溅射温度对ITO/Ag/ITO多层复合薄膜的结构和光电性能的影响

程媛媛，黄瑜佳，朱归胜，徐华蕊，万 乐，焦培文，汪坤喆

(1.桂林电子科技大学材料科学与工程学院，电子信息材料与器件教育部工程研究中心，广西信息材料重点实验室，桂林 541004；2.广西中沛光电科技有限公司,来宾 546100)

0 引 言

随着触控技术的发展，触控面板向着更大尺寸、更高灵敏度和更高性能的方向发展，传统采用单一ITO薄膜为触控电极的方案[1-2]，由于触控面板尺寸变大，电极电阻增加，难以满足大尺寸触控面板的应用要求，因此急迫需要发展低电阻率的ITO透明导电薄膜[3-4]。现有ITO薄膜通过复合电极形成ITO/metal/ITO(IMI)结构的透明导电薄膜技术得以快速发展，如ITO/Ag/ITO薄膜由于光电性能优异，是大尺寸触控面板应用的理想透明导电材料。

近年来，为优化ITO/Ag/ITO薄膜，使该薄膜的光学性能、电学性能和力学性能等各方面性能不断满足当前的应用需求，国内外研究学者进行了大量研究。Wu[5]制备了ITO/Ag/ITO薄膜，探究了Ag和ITO薄膜的厚度对该薄膜光电性能的影响。Kim等[6]制备了ITO/Mesh-Ag/ITO多层膜的OLED透明电极，探究了Ag薄膜的厚度对该薄膜光电性能的影响。Wang等[7]用射频和直流磁控溅射在玻璃基板上沉积ITO/Ag/ITO多层薄膜，探究其力学性能的变化。在ITO/Ag/ITO多层复合薄膜制备过程之中，大多数只是研究厚度对光电性能的影响，以及溅射功率、退火等制备工艺对薄膜的影响，但对温度与ITO/Ag/ITO复合薄膜的影响规律研究并不深入。由于ITO是氧化物，温度对ITO薄膜的光电性能具有显著的影响[8]。另一方面，Ag是金属，在较高温度下溅射时，Ag薄膜会收缩团聚[9]。同时两者进行复合时，温度还影响ITO薄膜和Ag薄膜的界面问题，在较高的温度下Ag薄膜会发生界面扩散。因此，在ITO/Ag/ITO薄膜的制备过程中，研究溅射温度对ITO薄膜和Ag薄膜的影响尤为重要。

本文采用磁控溅射法制备了ITO/Ag/ITO多层复合薄膜，系统研究溅射温度对ITO/Ag/ITO薄膜结构、形貌和光电性能的影响。

1 实 验

1.1 薄膜的制备

本实验采用直流磁控溅射法制备ITO/Ag/ITO多层复合薄膜。采用ITO(m(In2O3)∶m(SnO2)=9∶1；直径60 mm)靶材和Ag(纯度99.999%；直径60 mm)靶材分层溅射，使ITO薄膜和Ag薄膜依次沉积在钠-钙玻璃基片上。底层ITO薄膜沉积，基片的温度自然降到室温，在不打破真空的条件下，调节溅射温度。由于Ag薄膜与普通ITO薄膜的溅射温度相比较低，因此使中间Ag薄膜和顶层ITO薄膜的溅射温度保持一致，防止在溅射顶层ITO薄膜的时溅射温度影响Ag薄膜。调节溅射温度为40 ℃、80 ℃、120 ℃和160 ℃，得到四个样品，探究中间Ag薄膜和顶层ITO薄膜的溅射温度对ITO/Ag/ITO薄膜的影响。图1为ITO/Ag/ITO薄膜的制备流程图。

图1 ITO/Ag/ITO薄膜的制备流程图Fig.1 Preparation process of ITO/Ag/ITO thin films

1.2 表征方法及仪器

采用D8 /Max-2500型X射线衍射仪表征薄膜的晶体结构。采用场发射扫描电子显微镜FEI Tecnai-450观察薄膜的表面和横截面形貌。采用四点探针系统测量方阻、电阻率以及电导率。采用U-4100型紫外可见分光光度计测试薄膜的透射率。

2 结果与讨论

2.1 结构分析

图2为不同溅射温度下所制备的ITO/Ag/ITO薄膜的XRD图谱。从图中可以看出，所有样品均为In2O3体心立方铁锰矿晶体结构，衍射峰主峰为(222)，其结果与标准卡片(PDF#06-0416)一致，无Sn、SnO或SnO2等杂峰出现，说明Sn4+完全进入In2O3晶格。随着中间层和顶层薄膜溅射温度的升高，薄膜(222)和(400)衍射峰明显增强。说明在溅射过程中，随着温度的升高，薄膜生长动能增强，提高了薄膜的结晶性，与文献[10]报道的结果一致。

图2 不同溅射温度制备的ITO/Ag/ITO薄膜的XRD图谱Fig.2 XRD patterns of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

2.2 微观形貌分析

图3为不同溅射温度下所制备的ITO/Ag/ITO薄膜的表面和横截面SEM照片。薄膜的表面形貌为图3(a)～(d)，横截面形貌为图3(e)～(h)。根据图3(a)～(d)可以看出，在底层ITO薄膜溅射温度一定时，随着中间层和顶层退火温度的升高，薄膜表面的晶粒由类球形逐渐变为菱形，说明溅射温度对薄膜的表面晶粒形貌产生了显著的影响。在40 ℃时，薄膜表面为类球形的晶粒。随着温度的升高，在80 ℃时，薄膜类球形晶粒中夹杂着细长的晶粒，说明薄膜随着温度的升高有转变为菱形晶粒的趋势。当温度达到120 ℃时，薄膜表面晶粒形貌由类球形几乎完全转换为菱形。当温度继续升高至160 ℃后，薄膜表面有较大的菱形晶粒，部分晶粒有长大的趋势。结合XRD图谱分析，随着温度的升高，薄膜的结晶性逐渐增强，而ITO薄膜的(400)晶面具有比(222)晶面更低的表面能，薄膜会逐渐朝着(400)方向生长，因此随着溅射温度的升高，薄膜的表面形貌发生了改变。

由图3(e)～(h)知，随着中间层和顶层退火温度的升高，薄膜厚度没有明显的变化，同时薄膜横截面出现了明显的柱状晶，随着温度的升高，薄膜中间Ag层的厚度逐渐变薄，说明中间Ag薄膜减少，部分Ag晶粒嵌入ITO薄膜的孔隙中。结合图3(a)～(d)分析，造成这种现象可能是因为在40 ℃溅射时，温度较低，薄膜结晶度较低，动能小，Ag薄膜在中间层，不易扩散。随着温度的升高，表面的晶粒变为菱形，从横截面看顶层ITO薄膜逐渐变成“犬牙交错”的柱状晶，结合文献[11]分析，Ag薄膜的纳米颗粒逐渐嵌入ITO薄膜表面的孔隙中，所以在横截面看到中间Ag薄膜逐渐变薄。以上分析表明，随着溅射温度的升高，薄膜的结晶性逐渐增强，薄膜(400)衍射峰峰值逐渐增强，薄膜表面晶粒形貌逐渐由类球形转变为棱型。同时，随着温度的升高，Ag薄膜的分布发生了改变。

2.3 光学性能分析

图4(a)为不同溅射温度下所制备的ITO/Ag/ITO薄膜的透射率曲线。结合相关文献[3]与图4(a)可知，加入Ag薄膜后，与普通ITO薄膜相比，所制备的ITO/Ag/ITO薄膜透射率有所下降，但在120 ℃以下时，可见光平均透射率均为80%以上。当中间层和顶层退火温度达到120 ℃时，其在488 nm处透射率最高为88.98%。随着中间层和顶层退火温度由40 ℃升高至120 ℃时，薄膜的透射率有所降低。造成这种现象的原因是，随着温度的升高，薄膜的晶体由柱晶转变成多晶，多晶状态增加了对光的散射，因此薄膜可见光透射率下降[12]。同时随着温度的升高，Ag薄膜中部分纳米颗粒嵌入上层ITO薄膜中，这会降低薄膜的可见光透射率。在160 ℃时，透射率出现了明显的下降，结合文献[13]分析，造成这种现象的原因是，Ag薄膜随着温度的逐渐升高，会出现收缩和团聚，嵌入顶层ITO薄膜，阻碍了光线的透过，所以导致透射率出现了明显的降低。

图4(b)为不同溅射温度下所制备的ITO/Ag/ITO薄膜的禁带宽度曲线。由图4(b)和文献[14]可知，溅射温度为40 ℃、80 ℃、120 ℃和160 ℃所制备的多层复合薄膜光学带隙分别为3.90 eV、3.91 eV、3.94 eV和3.97 eV。载流子数量的增加会导致掺杂费米能级进入导带底，从而导致ITO薄膜禁带宽度的宽化[15]。计算结果表明，在溅射温度为160 ℃时，其具有最大的禁带宽度。

2.4 电学性能分析

图5(a)为不同溅射温度下所制备的ITO/Ag/ITO薄膜的电导率和电阻率，图5(b)显示了其方阻和计算得出的品质因数[16]。从图中可以明显看出，在120 ℃及以下时，随着溅射温度的升高，薄膜的电阻率明显下降，导电性显著提高。结合相关文献[17]，Ag薄膜随着温度的升高，晶粒尺寸增加，薄膜电阻率因电子晶界散射少而减小，金属层的导电性增强使薄膜电阻率降低。同时对于ITO/Ag/ITO薄膜，随着温度的升高，Ag薄膜逐渐嵌入ITO薄膜中，Ag与ITO界面接触处能带弯曲[5,18]，使Ag层中的大量电子可以很容易地注入ITO层中[19]，从而导致薄膜导电性增强。在温度达到160 ℃时，薄膜导电性略有下降，与图4(b)计算得出的结果相符合，结合图3薄膜的横截面形貌可知，造成这种现象的原因可能是温度过高，中间Ag薄膜有所收缩和团聚，造成中间Ag薄膜不连续，所以在温度达到160 ℃后，导电性有所下降。因此温度达到120 ℃时，ITO薄膜和Ag薄膜的溅射温度达到一个平衡状态，此时薄膜的导电性达到最佳。

图3 不同溅射温度制备的ITO/Ag/ITO薄膜的SEM照片Fig.3 SEM images of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

图4 不同溅射温度制备的ITO/Ag/ITO薄膜的透射率和禁带宽度Fig.4 Transmittance curves and band gap widths of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

由薄膜在可见光范围内的平均透射率和方阻计算得出的薄膜的品质因数φH(见图5(b))，计算公式如下：

图5 不同溅射温度制备的ITO/Ag/ITO薄膜的电导率、电阻率及方阻、品质因数Fig.5 Electrical conductivity, resistivity and square resistance, quality factor of ITO/Ag/ITO films prepared at different sputtering temperatures

(1)

式中：RS为所制备的ITO薄膜的方阻；T为薄膜可见光范围内的平均透射率。由图可知，在中间层和顶层的溅射温度为120 ℃时，品质因数达到最大0.030 Ω-1，此时薄膜的方阻为3.68 Ω/Sq，在160 ℃时方阻有所升高，计算得出的品质因数与120 ℃时相比，出现了明显的下降。结合以上分析可知，在溅射温度为120 ℃下薄膜的性能达到最佳。

3 结 论

采用磁控溅射法制备了ITO/Ag/ITO多层复合薄膜，发现溅射温度对薄膜的结晶性、表面形貌和Ag薄膜具有显著影响。随着Ag薄膜和顶层ITO薄膜的溅射温度升高，薄膜表面晶粒形貌由类球形转变为菱形，薄膜的导电性提高。在160 ℃以下时，随着中间层和顶层薄膜溅射温度的升高，薄膜的透射率几乎没有下降。在溅射温度为120 ℃时，Ag薄膜仍为连续的网络结构，实现了薄膜方阻为3.68 Ω/Sq，488 nm处透射率为88.98%的ITO/Ag/ITO多层复合薄膜的制备。