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      ITO溅射镀膜机工作原理?
      发布时间:2014-07-31 浏览:11043 次

        目前认为溅射现象是弹性碰撞的直接结果,溅射完全是动能的交换过程。

        当正离子轰击阴极靶,入射离子最初撞击靶表面上的原子时,产生弹性碰撞,它直接将其动能传递给靶表面上的某个原子或分子,该表面原子获得动能再向靶内部原子传递,经过一系列的级联碰撞过程,当其中某一个原子或分子获得指向靶表面外的动量,并且具有了克服表面势垒(结合能)的能量,它就可以脱离附近其它原子或分子的束缚,逸出靶面而成为溅射原子。

        由此可见,溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量交换的过程,入射离子转移到逸出的溅射原子上的能量大约只有原来能量的1%,大部分能量则通过级联碰撞而消耗在靶的表面层中,并转化为晶格的振动。溅射原子大多数来自靶表面零点几纳米的浅表层,可以认为靶材溅射时原子是从表面开始剥离的。

        如果轰击离子的能量不足,则只能使靶材表面的原子发生振动而不产生溅射。如果轰击离子能量很高时,溅射的原子数与轰击离子数之比值将减小,这是因为轰击离子能量过高而发生离子注入现象的缘故。

        铟锡氧化物( Indium Tin Oxide ,简称ITO) 薄膜是一种用途广泛的透明导电材料,已成熟的应用于电机车挡风玻璃、液晶显示器件、太阳能电池、全息照相和液晶彩色电视等,蓄势待发的应用领域为有机发光二极管显示器(Organic Light-Emitting Diode ,简称OLED) 。

        从应用角度出发,通常要求ITO 薄膜的成份是In2O3 和SnO2 ,薄膜中铟锡低价化合物愈少愈好。

        ITO 薄膜的制备方法很多,如喷涂、蒸发、射频溅射和磁控溅射等。随着液晶显示器技术向高精细化和大型化发展,磁控溅射法备受欢迎。

        ITO 薄膜的磁控溅射靶主要分为InSn 合金靶、In2O3-SnO2 陶瓷靶两类。在用合金靶制备ITO 薄膜时,由于溅射过程中作为反应气体的氧会和靶发生很强的电化学反应,靶面覆盖一层化合物,使溅射蚀损区域缩得很小(俗称“靶中毒”) ,以至很难用直流溅射的方法稳定地制备出优质的ITO 膜。

        也就是说,采用合金靶磁控溅射时,工艺参数的窗口很窄且极不稳定。陶瓷靶因能抑制溅射过程中氧的选择性溅射,能稳定地将金属铟和锡与氧的反应物按所需的化学配比稳定地成膜,故无中毒现象,工艺窗口宽,稳定性好。

        但这不等于说陶瓷靶解决了所有的问题,其薄膜光电性能仍然受制于基底温度、溅射电压、氧含量等主要工艺参数的影响,不同工艺制备出的ITO 薄膜的光电性能相差甚远。因此,开展ITO陶瓷靶磁控溅射工艺参数的优化研究很有意义。

        1、关键工艺参数的优化

        关键工艺参数的优化基于实验探索。实验是在自制的双室直流磁控溅射镀膜设备上进行的。该设备的镀膜室采用内腔尺寸为6700mm ×800mm ×2060mm的箱式形状,抽气系统采用两套K600 扩散泵机组,靶材采用德国Leybold 公司生产的陶瓷靶,ITO 薄膜基底是尺寸为1000mm ×500mm ×5mm 的普通浮法玻璃。

        结果表明:随着基底温度的升高,表面电阻迅速降低,可见光透过率和红外反射率都有明显提高,但存在一个295 ℃的最佳点。高于此点后,表面电阻略有升高,可见光透过率和红外反射率略有下降。

        由于高的基底温度改善了膜的结晶,减少了晶界,使膜的迁移率和Sn4 + 载流子密度有所提高,从而降低了表面电阻,同时载流子密度的提高减少了黑色InO 的生成,提高了可见光透过率。

        红外光的能量较小,不易产生内光电效应,但通过禁带宽度的速度也低于可见光,载流子密度的增加会使其反射变得更加显著。

        我们采用的是普通玻璃基底,没有SiO2 阻挡层,当温度高于最佳点后,玻璃中的钠离子会扩散到ITO 膜中,形成杂散离子和色心,从而影响薄膜的光电性能。不同的设备和工艺参数组合有不同的最佳温度点。

        1.2、溅射电压的实验结果与分析

        在常规的直流磁控溅射中,溅射电压一般加到- 400V~ - 500V 左右。这时由于等离子体中负离子(主要是氧离子) 入射到玻璃基底表面上的能量可达到400eV~500eV ,这将使ITO 膜受负离子轰击而产生损伤。损伤过程为

        In2O3 →InO + O

        所生成的InO 是一种黑色的具有绝缘性质的低价氧化物,它导致ITO 膜载流子密度的减少,增大电阻率。低压溅射可以减轻这种损伤,增加载流子密度,减少InO 的生成,降低电阻率。

        根据Drude 理论,反射的极限波长可用下式来估算:

        λ= C( mπ/ Ne2) 1/ 2

        其中C 是光速, e 是电子电荷, m 是电子有效质量,N 是载流子密度。

        显然,λ与N 成反比,不难理解低压溅射可使红外反射范围明显向短波方向扩展。至于可见光透过范围也呈向短波方向扩展的现象,可能是由于低压溅射增加了载流子密度,减少了黑色InO 的生成,据Brustein-Moss 的能带理论 ,短波侧的透过率有所提高所致。

        1.3、氧含量的实验结果与分析

        由于ITO 薄膜的导电属于n 型半导体性质,即其导电机制为还原态In2O3 放出两个电子,成为氧空穴载流子和In3 + ,被固溶的四价掺锡置换后放出一个电子成为电子载流子。显然,不论哪一种导电机制,载流子密度均与溅射成膜时的氧含量有很大关系。

        随着氧含量的增加,当膜的组分接近化学配比时,迁移率有所增加,但却使载流子密度有所减少。这两种效应的综合结果是膜的光电性能随氧含量的变化呈极值现象。

        对应极值的氧含量直接决定着“工艺窗口”的宽窄,它与成膜时的基底温度、氩气流量及膜的沉积速率等参数有关。为便于精确控制氧含量,我们采用混合比为85∶15 的氩氧混合气代替纯氧,气体喷孔的设计保证了基底各处氧分子流场的均匀性。

        1. 4 、ITO 薄膜的最佳直流磁控溅射工艺

        基于上述三个关键工艺参数的优化结果,直流磁控溅射镀制ITO 薄膜时,我们选定的最佳工艺参数如下:溅射电压为250V ,基底加热温度为295 ℃,氧分压占镀膜室总压力的8 %。

        在尺寸为1000mm×500mm ×5mm 的普通浮法玻璃基底上,制备出了光电性能最佳的ITO 薄膜,如图7 所示,其可见光透过率全部超过了80 % , 在463.75nm 处达到87.94 % ,其表面电阻为18Ω。

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