ITO透明导电薄膜中毒及掺杂改性研究

发布时间：2020-06-18 08:57

【摘要】：氧化铟锡(ITO)薄膜因其良好的导电性和透光性,成为对薄膜性能要求极高的薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)的主要透明导电(Transparent and Conductive Oxide,TCO)材料,也在逐渐向太阳能电池、柔性衬底器件领域拓展。目前国内用于TFT-LCD的ITO薄膜制备的原料ITO靶材全部依赖进口。本文通过研究ITO靶材“中毒”的原因和机理,通过对铌/钛掺杂ITO靶材“中毒”性及其对薄膜光电性能影响规律的研究,确定了减少靶材“中毒”和提高薄膜光电性能的薄膜制备工艺和参数。首先以研究溅射过程中ITO靶材开裂的原因为切入点,展开了对靶材“中毒”机理的分析研究。结果表明靶材纯度不高时,杂质聚集或成分偏析致使靶材电阻率增大、导热性能下降、靶材晶粒之间的结合力降低,因溅射过程中的热应力导致靶材在杂质富集处或成分偏析处开裂;同时阐明同样的机理致使溅射出的粒子团沉积在靶材表面形成结瘤。研究了 ITO靶材“中毒”对薄膜主要性能的影响规律;对比分析了 Nb/Ti掺杂对ITO靶材产生“中毒”现象的影响。结果表明,靶材密度和纯度是影响中毒程度的主要因素,纯度大于99.9%、相对密度大于99.5%的靶材,从最初溅射开始到产生结瘤的时间较长,结瘤程度较少;而分别掺入Nb/Ti的靶材,结瘤并没有增加。“中毒”使薄膜性能变差主要体现为:薄膜电阻率在中毒前均小于5×10-4Ω·cm,中毒后迅速增加到2×10-3Ω·cm以上,透光率则由大于85%急速下降到80%以下;发现,靶材“中毒”后制备的薄膜表面也有“小丘”生成。“小丘”的形成导致薄膜致密度降低、表面平整度降低,是导致薄膜导电率和透光率下降的根本原因。系统研究了基片温度、溅射偏压、薄膜厚度等参数对Nb/Ti掺杂的ITO薄膜性能的影响。结果表明:溅射条件为室温、溅射偏压120V时,Nb/Ti掺杂的薄膜晶体结构比较均匀,薄膜表面粗糙度最小,薄膜电阻率低至1.2 X 10-4Ω·cm。不同温度、偏压及厚度下Nb/Ti掺杂ITO薄膜透光率均为87%以上,最高为90%。首次在室温下制备出光电性能良好的ITO薄膜,归因于室温下ITO薄膜的择优取向为(400)取向。室温获得的高品质ITO更好地满足异质结太阳能电池和柔性衬底电子器件的使用要求,拓展了 ITO薄膜的应用领域。首次采用Nb/Ti掺杂制备ITO靶材,首次采用单靶溅射制备Nb/Ti掺杂ITO薄膜;首次从铌/钛氧化物粉末及ITO粉末、ITO靶材制备及性能到溅射镀膜工艺及薄膜性能之间的相互关系进行了系统研究分析,更清晰地阐述了靶材“中毒”的原因及改善措施,确定了优化ITO薄膜制备的工艺参数。为国产ITO靶材在TFT-LCD领域大规模应用奠定基础。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

晶胞结构

应用范围最广的材料。利用常规沉积方式高简并的ｎ型半导体透明导电氧化物薄膜Ｖ＿，电阻率低至１０４Ｑｘｍ数量级，具有）、高可见光透过率（５５０ｎｍ波长处大于８５等独特光学特性［１８］，同时对微波具有较强的板显不器、发光二极管（Ｌｉｇｈｔ邋Ｅｍｉｔｔｉｎｇ邋Ｄｉｏｄｅ，、电致变色器件等众多产业，并在电磁屏蔽领域［２２］显示出巨大的应用潜力。逡逑的微观结构逡逑心立方铁猛矿结构（Ｃｕｂｉｃ邋Ｂｉｘｂｙｉｔｅ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ），－Ｔｙｐｅ，Ｒａｒｅ邋Ｅａｒｔｈ邋Ｓｅｓｑｕｉｏｘｉｄｅ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ），空间１．０１１８邋ｎｍ，完整的晶胞中包含８０个原子（７（）］，晶体结构极为复杂，如图２－１所示，图中８ｂ邋Ｉｎ，邋２４ｄ邋Ｉｎ和４８ｅ氧原子。逡逑

图谱,晶格常数,导电性,立方面

Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，邋Ｘ射线衍射）分析，ＩＴＯ薄膜中Ｓｎ对Ｉｎ的替位式掺杂不会改变逡逑ｌｎ２０３的晶体结构。多数情况下，ＩＴＯ薄膜表现出有（２２２）或（４００）择优取逡逑向（如图２－２所示），其晶格常数一般比块体ｌｎ２０３略大，并随制备方法和工逡逑艺条件的不同而略有变化。ＩＴＯ晶格常数的变化主要源于杂质缺陷及本征缺逡逑陷引起的晶格畸变。此外，少数研究者的实验中还观察到了晶格常数收缩的逡逑现象［７１’７２］。逡逑（Ｎ逡逑？逡逑８逦＾逡逑0逡逑一逦Ｉ逦＾逡逑ｆ逦？逦（Ｄ逡逑Ｓ逦ｐ邋三刁云二完一一了逡逑？邋ｓ邋＾邋ＳＩＳ邋５邋Ｓ，逡逑ＩＩＩ邋Ｍｉｌ邋Ｉ邋Ｉ邋Ａｍｉ邋ＩＩＩ．．．．．．人逦？．邋＊逡逑２０逦３０逦４０逦５０逦６０逡逑２０邋／邋ｄｅｇｒｅｅ逡逑图２－２典型的ＩＴＯ薄膜的ＸＲＤ图谱逡逑Ｉｎ３＋位于立方面心处，0２－位于Ｉｎ３＋的四面体空隙处。理想的Ｉｎ２0３结构中逡逑Ｉｎ３＋是满态，与0２－完全结合，当部分四面体空隙中的0２＿成为无序后，会留逡逑出空位，形成氧空位，即Ｉｎ２0３－ｘ结构，存在多余的自由电子，表现出一定的逡逑导电性；同时，高价态的正离子如Ｓｎ４＋掺杂在ｌｎ２０３中，在晶格中替代Ｉｎ３＋逡逑的位置，Ｓｎ４＋的存在会提供导电电子到导带，形成ｎ型掺杂，提高ＩＴＯ薄膜逡逑的导电性。但晶格常数和导电机制随温度变化

【参考文献】