柔性聚酰亚胺PI衬底上ITO薄膜的生长及其透明导电性能影精.docx
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柔性聚酰亚胺PI衬底上ITO薄膜的生长及其透明导电性能影精
柔性聚酰亚胺（PI衬底上ITO薄膜的生长及其
透明导电性能影响机制研究*
赵佳明1,边继明1,孙景昌2,张 东1,梁红伟1,骆英民1
（1.大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116024;
2.辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁大连116029
摘 要:
采用直流磁控溅射法在聚酰亚胺（PI柔性
衬底上生长氧化铟锡（ITO薄膜,采用XP-2探针台阶
仪、X射线衍射（XRD、霍尔测试仪、紫外-可见分光光
度计等对ITO薄膜进行结构和光电性能表征。
结果
表明溅射功率和沉积气压是影响磁控溅射法生长ITO
薄膜透明导电性能的主要因素,实验系统研究了溅射
功率和沉积气压对ITO薄膜透明导电性能的影响机
制。
在优化的工艺条件下（溅射功率100W和沉积气
压0.4Pa,制备了在可见光区平均透射率达86%、电
阻率为3.1×10-4Ω·cm的光电性能优良的ITO透
明导电薄膜。
关键词:
磁控溅射;聚酰亚胺（PI;柔性衬底;ITO透
明导电膜
中图分类号:
O484;TB43文献标识码:
A
文章编号:
1001-9731（2011增刊Ⅳ-644-04
1 引 言
氧化铟锡（Indium tin oxide,简称ITO是一种铟
氧化物（In
2O3和锡氧化物（SnO
2
的混合物,因其具
有高可见光透射率（80%和高红外反射率,低电阻率（可低达10-4Ω·cm,耐磨损以及良好的机械强度和化学稳定性,因此在液晶显示器、太阳能电池、防微波辐射等领域有着广泛的实际应用[1,2]。
目前,已成为最具代表性的透明导电氧化物薄膜材料。
通常ITO透明导电薄膜大都采用磁控溅射法生长在蓝宝石、玻璃等硬质材料衬底上,薄膜具有很低的电阻率（<10-3Ω·cm,并且在可见光范围内透射率高达80%以上,该生长工艺已经非常成熟[3]。
采用磁控溅射法制备ITO透明导电膜具有膜层厚度均匀、易控制、膜重复性好等特点。
近年来,随着半导体器件的小型化和轻量化的发展,柔性衬底透明导电膜因其具有可折叠、质量轻、不易碎、易于大面积生产和便于运输等众多优点而成为光电学领域新的研究热点[4]。
但是,与在玻璃等硬质衬底上生长ITO薄膜相比,在轻质柔性衬底上生长ITO薄膜对工艺条件的要求要苛刻很多,还存在很大的技术瓶颈。
这主要是由于柔性衬底的耐热性能很差,一般要求生长温度要尽量的低。
然而在低生长温度下,又很难解决生长温度和导电性以及光学透过特
性的制约关系。
虽然一些研究者已经开始了在柔性衬底上生长ITO薄膜的尝试,但薄膜的综合光电性能仍不理想[5]。
另外,由于ITO薄膜复杂的原胞结构（每个原胞含80个原子和复杂的掺杂机制（氧缺位和Sn4+对In3+的替换[6],导致了对薄膜基本性质（导电机制、能带结构等的认识还存在很大差异。
在柔性衬底的选择上,聚甲基丙烯酸甲酯（PM-MA、聚苯乙烯（PS和聚碳酸酯（PC都可被用作光学器件的柔性衬底,但由于其耐温性往往不够,限制了其在微电子以及光电子等高技术领域的应用。
相对于这些聚合物材料,聚酰亚胺（polyimide,PI是一种极好的耐高温材料,它具备优良的力学、介电、耐辐射和耐溶剂等性能[7,8],因此成为目前柔性衬底材料的首选。
开展聚酰亚胺（PI衬底上ITO薄膜的生长及其透明导电性能影响机制研究,对于充分合理利用我国铟资源,抢占国际市场,为经济发展和社会建设服务具有重要意义。
本文采用直流磁控溅射法在聚酰亚胺（PI柔性衬底上生长氧化铟锡（ITO薄膜,通过多组实验数据的对比分析,摸索了磁控溅射制备PI衬底上ITO透明导电膜的最佳生长条件,着重研究了溅射功率和沉积气压对PI衬底上ITO薄膜的光电性能影响机制。
2 实 验
2.1 ITO薄膜的制备
实验采用沈阳聚智科技有限公司研制的JZCK-450D型高真空多功能磁控溅射镀膜装置,通过直流磁控溅射方法,在聚酰亚胺（PI衬底上制备ITO薄膜。
实验采用ITO陶瓷靶材（In
2O3∶SnO2
的质量比9∶1,纯度99.99%,靶面直径为5cm、靶厚为6mm。
镀膜前,PI基片用去污粉擦洗,乙醇、去离子水依次超声清洗10min,之后放在烘箱中烘干。
当溅射真空室的真空度达到1×10-5 Pa后,通入高纯的氩气（纯度为99.999%为溅射气体,通过质量流量计调节氩气,实验中控制沉积气压为0.4~1.6Pa。
衬底温度为室温,溅射功率为70~160W,薄膜生长时间为60min。
每次溅射之前都预先在氩气中预溅射5min左右,除去靶表面氧化物。
44
62011年增刊Ⅳ（42卷
*基金项目:
国家自然科学基金重点资助项目（10804014;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（DUT10LK01收到初稿日期:
2010-12-10收到修改稿日期:
2011-05-02通讯作者:
边继明
作者简介:
赵佳明 （1984-,男,黑龙江绥化人,在读硕士,师承边继明副教授,从事光电材料与器件研究。
2.2 ITO薄膜的表征
采用美国Ambios Technology Inc公司的XP-2探
针台阶仪测试ITO薄膜的厚度;晶体结构由SHIMAD-
ZU XRD-7000型X射线衍射仪（XRD测试,使用Cu Kα
辐射作为X射线源（λ=0.15406nm;ITO薄膜的电学特
性由英国Accent公司霍尔测试仪（HALL5500SYS-
TEM测试;可见光透射光谱采用SHIMADZU UV-2450
型紫外-可见光分光光度计测试。
3 结果与讨论
采用直流磁控溅射设备能够很好地解决柔性PI衬
底对沉积速度、衬底温度等工艺条件的苛刻要求。
实验
中采用的柔性PI衬底可见光透射率可达到95%以上,
对生长薄膜的可见光透射率影响很小。
由于溅射功率
和沉积气压对柔性PI衬底上生长ITO薄膜的光电性能
的重要影响,对这两个变量作了重点研究。
3.1 溅射功率对ITO薄膜的光电性能影响机制分析
首先对溅射功率的影响进行了分析。
图1为保持
沉积气压（0.4Pa不变时,ITO薄膜的电阻率和方块电
阻随溅射功率的变化情况。
由图1可知,随着溅射功
率的逐渐增大,ITO薄膜的电阻率稍有减少而后大幅
增加,方块电阻也是先减小而后增加,存在一个最佳点
（100W、0.4Pa,此时电阻率约为3.1×10-4Ω·cm。
沉积气压时,薄膜的电阻率和方
沉积气压0.4Pa时,ITO薄膜的可见光透射
的影响时,发现沉积气压低于0.4Pa时,靶材起辉效果很差以致薄膜难以生长。
因此从0.4Pa开始,逐渐增加沉积气压,以探寻其对ITO薄膜光电性能的影响。
首先,分析了沉积气压对薄膜电学性能的影响。
图3为溅射功率100W时,ITO薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度随沉积气压的变化情况。
由图3可知,随着沉积气压的增加,ITO薄膜的电阻率逐渐增加,迁移率稍有增加而后逐渐减小,载流子浓度逐渐降低。
在0.4Pa时,薄膜的电学性能最佳,附着性也很好。
当沉积气压超过0.8Pa时,电阻率迅速增加,薄膜的导电性较差。
分析这是由于沉积气压较大时,由Ar+溅射出的靶原子飞向基底时遭到氩气分子和等离子体散射的几率变大,降低了Sn4+与In3+置换的反应活性。
此外,由于Sn在ITO中存在SnO形式,100%氩气氛围中部分SnO未被完全氧化为SnO
2
导致薄膜中Sn4+浓度降低,同时大量的位错和缺陷对载流子的散射和陷阱捕获作用增强,使载流子浓度降低,这也是导致薄膜电学性能较差的一个重要原因。
3溅射功率100W时,PI柔性衬底上ITO薄膜
τ=
N1z2e4
8π（ε0εrm*2v3
ln 1+
4π2（ε0εrm*2v4
z2e4 N2/3
[]
1
（2
其中,珋τ为载流子平均自由时间,N1为电离杂质的密度,ze为每个离子所带电荷,v为载流子热运动的平
均速度,m*为电子的有效质量,ε
0为真空介电常数,ε
r
为相对介电常数。
由于（2式中对数函数与其前面的因子相比变化比较慢,可近似为常数,从而（2式可近似为:
1珋τ∞
N1
m*2v3
（3
分析可知,载流子的散射几率与杂质密度成正比,
与载流子热运动速度成反比。
在0.8Pa时具有稍大的
迁移率,分析可能是因为此时电离杂质浓度较小,散射
几率变小,迁移率稍有增加。
之后随沉积气压的增加
迁移率减小可能是因为电离杂质的浓度增加,在导带
底形成了较多的散射中心所致。
接下来研究了沉积气压的变化对ITO薄膜透射
率的影响。
图4为溅射功率100W时,聚酰亚胺（PI
衬底上ITO薄膜的可见光透射率随沉积气压的变化
情况。
由图4可知沉积气压对ITO薄膜的可见光透
射率影响较大,随着沉积气压的增加,可见光透射率逐
渐降低。
在400~800nm可见光波段内,0.4Pa时薄膜
平均透射率为86%,而1.6Pa时薄膜平均透射率为
76%。
在低于450nm的紫光区域,ITO薄膜的透射率
急剧降低,说明ITO薄膜对紫光具有较强的吸收作
用;在500nm附近区域,ITO薄膜透射率很高,说明
ITO薄膜对绿光的透射效果较为明显。
溅射功率100W时,PI柔性衬底上ITO薄膜
*
3N
（π2/3（4
其中,N是导带中载流子的浓度,m*是电子的有
效质量,h是普朗克常数。
结合图4可知,随着沉积气
压的降低紫外吸收波长往短波方向移动,载流子的浓
度在逐渐增加。
此外,ITO薄膜的导带电子主要来源
于氧空位和锡替代原子,而锡原子的引入加宽了带隙,
使薄膜的吸收边向紫外方向偏移。
根据透射谱,可推算出此时的禁带宽度约为3.3
eV,与玻璃衬底上制备的ITO薄膜相比（一般为3.5
~4.3eV[13]要小,禁带宽度稍小,出现吸收边红移现
象,分析有两种可能:
一是在（400方向生长薄膜的带
隙较窄引发;二是PI基底对紫外光吸收所致。
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3.3 优化生长条件下ITO薄膜的晶体结构
为探求优化生长条件下ITO薄膜的晶体结构,对溅射功率为100W、沉积气压为0.4Pa时生长的样品做了XRD测试。
图5为优化生长条件（100W、0.4Pa时ITO薄膜的XRD图谱。
由图5可以看出薄膜沿（222择优取向生长,所制备的ITO薄膜为单一立方In2O3晶体结构,即立方铁锰矿多晶结构。
根据XRD图谱分析,薄膜在（222方向比（400方向的光学带隙宽。
这与P.Thilakan等认为的ITO薄膜的择优取向和淀积条件（如衬底温度和淀积速率有关,一般能量较高的淀积手段易形成（222方向择优取向的ITO薄膜,择优取向为（222方向的薄膜比（400方向的薄膜有更宽的光学带隙,与可见光短波段有更高的透射率[14]相一致。
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