層的面電阻值僅與膜層材料本身和膜層的厚度有關(guān)，而與膜層的表面積大小無關(guān)。畫面電阻實際的測量中一般用兩種方法：四探針法測方阻和銅棒測方阻（1）采用四探針方法測量膜層的面電阻原理如圖2所示。圖中1、2、3、4表示四根探針；S表示探針間距；I表示從探針1流入、從探針4流出的電流（單位：mA;V表示探針2、3間的電位差（單位：mV>此時，膜層的面電阻Fb（式（2）為:Fb=4.53XAV/1（

6、單位：Q/口）網(wǎng)由上式可見，只要在測量時給樣品輸入適當?shù)碾娏鱅,并測出相應(yīng)的電位差V,即可得出膜層的面電阻值。注解.薄圓片(厚度04mm比阻率：P=VMF(D/S)XF(W/S)XWXFspQcm其中：D一樣品直徑，單位：cm或mm,注意與探針間距S單位一致；S平均探針間距，單位：cm或mm,注意與樣品直徑D單位一致(四探針頭合格證上的S值);W一樣品厚度，單位：cm,在F(W/S)中注意與S單位一致；Fsp-探針間距修正系數(shù)(四探針頭合格證上的F值)；F(D/S)一樣品直徑修正因子。當D訓寸，F(xiàn)(D/S)=4.532,有限直徑下的F(D/S)由附表B查出：F(W/S)一樣品厚度修正因子。W/

7、S<0.4時，F(xiàn)(W/S)=1;W/S>0.4時，F(xiàn)(W/S)值由附表C查出；11、4探針流過的電流值，選值可參考表5.2(第6頁表5.2);V2、3探針間取出的電壓值，單位mV;.薄層方塊電阻RRn=VxF(D/S)XF(W/S)XFspQ/D其中：D一樣品直徑，單位：cm或mm,注意與探針間距S單位一致；S平均探針間距，單位：cm或mm,注意與樣品直徑D單位一致(四探針頭合格證上的S值);W一樣品厚度，單位：cm,在F(W/S)中注意與S單位一致；Fsp-探針間距修正系數(shù)(四探針頭合格證上的F值)；F(D/S)一樣品直徑修正因子。當D訓寸，F(xiàn)(D/S)=4.532,有限直徑下的

8、F(D/S)由附表B查出：F(W/S)一樣品厚度修正因子。W/S<0.4時，F(xiàn)(W/S)=1;W/S>0.4時，F(xiàn)(W/S)值由附表C查出；11、4探針流過的電流值，選值可參考表5.1(第6頁表5.1);V2、3探針間取出的電壓值，單位mV;雙面擴散層方塊電阻區(qū)口可按無窮大直徑處理，此時F(D/S)=4.532,由于擴散層厚度W遠遠小于探針間距，故F(W/S)=1,此時Rn=4.532MVMFspI單面擴散層、離子注入層、反型外延層方塊電阻此時F(D/S)值應(yīng)根據(jù)D/S值從附表C中查出。另外由于擴散層、注入層厚度W遠遠小于探針間距，故F(W/S)=1,此時有Rn=VMF(D/S)M

9、Fsp(2)采用銅棒測方阻原理如圖3所示。測試方法如下：用四根光潔的圓銅棒壓在導電薄膜上，如圖二所示。四根銅棒用A、B、CD表示，它們上面焊有導線接到毫歐計上，我們使BC之間的距離L等于導電薄膜的寬度W至于ABCD之間的距離沒有要求，一般在10-20mm就可以了，接通毫歐計以后，毫歐計顯示的阻值就是材料的方阻值。這種測試方法的優(yōu)點是：(1)用這種方法毫歐計可以測試到幾百毫歐，幾十毫歐，甚至更小的方阻值，(2)由于采用四端測試，銅棒和導電膜之間的接觸電阻，銅棒到儀器的引線電阻，即使比被測電阻大也不會影響測試精度。(3)測試精度高。由于毫歐計等儀器的精度很高，方阻的測試精度主要由膜寬Wft導電棒B

10、C之間的距離L的機械精度決定，由于尺寸比較大，這個機械精度可以做得比較高。在實際操作時，為了提高測試精度和為了測試長條狀材料，W?口L不一定相等，可以使L比W大很多，此時方阻Rs=Rx*W/L,Rx為毫歐計讀數(shù)。2,透光率ITO透明導電玻璃是兼?zhèn)渫腹庑院蛯щ娦缘囊活愄厥鈱щ姴Ａ?，作為一種透明材料，透光率是一項非常重要的光學性能指標，透光率是指以透過材料的光通量與入射的光通量之比的百分數(shù)表示，在測試中采用相對測量原理，將通過ITO透明導電玻璃的光通量記為T2,在沒有放入ITO玻璃時的光通量記為Ti,那么，ITO玻璃的透光率為：t=T2/T1100%其中，T1,T2均為測量相對值般用來測量透過率的

11、儀器有透過率霧度測試儀，分光光度計法，其原理圖分別如下透過率霧度測試儀原理圖指板分光光度計原理圖3.厚度在半導體平面工藝中，薄膜的質(zhì)量好壞對器件的成品率和性能影響很大，因此對薄膜必須作必要的檢查，厚度測量是SiO2膜質(zhì)量檢查的重要內(nèi)容之一。膜厚的測量有多種方法：如橢圓偏振儀測量，干涉法，臺階儀測試法(1)干涉法等傾干涉條紋的測量原理是：當用單色光垂直照射氧化層透明介質(zhì)表面時，入射光將分別在透明介質(zhì)表面和介質(zhì)與襯底界面處反射，在光束照射的區(qū)域厚度相同的地方就會產(chǎn)生干涉條紋，如圖所示，為劈尖形的等厚干涉：根據(jù)光的干涉原理，當兩道相干光的光程差為半波長的偶數(shù)倍，即當&2K入/2=K入(K=0

12、,1,2,3)時，兩道光的相位相同，互相加強，因而出現(xiàn)亮條紋。當兩道光的光距差為半波長的奇數(shù)倍，即當&(2k+1)入/2時，兩道光的相位相反，因而互相減弱，出現(xiàn)暗條紋。由于整個介質(zhì)臺階的厚度是連續(xù)變化的，因此，臺階上將出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。如圖光束在介質(zhì)臺階上的反射光束用(1)表示，襯底界面的反射光束用(2)表示。根據(jù)光程的概念和小入射角的條件，光束(2)在介質(zhì)層內(nèi)走過的光程應(yīng)近似為2nX2,這里n為被測介質(zhì)層的折射率，X2為入射照射處介質(zhì)層的厚度。由圖可見，光束(1)和光束(2)的光程差為2nX20假如光束(1)和光束(2)產(chǎn)生的干涉條紋為亮條紋，則下列關(guān)系式成立、=kA-*X、=

13、%又若光束號在介質(zhì)臺階表面的反射光束和在介質(zhì)界面處的反射光束產(chǎn)生一個與上述亮紋相鄰的亮條紋。則同樣應(yīng)有下式成As=lnX3=(K,+1)2由此可知，兩個相鄰亮條紋之間的SiO2層的厚度差為用一赴=+1)Z力F同樣，兩個相鄰暗條紋之間的SiO2層的厚度差應(yīng)為亞n由此可見，如果從SiO2臺階楔尖算起至臺階頂端共有m+件亮條紋（或暗條紋），則SiO2M的厚度應(yīng)為：AA=m2n通過利用上述公式可以計算被測介質(zhì)層的厚度。其中n是被測介質(zhì)的折射率，入為照射光的波長，m為在劈形介質(zhì)上的干涉條紋數(shù)。上述原理是利用等厚干涉原理來測試薄膜厚度的，同樣也可以利用等傾干涉來測薄膜的厚度。利用寬帶白光照射在被測介質(zhì)時會

14、在薄膜的上下表面產(chǎn)生反射如下圖所示：反射光束11、12的光程差A(yù)可表示為A=2dcosi,i為入射角，d為薄膜厚度。在近垂直入射時認為i0°且I卜12,所以2d。根據(jù)Fresnel定律,干涉光的光強可由下式給出/=2Zr1+3學通過上式可以知道，利用兩個或兩個以上干涉光強極值，可以計算出每個極值的階數(shù)以及光程差A(yù)的值。再根據(jù)A=2nd(折射率n已知),可求厚度do(2)橢圓偏振儀測量法橢圓偏振法應(yīng)用范圍廣泛，它是表面科學研究的一個重要工具。通過這種方法可以同時測出介質(zhì)薄膜的厚度和折射率，在己有測定薄膜厚度的方法中，它是能測量到最薄和精度最高的一類。測量范圍從0.1nm到幾個pm,比干涉法測量精度高一個數(shù)量級以上。此種方法的基本原理是：利用一束橢圓偏振光以一定的入射角射到各向同性均質(zhì)薄膜系統(tǒng)的表面，經(jīng)反射后，反射光的偏振狀態(tài)(振幅和相位)會發(fā)生變化，而這種變化與薄膜的厚度和折射率有關(guān)，所以只要能測量出偏振狀態(tài)的變化量就能定出膜厚和折射率。其原理如下圖所示起偏器單色光束八|,探冽器工.X洋品j1/4波片檢偏器(3)臺階儀測量原理表面上移動臺階法（觸針法）：這是將表面光潔度測量移用與薄膜厚度測量的一種方法。測量具體過程：金剛石觸針觸針跳躍運動一一高度的變化由位移傳感器轉(zhuǎn)變成電信號觸針跳躍運動一一高