直流磁控溅射ITO薄膜特性研究

直流磁控溅射ITO薄膜特性研究张继凯*，张思凯，黄常刚，吴洪江，袁剑峰（1.北京京东方显示技术有限公司，北京，100176，E-mail：[e-mail]）摘要：ITO薄膜由于具有良好的光电特性而广泛应用于液晶显示器中，尤其在扭曲向列（TN）型显示模式中更为重要。本文利用直流磁控溅射技术在不同成膜温度，氧氩比和热处理条件下进行了ITO膜的沉积，并使用多功能检查仪和薄膜应力计分别对ITO的面电阻，透过率以及表面应力进行了测量。通过比较实验结果，得到ITO薄膜沉积的最优工艺条件：工作气压为0.5Pa，沉积温度为120℃/120℃，氧氩比为0.55%，Oven温度为230℃，时间为20Min。关键词：液晶显示器；直流磁控溅射；氧化铟锡薄膜；方块电阻；透过率；薄膜应力中图分类号：TN141.9StudyonPropertiesofITOFilmsDepositedbyDCMagnetronSputteringZhangJi-kai,ZhangSi-kai,HuangChang-gang,WuHong-jiang,YuanJian-feng(1．BeijingBOEDisplayTechnologyCo.Ltd,Beijing,100176,China,E-mail:[e-mail])AbstractITOthinfilmsarewidelyusedastransparentelectrodesinalargevarietyofLCD，especiallyinTNmode,foritsexcellentopticalandelectricalproperties.Inthispaper,ITOfilmsweredepositedbyDCmagnetronsputteringatdifferenttemperature,O2/Arratioandannealingconditions,Sheetresistance,transmittanceandstressweremeasuredwithmultiplefunctioninstrumentandthinfilmstressmeter,respectivelyTheexperimentalresultsshowthat,workingpressure,theoptimaldepositedtemperature,O2/Arratio,annealingtemperatureanddurationare0.5Pa,120℃/120℃,0.55%,230℃and20Min。Keywords:LCD(LiquidCrystalDisplay);DCMagnetronSputtering;ITO(Indium-Tin-Oxide);SheetResistance;Transmittance;Stress11引言ITO薄膜因其具有高透过率、低电阻、化学性能稳定、耐碱性等特点，而被广泛应用于液晶显示器（LCD）中。但随着液晶显示器的不断发展，其要求产品的品质不断提高，而ITO薄膜应力的存在直接影响薄膜元器件的成品率、稳定性和可靠性。尤其在TN型液晶显示器中影响更为突出[1]，因此ITO薄膜的特性研究将变得更加重要。1作者简介：张继凯（1982），男，山西省长治市人，硕士，工程师，从事TFT-LC液晶行业工艺的开发。通讯联系人，E-mail：[e-mail]目前制备ITO薄膜的方法很多，优选的制备工艺是磁控溅射。其中磁控溅射也有两种方法：铟锡合金靶材反应溅射成膜；直接采用氧化铟锡靶材溅射成膜。然而溅射工艺参数的选取以及沉积薄膜的性能是人们主要关注的课题。2实验2.1制备方案本文使用直流磁控溅射方法，利用直线式连续镀膜机（In-LineSystem）如图1所示，真空腔体内采用反转基板，根据去路和回路的条件需要在接触面分别进行两段加热，如去路E面基板温度为75℃，回路F面基板温度为120℃，即：75/120℃.图1直线式连续镀膜机Fig.1In-LineSystem本实验中，使用氧化铟锡的靶材，纯度为99.99%，本底真空为3.0×10-3Pa，工作气体为99.99%的氩气，反应气体为99.99%的氧气。基片采用Ф150×0.6mm的单抛Si片和2200×2500×0.7mm、10000lux的无碱玻璃。2.2工艺流程和样品条件直流磁控溅射制备ITO薄膜工艺过程如图2所示：图2工艺流程图Fig.2Chartofprocessflow测试样品分为玻璃基板(A)用于测试方块电阻、透过率，和Si基板(B)用于测试薄膜应力，其制作内容如表1所示：UV清洗洗剂清洗、水洗气刀吹干磁控溅射后端水洗气刀吹干Oven退火电阻、透过率、膜应力测试OvenSkip去路E面回路F面表1不同沉积温度、Oven条件、O2/Ar下薄膜制备Table1filmsindifferentdepositiontemperature、OvenconditionandO2/Arrate3工艺参数对ITO薄膜光电特性的影响分析3.1工艺参数对ITO薄膜方块电阻的影响分析在2200×2500×0.7mm、10000lux的无碱玻璃上以不同的工艺参数沉积ITO膜，利用多功能检查仪的分光光度法和四探针法分别测试方块电阻、透过率，其结果如表2、表3：表2薄膜方块电阻测量结果Table2ResultsofSheetresistance样品编号A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15Rs(Ave)/(Ω/□)43.6439.9638.0635.5432.8714.5213.8913.9314.4115.1415.7414.3314.1514.2115.07图3不同O2/Ar气体流量比下方块电阻变化曲线Fig.3CurveofsheetresistancewithdifferentO2/ArflowratiosSi基板样品编号玻璃基板样品编号工作气压/(Pa)时间/(S)沉积温度/(℃)Oven时间/(Min)Oven温度/(℃)O2/Ar/%B1A10.503075/120Skip0.10B2A20.503075/120Skip0.25B3A30.503075/120Skip0.40A40.503075/120Skip0.55B4A50.503075/120Skip0.70B5A60.503075/120402300.10A70.503075/120402300.25B6A80.503075/120402300.40B7A90.503075/120402300.55B8A100.503075/120402300.70B9A110.5030120/120202300.10A120.5030120/120202300.25B10A130.5030120/120202300.40B11A140.5030120/120202300.55A150.5030120/120202300.70从图3中可以看出：薄膜方块电阻(Rs)随氧气含量的增加而减少，这是因为ITO膜中的金属离子随氧气的增加反应进行的相对完全，薄膜中的载流子浓度升高，方块电阻下降。热处理(Oven)对ITO薄膜的方块电阻值影响很大，Oven后薄膜的方块电阻降低明显；这是因为经过Oven之后，薄膜的结晶度提高，结晶缺陷减少，膜的电导率上升，方块电阻下降[2-3]。Oven情况下无论成膜温度为75℃/120℃或120℃/120℃,Oven时间为40min或20min，Rs均相差很小，并且在随着氧气流量的继续增加Rs缓慢升高，根据S.Chaudhuri等人[4]发现ITO薄膜微观结构时得出：ITO膜中晶粒的显著生长发生在热处理初期很短的时间内，所以20min和40min的观察不明显，热处理时间不需要时间过长。但随着氧含量的逐步上升，氧缺位减少，造成载流子浓度下降，所以薄膜的方块电阻在达到最低点后，又开始逐步上升。3.2工艺参数对ITO薄膜透过率的影响分析表3薄膜透过率测量结果Table3Resultsoftransmittance样品编号A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15Tr(550nm)Ave/%86.8288.2488.7589.8191.6295.0095.6096.2296.5997.3894.0994.8695.5596.1296.59图4不同O2/Ar气体流量比下透过率变化曲线Fig.4CurveoftransmittancewithdifferentO2/Arflowratios从图4中可以看出：不Oven情况下透过率(Tr)偏低；Tr在一定范围内随O2/Ar的增加而增大.，说明膜中氧含量增加，膜的氧化更加充分，吸收逐渐减少；而Oven20min或40min变化不大，说明薄膜中已经含有较多的氧，透过率已经很高[5].增加一定的氧含量，可以提高ITO膜的结晶度，减少ITO膜的晶格缺陷，降低光的吸收和散射，从而提高了ITO膜的透过率。4ITO薄膜应力分析薄膜应力是一种宏观现象，然而它却反映出沉积薄膜的内部状态，是决定薄膜完整性的重要因素。薄膜应力严重时会直接导致薄膜色裂、脱落、使薄膜损伤，甚至使整个元件失去功能，直接影响液晶显示器的成品率、稳定性和可靠性。内应力原因复杂，但与成膜的工艺参数密切相关[6-7]。因此为了减少薄膜应力，提高品质，寻找最佳工艺参数，特制作不同工艺条件下将Ф150×0.6mm的单抛Si片贴附在Glass表面沉积ITO膜，并采用薄膜应力计进行应力测试，分析。达到工艺改善来控制薄膜应力。表4薄膜应力测量结果Table4Resultsofstress样品编号B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11Stress/(Mpa)-229.42-241.54-244.88-260.50239.91203.96199.26194.14183.09178.71178.25图5不同O2/Ar气体流量比下薄膜应力变化曲线Fig.5CurveofStresswithdifferentO2/Arflowratios从图5中可以看出：不Oven时ITO膜应力为压应力,Oven后为拉应力。说明退火对薄膜的释放起到一定的作用。经过Oven退火后，薄膜中的很多空位和空隙等缺陷逐渐扩散，同时在薄膜内发生收缩现象，从而形成拉应力[7-8]。不Oven情况下，应力值随O2/Ar增加而增加。这是因为在一定范围内，随着O2流量的增加薄膜的厚度增加，在一定范围内薄膜的塑性变形量增加，压应力增加，均值较大；当继续积累到一定值，严重时薄膜会发生开裂甚至脱落。经过Oven的情况应力值随O2/Ar的增加而减小。这是因为随着氧气流量的增加，薄膜的气孔率增加，薄膜内吸附了更多的气体，Oven后薄膜变得疏松，并且可能导致气孔尺寸增加，表面原子之间作用力减弱，导致薄膜应力减小。衬底温度是对薄膜应力影响最大的因素之一。发现高温衬底温度更有利于薄膜应力的释放，因为随着温度的进一步升高，晶粒状态发生变化，逐渐由非晶态向晶态发展，可能结晶使一些原子按其固有结构有序排列，造成其应力降低[9]。5结论对不同沉积条件下制备ITO薄膜的光电特性，应力进行了研究，得出以下结论：在本实验条件下，ITO薄膜的光电特性随着衬底温度的增加，氧气流量的增大，并且经过Oven热处理后，薄膜的方块电阻低，透过率高；而ITO薄膜的应力经过退火处理后，由压应力变为拉应力，随衬底温度的升高，薄膜应力减小，热处理后，氧气流量对薄膜应力的变化影响不大。所以以现有的条件，沉积高透过率，低电阻，应力小薄膜的最佳工艺条件：工作气压0.5Pa，沉积时间30S，衬底温度120℃/120℃，Oven为230℃、20Min，O2/Ar为0.55%。参考文献[1]田民波，叶锋。TFT液晶显示原理与技术[M].北京：科学出版社，2010：95-96，153-156.[2]茅昕辉，陈国平，陈公乃等。直流磁控反应溅射沉积ITO透明导