梅明亮，王翠凤，张鹃如

(1.福建信息职业技术学院机电工程系，福州 350003； 2.高雄应用科技大学模具工程系，台湾 高雄 80778)

基于田口法的在玻璃基板上溅射ITO薄膜制作工艺研究

梅明亮1，王翠凤1，张鹃如2

(1.福建信息职业技术学院机电工程系，福州 350003； 2.高雄应用科技大学模具工程系，台湾 高雄 80778)

利用射频磁控溅射方式将氧化铟锡(ITO)沉积在玻璃基板上，设定温度、压力、溅射功率为主要参数，每个参数均有3个水平，运用田口实验方法设计L9直交表，质量目标设定为方阻，以变异数分析得到的结果作为最优工艺参数条件，并测量膜厚、透光率。以X光衍射仪分析结晶状况、SEM观察结构及生长型态来了解其性质。结果显示功率对方阻的影响最大，贡献度占91%，而功率大，薄膜厚度越厚，晶粒粒径较大，结晶性较强，方阻减小及透过率降低。由于结晶性好也提高透光率，膜厚100～300 nm时，透光率80%以上。最优工艺参数为温度230 ℃、功率300 W及压力在1.5 mTorr下有方阻最小。

氧化铟锡(ITO)；田口法；溅射

0 前言

ITO(Indium Tin Oxide)具有立方体铁锰矿结构，禁带宽度为3.5 eV[1]，因其具有易于光蚀刻加工、可见光区高的透光率及低的电阻率等优点，其在日常的电子产品中被广泛运用。例如：液晶显示器导电薄膜、太阳能薄膜电池、有机发光二极管及抗静电涂层等，还有其他应用在不断被开发。制备ITO薄膜的主要方法有磁控溅射[2-4]，离子辅助反应蒸发技术[5-6]、电子束蒸发[7]等。其中磁控溅射法是目前使用的最为广泛的方法之一。中外学者对磁控溅射ITO薄膜性能研究较多[8-9]，对薄膜制作工艺参数研究较少[10]，然而ITO薄膜的性能受溅射工艺影响较大，本文采用田口法进行实验，找出在玻璃基板上射频磁控溅射ITO薄膜的最佳工艺参数值，以期能够降低生产成本、制造出高质量的透明导电薄膜，为企业提供参考。

1 实验步骤

本实验采用射频磁控溅射法，选择90 wt.% In2O3和10 wt.% SnO2的靶材，厚度0.5 mm、透光率89%的玻璃基板为基材。以温度、压力及功率作为控制因子，用田口实验计划法进行实验，实验流程如图1所示。控制因子设定3个水，平分别以不加温、加温至150 ℃、加温至230 ℃的温度，1.5 mTorr、4 mTorr、6.5 mTorr的压力及100 W、200 W、300 W的功率，按照田口L9直交表配置，见表1。以四点探针仪测量出方阻，目标设定为望小特性，利用田口分析求得最佳参数组合。后以膜厚测量仪、分光光度计、SEM及X光衍射仪(XRD)作为膜厚、透光性的测量及薄膜结构分析。

图1 实验与分析流程图

本实验采用三菱化学株式会社MCP-T 600的四点探针测量薄膜的方阻，以Kosaka ET4000的厚度测量仪测量膜厚，透光率的测量使用日立U-3010型号的分光光度计，可测量波长范围为350～850 nm，而实际定义透光率的波长为550 nm，以场发射型扫描式电子显微镜(JEOL-6330)及Bruker D8XRD来分析薄膜结构。

表1 田口L9直交表配置

2 结果与讨论

2.1 田口实验方阻分析

对9组实验得到的试样用四点探针法做方阻测试，方阻指标越小越好，所以选用望小特性的S/N比公式进行相关计算。

图2为方阻S/N比的因子反应图，因子A在不加温与150 ℃时S/N比差异不大，到230 ℃ S/N比有显著提升；因子B在压力1.5 mTorr及4 mTorr时S/N比差异不大，可进一步在两者之间找出更适合的压力，在压力6 mTorr时S/N比最差；因子C功率越大方阻越小，得到的最佳参数组合为A3B1C3(恰为第7组实验组合)，即高温、低压和高功率，是因为原子在此参数下有较大的能量形成晶粒大且致密的薄膜，使方阻变小，而其中功率对方阻的影响最大，其S/N比差异达18 dB。

图2 方阻S/N比的因子反应图

表2为方阻S/N比的变异数分析表，e为考虑因子误差给出的误差项，可以看出每个因子对方阻都有影响，C因子贡献度高达91.19%，可见C因子(功率)对方阻影响最大。

表2 方阻S/N比变异数分析表

表3为方阻与膜厚的关系，膜越厚方阻越小，因为功率低，原子的能量少，扩散能不够，成核快，形成的薄膜晶粒较小，从而使方阻变大。而功率高，沉积速度快，可以得到较厚的薄膜，厚度对方阻的影响成反比，所以功率越高方阻越小。

表3 方阻与膜厚值

2.2 透光率分析

导电膜透明的特性表现在可见光范围内(波长380～760 nm)，具有80%以上的光穿透率，而透光率与膜厚的关系成反比(T=exp(-αd)；T、α、d分别为透光率、吸收系数、膜厚)，薄膜的吸收与反射会随厚度增加而上升，膜厚越厚时，薄膜整体的透光率下降，所以厚膜虽然可以得到较低的阻值，但也会降低透光率。除此之外，薄膜的成膜质量及结晶状况也会对透光率有所影响。

图3为膜厚、方阻与透光率的关系图，膜越厚方阻越小。膜厚与透光率的关系：膜厚在100 nm以下，透光率约85%～87%，膜厚在100～300 nm之间，透光率约81%～85%，显示出随着膜厚的增大，透光率有少许下降的趋势，但膜厚在100～300 nm时透光率并无明显落差，并且尚能达到80%以上。

2.3 SEM分析

如图4薄膜SEM图所示，可明显发现晶粒粒径大小随着功率上升而增加，相对比温度及压力对于薄膜表面结构的影响的并不明显。由SEM图计算出平均晶粒粒径，依序从Exp.1～Exp.9分别是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，整体看起来，功率100 W时晶粒粒径约7～9 nm，功率200 W时晶粒粒径约9～13 nm，功率300 W时晶粒粒径约14～20 nm，而晶粒粒径大方阻比较小。

图3 膜厚、方阻与透光率的关系图

2.4 XRD分析

将9组试片做XRD分析如图5所示,观察其结晶情况，对照国际标准JCPDS Card判断薄膜特性的衍射峰值，分别为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)面的衍射峰最为明显，而其强度也随着功率增加而增强，显示其结晶性较好。根据Scherrer公式

D=0.9λ/βcosθ，

式中：λ为X射线衍射波长(0.154 06 nm)；β为衍射峰半高宽，θ为布拉格衍射角。

计算出平均晶粒粒径大小见表4，Exp.3有最大平均粒径约18 nm，其余约在9～13 nm之间，与SEM所观察到的晶粒粒径结果非常相近，在高功率下有较好的结晶性。

图4 SEM图

图5 XRD图

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，原子能量较高，有足够的扩散能，使得结晶性更好，晶粒粒径大，也因此使得透光率在较厚的膜厚下还能达到80%以上。

3 结语

1)将目标设定为方阻望小特性，根据变异性分析结果显示，ITO薄膜溅射最佳工艺参数组合是温度230 ℃，压力1.5 mTorr，功率300 W。

2)温度对方阻的影响，温度越高方阻越小，温度在230 ℃比150 ℃及未加温，虽然方阻值变化幅度不大，但仍然具有一定的影响。

3)压力低，溅射时氩气量减少，薄膜的载流子浓度和迁移率较高，表现出方阻减小。压力大至6.5 mTorr后，方阻增大，而1.5 mTorr及4 mTorr无明显差异，可在两者之间再找出最佳压力值。

4)功率对方阻影响最大，功率高，溅射速度快，膜厚较厚，而厚度与方阻成反比，所以功率越大方阻越小，但大到超过一定值后可能会变差。

5)膜越厚透光率较差，但结晶度高也能提升透光率，当膜厚100～300 nm时，由于功率大结晶程度也较好，所以透光率仍有80%以上。

6)以SEM及XRD分析结果显示，薄膜的晶粒粒径及结晶强度，也与功率及厚度相关，在300 W的功率下粒径较大。

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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，FujianPolytechnicofInformationTechnology，Fuzhou350003，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

福建省中青年教师教育科研项目(JA15682)

梅明亮(1981-)，男(汉)，江苏盐城，硕士，实验师 主要研究模具材料及机电控制等。

TB43

A

1009-8984(2016)04-0025-04