梅明亮，王翠鳳，張鵑如

(1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福州 350003； 2.高雄應(yīng)用科技大學(xué)模具工程系，臺(tái)灣 高雄 80778)

基于田口法的在玻璃基板上濺射ITO薄膜制作工藝研究

梅明亮1，王翠鳳1，張鵑如2

(1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福州 350003； 2.高雄應(yīng)用科技大學(xué)模具工程系，臺(tái)灣 高雄 80778)

利用射頻磁控濺射方式將氧化銦錫(ITO)沉積在玻璃基板上，設(shè)定溫度、壓力、濺射功率為主要參數(shù)，每個(gè)參數(shù)均有3個(gè)水平，運(yùn)用田口實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)L9直交表，質(zhì)量目標(biāo)設(shè)定為方阻，以變異數(shù)分析得到的結(jié)果作為最優(yōu)工藝參數(shù)條件，并測(cè)量膜厚、透光率。以X光衍射儀分析結(jié)晶狀況、SEM觀察結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)型態(tài)來(lái)了解其性質(zhì)。結(jié)果顯示功率對(duì)方阻的影響最大，貢獻(xiàn)度占91%，而功率大，薄膜厚度越厚，晶粒粒徑較大，結(jié)晶性較強(qiáng)，方阻減小及透過(guò)率降低。由于結(jié)晶性好也提高透光率，膜厚100～300 nm時(shí)，透光率80%以上。最優(yōu)工藝參數(shù)為溫度230 ℃、功率300 W及壓力在1.5 mTorr下有方阻最小。

氧化銦錫(ITO)；田口法；濺射

0 前言

ITO(Indium Tin Oxide)具有立方體鐵錳礦結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為3.5 eV[1]，因其具有易于光蝕刻加工、可見(jiàn)光區(qū)高的透光率及低的電阻率等優(yōu)點(diǎn)，其在日常的電子產(chǎn)品中被廣泛運(yùn)用。例如：液晶顯示器導(dǎo)電薄膜、太陽(yáng)能薄膜電池、有機(jī)發(fā)光二極管及抗靜電涂層等，還有其他應(yīng)用在不斷被開(kāi)發(fā)。制備ITO薄膜的主要方法有磁控濺射[2-4]，離子輔助反應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)[5-6]、電子束蒸發(fā)[7]等。其中磁控濺射法是目前使用的最為廣泛的方法之一。中外學(xué)者對(duì)磁控濺射ITO薄膜性能研究較多[8-9]，對(duì)薄膜制作工藝參數(shù)研究較少[10]，然而ITO薄膜的性能受濺射工藝影響較大，本文采用田口法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找出在玻璃基板上射頻磁控濺射ITO薄膜的最佳工藝參數(shù)值，以期能夠降低生產(chǎn)成本、制造出高質(zhì)量的透明導(dǎo)電薄膜，為企業(yè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)采用射頻磁控濺射法，選擇90 wt.% In2O3和10 wt.% SnO2的靶材，厚度0.5 mm、透光率89%的玻璃基板為基材。以溫度、壓力及功率作為控制因子，用田口實(shí)驗(yàn)計(jì)劃法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示?？刂埔蜃釉O(shè)定3個(gè)水，平分別以不加溫、加溫至150 ℃、加溫至230 ℃的溫度，1.5 mTorr、4 mTorr、6.5 mTorr的壓力及100 W、200 W、300 W的功率，按照田口L9直交表配置，見(jiàn)表1。以四點(diǎn)探針儀測(cè)量出方阻，目標(biāo)設(shè)定為望小特性，利用田口分析求得最佳參數(shù)組合。后以膜厚測(cè)量?jī)x、分光光度計(jì)、SEM及X光衍射儀(XRD)作為膜厚、透光性的測(cè)量及薄膜結(jié)構(gòu)分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)與分析流程圖

本實(shí)驗(yàn)采用三菱化學(xué)株式會(huì)社MCP-T 600的四點(diǎn)探針測(cè)量薄膜的方阻，以Kosaka ET4000的厚度測(cè)量?jī)x測(cè)量膜厚，透光率的測(cè)量使用日立U-3010型號(hào)的分光光度計(jì)，可測(cè)量波長(zhǎng)范圍為350～850 nm，而實(shí)際定義透光率的波長(zhǎng)為550 nm，以場(chǎng)發(fā)射型掃描式電子顯微鏡(JEOL-6330)及Bruker D8XRD來(lái)分析薄膜結(jié)構(gòu)。

表1 田口L9直交表配置

2 結(jié)果與討論

2.1 田口實(shí)驗(yàn)方阻分析

對(duì)9組實(shí)驗(yàn)得到的試樣用四點(diǎn)探針?lè)ㄗ龇阶铚y(cè)試，方阻指標(biāo)越小越好，所以選用望小特性的S/N比公式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

圖2為方阻S/N比的因子反應(yīng)圖，因子A在不加溫與150 ℃時(shí)S/N比差異不大，到230 ℃ S/N比有顯著提升；因子B在壓力1.5 mTorr及4 mTorr時(shí)S/N比差異不大，可進(jìn)一步在兩者之間找出更適合的壓力，在壓力6 mTorr時(shí)S/N比最差；因子C功率越大方阻越小，得到的最佳參數(shù)組合為A3B1C3(恰為第7組實(shí)驗(yàn)組合)，即高溫、低壓和高功率，是因?yàn)樵釉诖藚?shù)下有較大的能量形成晶粒大且致密的薄膜，使方阻變小，而其中功率對(duì)方阻的影響最大，其S/N比差異達(dá)18 dB。

圖2 方阻S/N比的因子反應(yīng)圖

表2為方阻S/N比的變異數(shù)分析表，e為考慮因子誤差給出的誤差項(xiàng)，可以看出每個(gè)因子對(duì)方阻都有影響，C因子貢獻(xiàn)度高達(dá)91.19%，可見(jiàn)C因子(功率)對(duì)方阻影響最大。

表2 方阻S/N比變異數(shù)分析表

表3為方阻與膜厚的關(guān)系，膜越厚方阻越小，因?yàn)楣β实停拥哪芰可?，擴(kuò)散能不夠，成核快，形成的薄膜晶粒較小，從而使方阻變大。而功率高，沉積速度快，可以得到較厚的薄膜，厚度對(duì)方阻的影響成反比，所以功率越高方阻越小。

表3 方阻與膜厚值

2.2 透光率分析

導(dǎo)電膜透明的特性表現(xiàn)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(波長(zhǎng)380～760 nm)，具有80%以上的光穿透率，而透光率與膜厚的關(guān)系成反比(T=exp(-αd)；T、α、d分別為透光率、吸收系數(shù)、膜厚)，薄膜的吸收與反射會(huì)隨厚度增加而上升，膜厚越厚時(shí)，薄膜整體的透光率下降，所以厚膜雖然可以得到較低的阻值，但也會(huì)降低透光率。除此之外，薄膜的成膜質(zhì)量及結(jié)晶狀況也會(huì)對(duì)透光率有所影響。

圖3為膜厚、方阻與透光率的關(guān)系圖，膜越厚方阻越小。膜厚與透光率的關(guān)系：膜厚在100 nm以下，透光率約85%～87%，膜厚在100～300 nm之間，透光率約81%～85%，顯示出隨著膜厚的增大，透光率有少許下降的趨勢(shì)，但膜厚在100～300 nm時(shí)透光率并無(wú)明顯落差，并且尚能達(dá)到80%以上。

2.3 SEM分析

如圖4薄膜SEM圖所示，可明顯發(fā)現(xiàn)晶粒粒徑大小隨著功率上升而增加，相對(duì)比溫度及壓力對(duì)于薄膜表面結(jié)構(gòu)的影響的并不明顯。由SEM圖計(jì)算出平均晶粒粒徑，依序從Exp.1～Exp.9分別是8.2 nm、11 nm、20.4 nm、9.6 nm、14.2 nm、7.4 nm、18.5 nm、9.4 nm及13.2 nm，整體看起來(lái)，功率100 W時(shí)晶粒粒徑約7～9 nm，功率200 W時(shí)晶粒粒徑約9～13 nm，功率300 W時(shí)晶粒粒徑約14～20 nm，而晶粒粒徑大方阻比較小。

圖3 膜厚、方阻與透光率的關(guān)系圖

2.4 XRD分析

將9組試片做XRD分析如圖5所示,觀察其結(jié)晶情況，對(duì)照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JCPDS Card判斷薄膜特性的衍射峰值，分別為30.5度(222)、35度(400)、50.5度(440)及60度(622)的In2O3的特性衍射峰，其中以(222)面的衍射峰最為明顯，而其強(qiáng)度也隨著功率增加而增強(qiáng)，顯示其結(jié)晶性較好。根據(jù)Scherrer公式

D=0.9λ/βcosθ，

式中：λ為X射線衍射波長(zhǎng)(0.154 06 nm)；β為衍射峰半高寬，θ為布拉格衍射角。

計(jì)算出平均晶粒粒徑大小見(jiàn)表4，Exp.3有最大平均粒徑約18 nm，其余約在9～13 nm之間，與SEM所觀察到的晶粒粒徑結(jié)果非常相近，在高功率下有較好的結(jié)晶性。

圖4 SEM圖

圖5 XRD圖

Exp.Kλ/nmβθcosθD/nmXRDD/nmSEM10.1390.01730.50.8629.2208.220.1390.01630.20.86410.21011.030.1390.00930.30.86318.40020.440.1390.01730.40.8639.2109.650.1390.01230.30.86313.14014.260.1390.01630.30.86310.2207.470.1390.01430.30.86311.50218.580.1390.01730.30.8639.2019.490.1390.01430.20.86411.49013.2

由于功率高，原子能量較高，有足夠的擴(kuò)散能，使得結(jié)晶性更好，晶粒粒徑大，也因此使得透光率在較厚的膜厚下還能達(dá)到80%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

1)將目標(biāo)設(shè)定為方阻望小特性，根據(jù)變異性分析結(jié)果顯示，ITO薄膜濺射最佳工藝參數(shù)組合是溫度230 ℃，壓力1.5 mTorr，功率300 W。

2)溫度對(duì)方阻的影響，溫度越高方阻越小，溫度在230 ℃比150 ℃及未加溫，雖然方阻值變化幅度不大，但仍然具有一定的影響。

3)壓力低，濺射時(shí)氬氣量減少，薄膜的載流子濃度和遷移率較高，表現(xiàn)出方阻減小。壓力大至6.5 mTorr后，方阻增大，而1.5 mTorr及4 mTorr無(wú)明顯差異，可在兩者之間再找出最佳壓力值。

4)功率對(duì)方阻影響最大，功率高，濺射速度快，膜厚較厚，而厚度與方阻成反比，所以功率越大方阻越小，但大到超過(guò)一定值后可能會(huì)變差。

5)膜越厚透光率較差，但結(jié)晶度高也能提升透光率，當(dāng)膜厚100～300 nm時(shí)，由于功率大結(jié)晶程度也較好，所以透光率仍有80%以上。

6)以SEM及XRD分析結(jié)果顯示，薄膜的晶粒粒徑及結(jié)晶強(qiáng)度，也與功率及厚度相關(guān)，在300 W的功率下粒徑較大。

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The Study on the Process of ITO Film Sputtered on Glass Based on Taguchi Method

MEI Ming-liang，et al.

(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering，F(xiàn)ujianPolytechnicofInformationTechnology，F(xiàn)uzhou350003，China)

This study is to sputter the indium tin oxide (ITO) film on glass by RF magnetron sputtering system with the design of temperature，working pressure and input energy as the main parameters，in which each parameter with three levels.The L9orthogonal array is designed by using Taguchi experiment method.The quality target is set to sheet resistance.The results obtained from the analysis of the number of variants have been taken as the optimum conditions of the process parameters，and the film thickness and light transmittance are measured.Characterization feature of sheet resistance of coatings was explored through.Scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD) are applied for observing grains and crystal structures to understand the property.The results indicate that the input energy appears the highest effect on sheet resistance，with the contribution accounted for 91%.While the thicker film is from the bigger power，with the result of the bigger the grain size，the stronger the crystallization，the smaller the sheet resistance and the lower the transparency.The transmittance is also improved due to good crystallization.The transparency is over 80% with the thickness of film from 100nm to 300 nm.The optimal process parameters to get the lowest sheet resistance are 230 ℃ temperature，300 W input energy，and working pressure below 1.5 mtorr.

ITO；taguchi method；sputtering

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.007

2016-11-21

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15682)

梅明亮(1981-)，男(漢)，江蘇鹽城，碩士，實(shí)驗(yàn)師 主要研究模具材料及機(jī)電控制等。

TB43

A

1009-8984(2016)04-0025-04