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| ITO濺射鍍膜機(jī)工作原理？ |
| 發(fā)布時(shí)間：2014-07-31 瀏覽： 次 |
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目前認(rèn)為濺射現(xiàn)象是彈性碰撞的直接結(jié)果，濺射完全是動(dòng)能的交換過(guò)程。 當(dāng)正離子轟擊陰極靶，入射離子最初撞擊靶表面上的原子時(shí)，產(chǎn)生彈性碰撞，它直接將其動(dòng)能傳遞給靶表面上的某個(gè)原子或分子，該表面原子獲得動(dòng)能再向靶內(nèi)部原子傳遞，經(jīng)過(guò)一系列的級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程，當(dāng)其中某一個(gè)原子或分子獲得指向靶表面外的動(dòng)量，并且具有了克服表面勢(shì)壘(結(jié)合能)的能量，它就可以脫離附近其它原子或分子的束縛，逸出靶面而成為濺射原子。 由此可見，濺射過(guò)程即為入射離子通過(guò)一系列碰撞進(jìn)行能量交換的過(guò)程，入射離子轉(zhuǎn)移到逸出的濺射原子上的能量大約只有原來(lái)能量的1%，大部分能量則通過(guò)級(jí)聯(lián)碰撞而消耗在靶的表面層中，并轉(zhuǎn)化為晶格的振動(dòng)。濺射原子大多數(shù)來(lái)自靶表面零點(diǎn)幾納米的淺表層，可以認(rèn)為靶材濺射時(shí)原子是從表面開始剝離的。 如果轟擊離子的能量不足，則只能使靶材表面的原子發(fā)生振動(dòng)而不產(chǎn)生濺射。如果轟擊離子能量很高時(shí)，濺射的原子數(shù)與轟擊離子數(shù)之比值將減小，這是因?yàn)檗Z擊離子能量過(guò)高而發(fā)生離子注入現(xiàn)象的緣故。 銦錫氧化物( Indium Tin Oxide ,簡(jiǎn)稱ITO) 薄膜是一種用途廣泛的透明導(dǎo)電材料,已成熟的應(yīng)用于電機(jī)車擋風(fēng)玻璃、液晶顯示器件、太陽(yáng)能電池、全息照相和液晶彩色電視等,蓄勢(shì)待發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橛袡C(jī)發(fā)光二極管顯示器(Organic Light-Emitting Diode ,簡(jiǎn)稱OLED) 。 從應(yīng)用角度出發(fā),通常要求ITO 薄膜的成份是In2O3 和SnO2 ,薄膜中銦錫低價(jià)化合物愈少愈好。 ITO 薄膜的制備方法很多,如噴涂、蒸發(fā)、射頻濺射和磁控濺射等。隨著液晶顯示器技術(shù)向高精細(xì)化和大型化發(fā)展,磁控濺射法備受歡迎。 ITO 薄膜的磁控濺射靶主要分為InSn 合金靶、In2O3-SnO2 陶瓷靶兩類。在用合金靶制備ITO 薄膜時(shí),由于濺射過(guò)程中作為反應(yīng)氣體的氧會(huì)和靶發(fā)生很強(qiáng)的電化學(xué)反應(yīng),靶面覆蓋一層化合物,使濺射蝕損區(qū)域縮得很小(俗稱“靶中毒”) ,以至很難用直流濺射的方法穩(wěn)定地制備出優(yōu)質(zhì)的ITO 膜。 也就是說(shuō),采用合金靶磁控濺射時(shí),工藝參數(shù)的窗口很窄且極不穩(wěn)定。陶瓷靶因能抑制濺射過(guò)程中氧的選擇性濺射,能穩(wěn)定地將金屬銦和錫與氧的反應(yīng)物按所需的化學(xué)配比穩(wěn)定地成膜,故無(wú)中毒現(xiàn)象,工藝窗口寬,穩(wěn)定性好。 但這不等于說(shuō)陶瓷靶解決了所有的問題,其薄膜光電性能仍然受制于基底溫度、濺射電壓、氧含量等主要工藝參數(shù)的影響,不同工藝制備出的ITO 薄膜的光電性能相差甚遠(yuǎn)。因此,開展ITO陶瓷靶磁控濺射工藝參數(shù)的優(yōu)化研究很有意義。 1、關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化 關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化基于實(shí)驗(yàn)探索。實(shí)驗(yàn)是在自制的雙室直流磁控濺射鍍膜設(shè)備上進(jìn)行的。該設(shè)備的鍍膜室采用內(nèi)腔尺寸為6700mm ×800mm ×2060mm的箱式形狀,抽氣系統(tǒng)采用兩套K600 擴(kuò)散泵機(jī)組,靶材采用德國(guó)Leybold 公司生產(chǎn)的陶瓷靶,ITO 薄膜基底是尺寸為1000mm ×500mm ×5mm 的普通浮法玻璃。 結(jié)果表明:隨著基底溫度的升高,表面電阻迅速降低,可見光透過(guò)率和紅外反射率都有明顯提高,但存在一個(gè)295 ℃的最佳點(diǎn)。高于此點(diǎn)后,表面電阻略有升高,可見光透過(guò)率和紅外反射率略有下降。 由于高的基底溫度改善了膜的結(jié)晶,減少了晶界,使膜的遷移率和Sn4 + 載流子密度有所提高,從而降低了表面電阻,同時(shí)載流子密度的提高減少了黑色I(xiàn)nO 的生成,提高了可見光透過(guò)率。 紅外光的能量較小,不易產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng),但通過(guò)禁帶寬度的速度也低于可見光,載流子密度的增加會(huì)使其反射變得更加顯著。 我們采用的是普通玻璃基底,沒有SiO2 阻擋層,當(dāng)溫度高于最佳點(diǎn)后,玻璃中的鈉離子會(huì)擴(kuò)散到ITO 膜中,形成雜散離子和色心,從而影響薄膜的光電性能。不同的設(shè)備和工藝參數(shù)組合有不同的最佳溫度點(diǎn)。 1.2、濺射電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在常規(guī)的直流磁控濺射中,濺射電壓一般加到- 400V～ - 500V 左右。這時(shí)由于等離子體中負(fù)離子(主要是氧離子) 入射到玻璃基底表面上的能量可達(dá)到400eV～500eV ,這將使ITO 膜受負(fù)離子轟擊而產(chǎn)生損傷。損傷過(guò)程為 In2O3 →InO + O 所生成的InO 是一種黑色的具有絕緣性質(zhì)的低價(jià)氧化物,它導(dǎo)致ITO 膜載流子密度的減少,增大電阻率。低壓濺射可以減輕這種損傷,增加載流子密度,減少InO 的生成,降低電阻率。 根據(jù)Drude 理論,反射的極限波長(zhǎng)可用下式來(lái)估算: λ= C( mπ/ Ne2) 1/ 2 其中C 是光速, e 是電子電荷, m 是電子有效質(zhì)量,N 是載流子密度。 顯然,λ與N 成反比,不難理解低壓濺射可使紅外反射范圍明顯向短波方向擴(kuò)展。至于可見光透過(guò)范圍也呈向短波方向擴(kuò)展的現(xiàn)象,可能是由于低壓濺射增加了載流子密度,減少了黑色I(xiàn)nO 的生成,據(jù)Brustein-Moss 的能帶理論 ,短波側(cè)的透過(guò)率有所提高所致。 1.3、氧含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 由于ITO 薄膜的導(dǎo)電屬于n 型半導(dǎo)體性質(zhì),即其導(dǎo)電機(jī)制為還原態(tài)In2O3 放出兩個(gè)電子,成為氧空穴載流子和In3 + ,被固溶的四價(jià)摻錫置換后放出一個(gè)電子成為電子載流子。顯然,不論哪一種導(dǎo)電機(jī)制,載流子密度均與濺射成膜時(shí)的氧含量有很大關(guān)系。 隨著氧含量的增加,當(dāng)膜的組分接近化學(xué)配比時(shí),遷移率有所增加,但卻使載流子密度有所減少。這兩種效應(yīng)的綜合結(jié)果是膜的光電性能隨氧含量的變化呈極值現(xiàn)象。 對(duì)應(yīng)極值的氧含量直接決定著“工藝窗口”的寬窄,它與成膜時(shí)的基底溫度、氬氣流量及膜的沉積速率等參數(shù)有關(guān)。為便于精確控制氧含量,我們采用混合比為85∶15 的氬氧混合氣代替純氧,氣體噴孔的設(shè)計(jì)保證了基底各處氧分子流場(chǎng)的均勻性。 1. 4 、ITO 薄膜的最佳直流磁控濺射工藝 基于上述三個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,直流磁控濺射鍍制ITO 薄膜時(shí),我們選定的最佳工藝參數(shù)如下:濺射電壓為250V ,基底加熱溫度為295 ℃,氧分壓占鍍膜室總壓力的8 %。 在尺寸為1000mm×500mm ×5mm 的普通浮法玻璃基底上,制備出了光電性能最佳的ITO 薄膜,如圖7 所示,其可見光透過(guò)率全部超過(guò)了80 % , 在463.75nm 處達(dá)到87.94 % ,其表面電阻為18Ω。 相關(guān)閱讀 |
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