中红外透明导电ITO薄膜的制备

摘 要：针对红外光学系统的电磁屏蔽问题，利用射频磁控溅射法在蓝宝石基底上制备了在中红外波段具有高透过率的氧化铟锡（In2O3：Sn， ITO）导电薄膜，主要研究了溅射功率、沉积温度和氧气流量等沉积参数对薄膜载流子迁移率和载流子浓度的影响，并对参数进行了优化，获得了最大的迁移率，在不影响薄膜电学性能的基础上提高了薄膜的中红外光学透过率。所制得的薄膜霍尔迁移率为20 cm2V-1s-1，载流子浓度为4.99×1020 cm-3，方块电阻为61.2 /sq，在3.05.0 m波段的平均透过率为60.81%。结果表明，ITO薄膜可以替代金属网栅，实现对红外光学系统的电磁屏蔽。

关键词：射频磁控溅射；ITO薄膜；霍尔迁移率；光学性能

中图分类号：O484.4；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）01-00-04

0 引 言

现代军事应用中，要求红外光学系统具有较好的电磁屏蔽能力，以提高其在复杂电磁环境中的生存能力。目前广泛采用的方法是在光学镜头表面制作金属网栅结构[1， 2]，通过优化线宽和周期，实现既可以透过红外光，又可以有效屏蔽电磁波的目的。但是金属网栅会引入杂散光[3]，导致成像模糊，不利于对目标的识别，因此亟需发展一种新的红外光学系统电磁屏蔽技术。

氧化铟锡（ITO）薄膜是一种低电阻率和高可见光透明度的n型半导体薄膜，由于其优良的机械强度和化学稳定性，广泛应用行器舷窗的除冰/雾系统[4]、导弹整流罩电磁屏蔽系统[5]、太阳能电池[6]、液晶显示器[7]、传感器和有机电致发光二极管等领域[8]。然而ITO薄膜在红外波段的透过率较低，这严重限制了其在红外夜视仪、红外制导等光学系统中的应用[9-11]。因此需要提高ITO薄膜的红外透过率，以此来替代金属网栅。

材料复介电常数的实部（1）表示离子实和电子在电磁场中被极化的能力[12]。根据经典Drude理论，ITO薄膜的可以表示为[4]：

其中，∞为ITO薄膜高频介电常数，n为载流子浓度，e为电子电量，0为自由空间介电常数，m*为载流子有效质量，为入射电磁波的角频率，为电子弛豫时间。当1=0时，对应的电磁波角频率称为等离子频率（p）。由于>>1/ [13]，因此p可表示为：

此时等离子波长（p）可以表示为

其中c表示光速。ITO薄膜的光学性能在=p时发生骤变，由光学透明介质变为类似金属的高反射介质[13]，因此根据公式（3）可知，通过降低载流子浓度n使p向红外方向移动，可以有效提高ITO薄膜在红外波段的透过率。

ITO薄膜电阻率（）可表示为[14]：

其中，为载流子迁移率。可见，降低载流子浓度n将会导致薄膜电学性能变差，但这可以通过提高载流子迁移率来改善。因此，通过优化制备工艺参数以降低载流子浓度和提高载流子迁移率，从此获得具有高红外透过率的ITO薄膜，同时不影响薄膜的电学性能[15]。

本文利用磁控溅射法在蓝宝石基底上制备了中红外波段高透明的ITO薄膜，主要研究了溅射功率、沉积温度和氧气流量等工艺参数对薄膜载流子浓度和霍尔迁移率的影响规律，并对优化后的ITO薄膜的晶体结构和表面形貌进行了表征。器件3.0～5.0 mm波段的平均透过率为60.81%，方块电阻为61.2 /sq。

1 试 验

采用射频磁控溅射法在蓝宝石基底上制备了ITO透明导电薄膜，射频频率为13.56 MHz，靶材为ITO陶瓷靶（尺寸700 mm×100 mm），由90wt%的In2O3和10wt%的SnO2烧结而成。在实验过程中，首先将蓝宝石基片先后置于酒精和去离子水中超声清洗10分钟，去除表面油污，用高压空气吹干后固定在样品架上，调节基片到靶材的距离为70 mm，然后抽真空至7.5×10-4 Pa，充入高纯O2和Ar的混合气体。维持Ar流量为160 sccm，当气压升高至0.1 Pa时开始镀膜。镀膜时先对靶材进行预溅射以去除表面杂质，预溅射时间为15分钟。其他工艺参数的优化区间为：溅射功率1 0002 500 W，沉积温度为50200℃，O2流量为410 sccm。

为排除膜层厚度对薄膜透过率的影响，采用石英晶振片对膜层厚度进行监测，每次实验固定膜厚为100 nm。薄膜载流子浓度、霍尔迁移率和电阻率采用霍尔效应测试仪在室温下测得，测试磁场强度为8 600 G。薄膜方块电阻采用公式[16]采用公式（5）计算得到：

（5）

其中d表示薄膜厚度。采用FTIR-660傅里叶变换红外光谱仪测试了不同ITO薄膜在3.0～5.0 mm波段的透过率。薄膜结构采用XRD进行表征，薄膜表面形貌采用AFM表征。

2 验结果与分析

溅射功率、沉积温度和O2流量等工艺参数对ITO薄膜的光电性能有较大影响，图13所示为不同工艺参数对薄膜霍尔迁移率、载流子浓度和电阻率的影响规律。

图1所示为不同溅射功率对薄膜电学性能的影响规律，沉积条件为：沉积温度200℃，O2流量10 sccm，溅射功率1 000～2 500 W。由图可知，随着溅射功率的增加，载流子霍尔迁移率先增加后降低，当溅射功率为1 500 W时，霍尔迁移率取得峰值（11.65 cm2V-1s-1）；载流子浓度则随着溅射功率的增加先平缓上升，当溅射功率超过2 000 W之后，载流子浓度出现突增；霍尔迁移率和载流子浓度的这种变化使薄膜电阻率在2 000 W之前快速下降，之后由于载流子浓度的急剧增加而导致下降速度变缓。

图2所示为不同沉积温度对薄膜电学性能的影响规律，沉积条件为：溅射功率1 500 W，O2流量10 sccm，沉积温度为50200℃。由图可知，载流子霍尔迁移率和载流子浓度随沉积温度的变化趋势基本一致；沉积温度由50℃升高至150℃时，霍尔迁移率由10.48 cm2V-1s-1升高到20.08 cm2V-1s-1，同时载流子浓度则由4.32×1019cm-3提高到4.99×1020cm-3。霍尔迁移率的增加与薄膜晶体尺寸的变化有关，随着沉积温度的升高，薄膜晶体尺寸增加，晶界减少，晶界散射对迁移率的影响减弱[17， 18]。当沉积温度继续升高至200℃时，霍尔迁移率和载流子浓度略有下降。

D3所示为不同O2流量对薄膜电学性能的影响规律，沉积条件为：溅射功率1 500W，沉积温度150℃，O2流量为410 sccm。由图可知，O2流量对霍尔迁移率的影响较小，O2流量在410 sccm范围内变化时，霍尔迁移率基本维持在20 cm2V-1s-1左右；而载流子浓度则随着O2流量的增加而迅速变化，当O2流量为4 sccm时，载流子浓度取得最大值（2.39×1021 cm-3），O2流量增加到10 sccm后，载流子浓度降低到4.99×1020 cm-3。载流子浓度的这种变化与氧空位浓度有关，每个氧空位可以贡献两个载流子[17]，因此当O2流量较高时，薄膜中氧空位浓度降低导致载流子浓度降低。由于霍尔迁移率基本不变，因此载流子浓度的降低直接导致薄膜电阻率的增加。此外，薄膜红外透过率也随载流子浓度的降低出现明显提升[19]。图4所示为不同O2流量条件下ITO薄膜（含蓝宝石基底）在3.05.0 mm波段的透过率光谱曲线。薄膜厚度、方块电阻、中红外平均透过率和品质因数[20]见表1所示，其中，当O2流量为10 sccm时，薄膜品质因数最高，综合光电性能最好。

通过上述多次试验，优化得到中红外透明ITO薄膜的最佳制备工艺条件为：溅射功率1 500 W，沉积温度150℃，O2流量10 sccm。图5所示为按照优化条件在玻璃基底上沉积的ITO薄膜的XRD图谱，可见，薄膜为多晶结构，具有（222）择优取向，这种高度的择优取向使薄膜具有较高的霍尔迁移率[18]。薄膜表面形貌如图6所示，薄膜RMS值为2.38 nm。

3 结 语

采用射频磁控溅射法在蓝宝石基底上制备了中红外波段透明导电ITO薄膜，研究了沉积过程中各种工艺参数对薄膜电学和光学性能的影响。研究结果表明，当溅射功率为1 500 W，沉积温度为150℃，O2流量为10 sccm时，所制备的ITO薄膜具有较高的光学透过率，在3.05.0 m波段的平均透过率为60.81%，同时霍尔迁移率达到20 cm2V-1s-1，方块电阻为61.2 /sq，薄膜具有较好的光电综合性能。所制备的中红外透明导电ITO薄膜可用于红外光学系统的电磁屏蔽。

参考文献

[1] 张运强，潘国庆，李福巍.金属网栅电磁屏蔽薄膜在红外空空导弹上的应用研究[J].红外技术，2010，32（7）：395-398.

[2] 高劲松，孙连春，郑宣明，等.红外透明导电金属网栅薄膜[J].光学技术，2001，27（6）：558-559.

[3] Kirsch， Lindberg， Harris， et al. Tri-mode seeker dome considerations. in Defense and Security[Z]. Defense & Security 2005.

[4] HT Bui， W Hasan. Highly durable conductive coating for visible and NIR applications[J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering， 1997： 2-10.

[5] HT Bui， Dave. Low-resistance electrically conductive optical coatings for visible/near-IR wavelengths[J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering， 1994.

[6] lvarez Fraga， Jiménez Villacorta， Sánchez Marcos， et al. Indium-tin oxide thin films deposited at room temperature on glass and PET substrates： Optical and electrical properties variation with the H2CAr sputtering gas mixture[J]. Applied Surface Science， 2015， 344： 217-222.

[7] Sibin， Swain， Chowdhury， et al. Optical and electrical properties of ITO thin films sputtered on flexible FEP substrate as passive thermal control system for space applications[Z]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2016： 165-174.

[8] Du， Chen， Liu， et al. Highly transparent and conductive indium tin oxide thin films for solar cells grown by reactive thermal evaporation at low temperature[J]. Applied Physics A， 2014， 117（2）： 815-822.

[9] Meng， Yang， Chen， et al. A new transparent conductive thin film In2O3：Mo[J]. Thin Solid Films， 2001， 394（1）： 218-222.

[10]A Chaoumead， BH Joo， DJ Kwak， et al. Structural and electrical properties of sputtering power and gas pressure on Ti-dope In2O3 transparent conductive films by RF magnetron sputtering[J]. Applied Surface Science， 2013， 275： 227-232.

[11]Z Jin， CG Granqvist. Transparent and infrared-reflecting ZnO：Al films reactively sputtered onto polyester foil[J]. Applied Optics， 1987， 26（16）： 3191-3192.

[12]TA Gessert， J Burst， X Li， et al. Advantages of transparent conducting oxide thin films with controlled permittivity for thin film photovoltaic solar cells[J]. Thin Solid Films， 2011， 519（21）： 7146-7148.

[13]PK Biswas， A De， NC Pramanik， et al. Effects of tin on IR reflectivity， thermal emissivity， Hall mobility and plasma wavelength of solCgel indium tin oxide films on glass[J]. Materials Letters， 2003， 57（15）： 2326-2332.

[14]K Füchsel， U Schulz， N Kaiser， et al. Low temperature deposition of indium tin oxide films by plasma ion-assisted evaporation[J]. Applied Optics， 2008， 47（13）： C297-C302.

[15]D Dubreuil， JP Ganne， G Berginc， et al. Optical and electrical properties between 0.4 and 12 m for Sn-doped In2O3 films by pulsed laser deposition and cathode sputtering[J]. Applied Optics， 2007， 46（23）： 5709-5718.

[16]H Kim， JS Horwitz， GP Kushto， et al. Transparent conducting Zr-doped In2O3 thin films for organic light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters， 2001， 78（8）： 1050-1052.

[17]H Kim， M Osofsky， SM Prokes， et al. Optimization of Al-doped ZnO films for low loss plasmonic materials at telecommunication wavelengths[J]. Applied Physics Letters， 2013， 102（17）： 171103.

[18]JH Lee. Effects of substrate temperature on electrical and optical properties ITO films deposited by r.f. magnetron sputtering[J]. Journal of Electroceramics， 2009， 23（2）： 554-558.

[19]J Shi， L Shen， F Meng， et al. Structural， electrical and optical properties of highly crystalline indium tin oxide films fabricated by RPD at room temperature[J]. Materials Letters， 2016， 182： 32-35.

[20]G Haacke. New figure of merit for transparent conductors[J]. Journal of Applied Physics， 1976， 47（9）： 4086-4089.