通过直流低功率溅射技术制备高透明度、低电阻的氧化铟锡薄膜

《Thin Solid Films》：Preparation of highly transparent and low resistive indium tin oxide thin film by direct current low-power sputtering

本文通过直流磁控溅射制备ITO薄膜，研究溅射功率（15-100W）对结构和性能的影响。高功率导致透光率下降和靶材损伤，氩气退火有效改善结晶性和载流子浓度，60W时获得最佳平衡性能，透光率>85%，电导率提升。

　　

Xueqi Chen | Manyao Wang | Zongyu Huang | Xiang Qi

湖南微纳能源材料与器件重点实验室，湘潭大学物理与光电学院，中国湖南省411105

摘要

采用15-100瓦直流（DC）磁控溅射技术制备了氧化铟锡（ITO）薄膜，并在高温下进行了退火处理。系统研究了溅射功率对薄膜结构、光学和电学性能的影响。由于缺陷介导的光散射，可见光范围（400-800纳米）内的光透射率从89%（15瓦）降低到24%（100瓦），但在退火后恢复到85%以上。电学测量表明，在氩气氛围中退火通过促进氧脱附增加了载流子浓度，显著降低了电阻率，从而获得了优于在空气或真空中退火的样品的性能。最佳溅射功率为60瓦时，薄膜表现出优异的性能：高优值（649×10^-4 Ω^-1）、低电阻率（7×10^-5 Ωcm）、低方阻（6±0.23 Ω/sq）和高透射率（91%）。本研究提出了一种优化工艺路线，用于制备高性能ITO薄膜。通过解决靶材耗尽问题并克服传统高功率限制，该工艺的适用性得到了扩展，对工业应用具有重大价值。

引言

氧化铟锡（ITO）薄膜具有高光学透明度、低电阻率和优异的化学稳定性，广泛用作光伏应用（如太阳能电池[1]、液晶显示器（LCDs）[2]、等离子显示面板（PDPs）[3]以及汽车领域的透明导体。

为了制备高质量的ITO薄膜，采用了多种方法，主要分为物理方法和化学方法两类，例如溶胶-凝胶[4]、化学浴沉积[5]、脉冲激光沉积[6]、电子束蒸发[7]和磁控溅射。磁控溅射又细分为直流（DC）磁控溅射[8]和射频（RF）磁控溅射[9]。与其他制备方法相比，磁控溅射具有较高的薄膜质量、沉积速率、良好的基底兼容性和易于大规模生产等优点。然而，ITO薄膜的光电性能和微观结构特性强烈依赖于沉积条件，如基底温度[10]、溅射功率[11]、溅射压力[12]、沉积时间[13]、氧分压[14]和退火处理[15]，以及不同的溅射方法。在这些沉积参数中，溅射功率是最容易控制的参数之一，它直接影响薄膜的质量：溅射功率的大小影响离子轰击强度、溅射材料的速度和薄膜的结构，最终影响其电学和光学性能。

低功率溅射通常会导致ITO薄膜结晶度不佳和结构缺陷较多，从而显著降低载流子迁移率。因此，为了获得高质量的ITO薄膜，研究和工业生产中通常需要较高的溅射功率，一般在几百瓦甚至几千瓦的范围内。尽管提高溅射功率可以有效降低薄膜的电阻率，但这种方法也有明显局限性：在高功率条件下制备的薄膜光透射率会降低，同时长时间的高功率溅射会导致靶材表面严重损伤，产生蚀刻、裂纹甚至剥落，从而显著缩短靶材的使用寿命。研究发现，结合低功率溅射和后续退火处理可以有效改善薄膜的结晶性能[16]，不仅提高薄膜的光透射率[17]，还能进一步降低电阻率，从而获得性能优异的ITO薄膜。这种优化工艺不仅延长了靶材的使用寿命，还通过低功率溅射模式拓宽了工艺的适用性，对工业应用具有重大意义。

在本研究中，我们采用低功率直流磁控溅射技术结合退火处理，在钠钙玻璃基底上制备了具有高光透射率、低电阻率和优异品质因数的ITO薄膜，退火过程显著提高了薄膜的结晶度。此外，还研究了不同功率水平对ITO薄膜光电特性的影响。

实验部分

ITO薄膜的制备

图1(a)展示了使用PD-300C磁控溅射设备（武汉普迪真空科技有限公司）和纯度为99.99%、组成为90 wt% In2O3和10 wt% SnO2、直径为3英寸、厚度为6毫米的ITO陶瓷靶材进行直流磁控溅射的过程。溅射前腔室的压力被抽至8×10^-4 Pa或更低。实验过程中，氩气（Ar）的流量设定为50 sccm（标准立方厘米/分钟）。

结果与讨论

采用15 W、30 W、45 W、60 W、75 W和100 W的功率通过直流溅射在透明玻璃基底上制备了ITO薄膜。每种功率下的薄膜均使用拉曼光谱仪进行了分析，测试参数（如激光波长）与图1(b)中的保持一致。不同功率下光谱曲线的形状和强度分布表明，溅射功率显著影响了ITO薄膜的内部结构。

结论

本研究表明，低功率直流磁控溅射（60 W）结合氩气氛围退火能够制备出具有优异光电性能的高性能ITO薄膜。氩气氛围退火通过提高薄膜结晶度补偿了直流溅射功率导致的透射率降低，有效恢复了透射率（>85%），并通过氧脱附增强了导电性。60 W的样品达到了最佳的平衡性能。

作者贡献

Xueqi Chen：概念构思、方法设计、数据验证、研究实施、数据整理、初稿撰写；审稿与编辑。 Xiang Qi：概念构思、研究实施、资源协调、监督指导、审稿与编辑。 Manyao Wang：研究实施、数据整理、审稿与编辑。 Zongyu Huang：研究实施、撰写、审稿与编辑。

数据获取

本研究中的数据可向通讯作者索取。

作者贡献声明

Xueqi Chen：初稿撰写、数据验证、方法设计、研究实施、概念构思。 Manyao Wang：审稿与编辑、数据整理。 Zongyu Huang：审稿与编辑、研究实施。 Xiang Qi：审稿与编辑、监督指导、资源协调、研究实施、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：12274359）、湖南省杰出青年科学基金（编号：2023JJ10037）和长江学者与创新研究团队计划（编号：IRT17R91）的支持。