Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO
Изучено влияние температуры подложки, состава рабочего газа и режимов DC и MF реактивного магнетронного распыления сплава 90%In + 10%Sn на структурное состояние, электрическое сопротивление, прозрачность и ширину запрещенной зоны пленок ITO, осажденных на стеклянные подложки. Установленная зависимос...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2012
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101869 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO / А.И. Бажин, А.Н. Троцан, С.В. Чертопалов, А.А. Стипаненко, В.А. Ступак // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 4. — С. 342-349. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859652448532037632 |
|---|---|
| author | Бажин, А.И. Троцан, А.Н. Чертопалов, С.В. Стипаненко, А.А. Ступак, В.А. |
| author_facet | Бажин, А.И. Троцан, А.Н. Чертопалов, С.В. Стипаненко, А.А. Ступак, В.А. |
| citation_txt | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO / А.И. Бажин, А.Н. Троцан, С.В. Чертопалов, А.А. Стипаненко, В.А. Ступак // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 4. — С. 342-349. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| description | Изучено влияние температуры подложки, состава рабочего газа и режимов DC и MF реактивного магнетронного распыления сплава 90%In + 10%Sn на структурное состояние, электрическое сопротивление, прозрачность и ширину запрещенной зоны пленок ITO, осажденных на стеклянные подложки. Установленная зависимость электронно-оптических свойств пленок ITO от условий их получения поясняется влиянием степени релаксации внутренних напряжений и кристалличности.
Вивчено вплив температури підкладки, складу робочого газу і режимів DC і MF реактивного магнетронного розпилення сплаву 90%In + 10%Sn на структурний стан, електричний опір, прозорість і ширину забороненої зони плівок ITO, осаджених на скляні підкладки. Встановлена залежність електронно-оптичних властивостей плівок ITO від умов їх отримання пояснюється впливом ступеню релаксації внутрішніх напруг і кристалічності.
The influence of substrate temperature, composition of the working gas and DC and MF modes of reactive magnetron sputtering of an alloy 90%In + 10%Sn on the structural state, electrical resistance, transparency, and the band gap of the films ITO, deposited on glass substrates have been studied. The dependence of electron-optical properties of ITO films on the conditions of their production explains by the influence of the relaxation of internal stresses and crystallinity.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:35:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
342
ВВЕДЕНИЕ
Обнаруженное в 50-тые годы прошлого века
сочетание высокой электропроводности и
оптической прозрачности широкозонных ок-
сидных полупроводников обусловило огром-
ный научный интерес к ним и широкое прак-
тическое применение. В настоящее время од-
ним из наиболее востребованных среди ме-
таллооксидных полупроводников является
оксид индия, легированный оловом (ITO).
Благодаря уникальным оптическим и элект-
рофизическим свойствам, ITO представляет
интерес для практического применения в
таких областях, как солнечная энергетика, оп-
тоэлектроника, сенсорная электроника, ката-
лиз и др. [1 – 8]. Уникальность ITO заключа-
ется в сочетании высоких электрической про-
водимости, оптической прозрачности (85 –
90%) в видимом спектральном диапазоне и
отражательной способности в ИК-диапазоне.
ITO является широкозонным вырожденным
полупроводником n-типа с высокой концент-
рацией и подвижностью свободных носите-
лей заряда [1].
Следует отметить, что получение тонких
пленок ITO с заданными структурным совер-
шенством и физическими свойствами (удель-
ное сопротивление и коэффициент пропуска-
ния получаемых слоев), а также однороднос-
тью по толщине, является сложной технологи-
ческой проблемой, поскольку структура и
свойства сильно зависят как от условий нане-
сения, так и от дальнейшей обработки пленок.
Результатом концентрированных усилий
исследователей стала разработка различных
методов синтеза пленок ITO: газофазного
осаждения, магнетронного распыления, золь-
гель метода, послойного атомного осаждения
УДК: 539.2: 538.975
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ И СОСТАВА
РЕАКЦИОННОГО ГАЗА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК ITO
А.И. Бажин, А.Н. Троцан, С.В. Чертопалов, А.А. Стипаненко, В.А. Ступак
Донецкий национальный университет
Украина
Поступила в редакцию 08.10.2012
Изучено влияние температуры подложки, состава рабочего газа и режимов DC и MF реак-
тивного магнетронного распыления сплава 90%In + 10%Sn на структурное состояние, элект-
рическое сопротивление, прозрачность и ширину запрещенной зоны пленок ITO, осажденных
на стеклянные подложки. Установленная зависимость электронно-оптических свойств пленок
ITO от условий их получения поясняется влиянием степени релаксации внутренних напряжений
и кристалличности.
Ключевые слова: пленки ITO, магнетронное распыление, преимущественная ориентация,
электрическое сопротивление, прозрачность, ширина запрещенной зоны.
Вивчено вплив температури підкладки, складу робочого газу і режимів DC і MF реактивного
магнетронного розпилення сплаву 90%In + 10%Sn на структурний стан, електричний опір,
прозорість і ширину забороненої зони плівок ITO, осаджених на скляні підкладки. Встановлена
залежність електронно-оптичних властивостей плівок ITO від умов їх отримання пояснюється
впливом ступеню релаксації внутрішніх напруг і кристалічності.
Ключові слова: плівки ITO, магнетронне розпилення, переважна орієнтація, електричний опір,
прозорість, ширина забороненої зони.
The influence of substrate temperature, composition of the working gas and DC and MF modes of
reactive magnetron sputtering of an alloy 90%In + 10%Sn on the structural state, electrical resistance,
transparency, and the band gap of the films ITO, deposited on glass substrates have been studied.
The dependence of electron-optical properties of ITO films on the conditions of their production
explains by the influence of the relaxation of internal stresses and crystallinity.
Keywords: ITO films, magnetron sputtering, preferred orientation, electrical resistance, transparency,
band energy gap.
А.И. Бажин, А.Н. Троцан, С.В. Чертопалов, А.А. Стипаненко, В.А. Ступак, 2012
343ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 4, vol. 10, No. 4
и др. Интерес к магнетронным методам полу-
чения покрытий обусловлен возможностью
изменять давление рабочего газа в довольно
широком диапазоне и тем самым целенаправ-
ленно управлять скоростью и толщиной на-
несения покрытий, высокой чистотой и хоро-
шей адгезией получаемых покрытий за счет
бомбардировки пленки ионами плазмы, воз-
можностью управления морфологией, фазо-
вым составом и свойствами покрытий, низ-
ким тепловым и радиационным воздейст-
вием на обрабатываемую поверхность.
Проблема управления функциональными
характеристиками пленок ITO, полученных
магнетронным распылением, остается акту-
альной из-за большого числа влияющих тех-
нологических факторов. К важнейшим факто-
рам процесса реактивного магнетронного
распыления относятся общее давление при
распылении и парциальное давление реак-
тивного газа, режим распыления, природа и
температура подложки.
Специальных исследований влияния ре-
жима магнетронного распыления на струк-
туру и свойства пленок ITO мало. Так, в рабо-
те [8] при сравнении пленок, полученных при
работе магнетрона на постоянном токе (ре-
жим DC) и в импульсном режиме со средней
частотой 40 кГц (режим MF), показано, что
распыление мишени, состоящей из оксидов
индия и олова, приводило к формированию
пленок ITO с более низким сопротивлением
в режиме DC, чем в режиме MF. Однако стру-
ктура пленок при этом не контролировалась.
Многими исследователями установлено
изменение преимущественной ориентации
кристаллитов пленки ITO в различных усло-
виях процесса их осаждения, причем характер
преимущественной ориентации кристалли-
тов существенно влиял на свойства ITO [6,
7, 9]. Так, в работе [6] при повышении общего
давления в камере распыления от 0,08 до
0,76 Па наблюдали изменение преимущест-
венной ориентации кристаллитов пленок,
осажденных на ненагретые стеклянные под-
ложки, от <111> к <110>, что привело к повы-
шению электросопротивления пленок. Роль
парциального давления кислорода в форми-
ровании текстуры пленок ITO детально изу-
чена в работе [7]. Авторы [7] установили, что
высокое парциальное давление кислорода (3
– 5%) в газовой смеси Ar + O2 при реактив-
ном распылении мишени способствовало
формиванию на стеклянной подложке при
350 оС пленок с текстурой <111>, в то время,
как в чистом аргоне, кристаллиты ориентиро-
вались вдоль направления <100>. Пленки с
текстурой <100> имели меньшее сопротивле-
ния, чем с <111>, что пояснено авторами [7]
уменьшением искажения решетки оксида ин-
дия, вследствие снижения доли внедренного
в нее кислорода. При промежуточных значе-
ниях содержания кислорода кристаллиты
ориентировались как вдоль направлений
<111>, так и вдоль <100>, причем степень от-
клонения этих направлений от нормали к
поверхности подложки зависела от парциа-
льного давления кислорода. Эти результаты
свидетельствуют о том, что однозначного со-
ответствия меньшего электросопротивления
одной определенной преимущественной
ориентации кристаллитов не установлено.
О значительном влиянии температуры
подложки на характеристики пленок ITO сви-
детельствуют результаты работ [2, 4, 9]. В ра-
боте [9] при нереактивном распылении ок-
сидной мишени в режиме DC при вариации
температуры подложки от 200 до 500 оС были
получены пленки ITO с одинаковой преиму-
щественной ориентацией <100>, но их про-
зрачность монотонно падала от 91% до 83%
с ростом температуры подложки во всем ин-
тервале, а сопротивление менялось сложным
образом. Улучшение электрических характе-
ристик пленок при повышении температуры
подложки до 300 оС авторы [9] связали с рос-
том структурного совершенства пленок, спо-
собствующего повышению подвижности но-
сителей заряда. Установлено [2, 4, 9], что со-
противление пленок, осажденных на нагре-
тые стеклянные подложки (200 – 300 оС), го-
раздо ниже, чем на ненагретые. В работах [4,
9] показано, что температура подложки опре-
деляет соотношение между количеством ато-
мов олова, находящихся в электрически неак-
тивном и активном состояниях, что сказыва-
ется на свойствах пленок.
Роль природы подложки в формировании
свойств пленок ITO подтверждается данны-
ми работы [5], в которой на стекле получили
А.И. БАЖИН, А.Н. ТРОЦАН, С.В. ЧЕРТОПАЛОВ, А.А. СТИПАНЕНКО, В.А. СТУПАК
344
слоевое сопротивление Rs пленки на 2 по-
рядка выше, чем для ITO на подложке из диок-
сида циркония, стабилизированного оксидом
иттрия.
Таким образом, поскольку структура и
свойства тонких пленок оксида индия, леги-
рованного оловом, сильно зависят от усло-
вий их получения, необходимо более полно
изучить взаимосвязь процесса формирования
структуры и свойств этих пленок.
Настоящая работа посвящена изучению
влияния DC и MF режимов реактивного маг-
нетронного распыления на структурное сос-
тояние пленок ITO, осажденных в разных га-
зовых смесях при разных температурах, и ус-
тановлению взаимосвязи структурного сос-
тояния пленок, их электрических и оптичес-
ких свойств с условиями синтеза.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Пленки ITO получали методом магнетрон-
ного реактивного распыления мишени из
сплава индия (90%) и олова (10%) в вакуум-
ной камере установки ВУП-5М. Для увели-
чения плотности ионного тока на подложку
использовали несбалансированную магнит-
ную систему магнетрона с прямым охлажде-
нием мишени. Остаточное давление воздуха
перед напуском рабочего газа составляло
P0 = 0,013 Па. В качестве рабочего газа ис-
пользовали воздух (~21% О2), а также смесь
аргона (80%) с кислородом (20%). Давление
рабочего газа составляло P = 0,2 Па в случае
работы с воздухом и P = 0,07 Па – для (Ar+O2).
Расстояние от мишени до подложки состав-
ляло 50 мм. В качестве подложек использо-
вали стекло от фотопластинок. Пленки осаж-
дали в течение 15 минут на подложки, темпе-
ратуру которых варьировали 20, 150 и 200 °С.
Были использованы два источника питания
магнетронной системы: блок питания уста-
новки ВУП-5П (режим DC), а также модифи-
цированный блок питания с прерывателем
напряжения (режим MF). Прерыватель на-
пряжения позволял работать в импульсном
униполярном режиме с частотой следования
импульсов 20 кГц и скважностью 2. Мощ-
ность тока, подаваемого на мишень, состав-
ляла в режиме DC – 20 Вт, а в режиме MF –
30 Вт.
Толщину полученных покрытий измеряли
при помощи микроинтерферометра МИИ-4.
Рентгеноструктурный анализ пленок ITO
проводили при помощи установки ДРОН-4-
07 в излучении Cu-Ka. Спектры оптического
пропускания снимали на спектрофотометрах
СФ-4 и Shimadzu-2501.
В табл. 1 указаны условия получения пле-
нок ITO и их характеристики, где Ро – оста-
точное давление в камере; Рр – рабочее дав-
ление; N – мощность тока на мишени; tп –
температура подложки; τ – время осаждения
пленки; h – толщина полученной пленки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Из табл. 1 видно, что режим работы магнет-
рона заметного влияния на скорость осажде-
ния не оказывает, существенно влияет состав
рабочего газа: скорость осаждения в смеси Ar
+ O2 практически вдвое выше, чем в воздухе.
Дифрактограммы пленок, осажденных при
разных температурах подложки и режимах ра-
боты магнетрона, а также в разных газовых
смесях приведены на рис. 1. Для сравнения
на рис. 1 приведена дифрактограмма коммер-
ческого ITO фирмы Asahi U.
Таблица 1
Условия получения пленок ITO и их
характеристики
Режим Р0, Па Рр, Па N, Вт tп,°С τ, мин h, нм
0,013 0,07 30 200 15 250Ar + O2
режим DC
Ar + O2
режим
MF
0,013 0,07 30 200 15 254
0,013 0,07 30 150 15 250
0,013 0,07 30 20 15 234
воздух ре-
жим DC
0,013 0,2 20 200 15 130
0,013 0,2 20 150 15 138
0,013 0,2 20 20 15 153
а)
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ И СОСТАВА РЕАКЦИОННОГО ГАЗА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК ITO
ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 4, vol. 10, No. 4
345ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 4, vol. 10, No. 4
Из рис. 1а видно, что в режиме DC при
комнатной температуре подложки в газовой
среде воздуха на дифрактограмме наблюда-
ется очень широкий диффузный горб в об-
ласти углов 2θ = 30 ÷÷÷÷÷ 50°. Это согласуется с
данными работы [5], в которой показано, что
диффузный горб вблизи 2θ = 24° обусловлен
стеклянной подложкой, а вблизи 2θ = 31° –
аморфной ITO. Таким образом, можно утвер-
ждать, что на ненагретой стеклянной подлож-
ке в режиме DC в рабочей атмосфере воздуха
формируются аморфные пленки ITO. С повы-
шением температуры подложки до 150 °C
ширина диффузного горба уменьшается (2θ =
30 ÷ 45°), а высота несколько увеличивается,
что может быть следствием структурных из-
менений в пленке, которая остается аморф-
ной. На дифрактограмме пленки, осажденной
при температуре подложки 200 °С в данных
условиях, присутствуют наиболее сильные
дифракционные максимумы ITO 222 и 440.
б)
в)
Рис. 1. Дифрактограммы пленок ITO, полученных в
разных режимах и разных средах: а) – в режиме DC в
среде воздуха; б) – в режиме MF в газовой среде Ar +
O2; в) – в режиме DC в газовой среде Ar + O2.
Таблица 2
Влияние режима работы магнетрона и
состава рабочего газа на соотношение
интенсивностей основных дифракционных
пиков пленки ITO, полученной при
температуре подложки 200 °С
Найденное значение параметра решетки ITO
a = (1,0118 ± 0,0005) нм хорошо согласуется с
литературными данными [5]. Однако отно-
шение интенсивностей пиков 222 и 440 не-
сколько превышает ожидаемое для дифракто-
грамм порошковых образцов ITO (табл. 2).
Дифрактограммы, приведенные на рис. 1б,
свидетельствуют о том, что в режиме MF в
газовой смеси Ar + O2 при комнатной темпе-
ратуре подложки осаждаются аморфные
пленки ITO, как при такой же температуре,
но в режиме DC в среде воздуха, что может
быть следствием определяющего влияния
температуры подложки. Кристаллические
пленки в режиме MF в газовой смеси Ar + O2
начинают формироваться при более низкой
температуре (рис. 1б) – 150 °С, чем в среде
воздуха в режиме DC. Как видно из рис. 1б,
повышение температуры подложки способc-
твует повышению интенсивности дифракци-
онных пиков и снижению их ширины.
В табл. 2 приведены экспериментально
наблюдаемые и характерные для порошковых
дифрактограмм ITO отношения интенсивно-
сти пика 222 к интенсивностям пиков 400 и
440. Из табл. 2 видно, что превышение отно-
шения интенсивностей пика 222 и наблюдае-
мых основных пиков 400 и 440 по сравнению
с отношениями, характерными для нетексту-
рированного ITO (вторая колонка табл. 2), за-
висит от режима работы магнетрона и макси-
мально в режиме MF. Это позволяет заклю-
чить, что при температуре подложки 200 °С
независимо от режима магнетронного распы-
ления металлической мишени, содержащей
90% In + 10% Sn и в газовой среде Ar + O2 и в
среде воздуха формируются поликристал-
А.И. БАЖИН, А.Н. ТРОЦАН, С.В. ЧЕРТОПАЛОВ, А.А. СТИПАНЕНКО, В.А. СТУПАК
I222/IHKL (I222/IHKL)теорет.
Экспериментальное
(I222/IHKL)
В среде Ar + O2
В среде
воздуха
Режим
DC
Режим
MF
Режим
DC
I222/I400 3,3 8,8 32 –
I222/I440 2,7 3,0 8,0 3,0
346
лические текстурированные пленки ITO с
осью текстуры <111>, степень совершенства
которой зависит от режима работы магнетро-
на. Большая степень совершенства текстуры
наблюдается в режиме MF. Значение параме-
тра решетки пленок ITO, полученных в режи-
ме MF в газовой среде Ar + O2, а = (1,0275 ±
0,0005) нм, несколько больше чем в воздухе в
режиме DC.
Известно [10], что ширина дифракционных
максимумов зависит от размеров областей ко-
герентного рассеяния и наличия внутренних
напряжений в пленке. Установлено, что для
пленок, осажденных в режиме MF, уширение
пиков обусловлено преимущественно внут-
ренними напряжениями.
В соответствии с классической формулой
Гука микродеформации εz и внутренние на-
пряжения σx и σy связаны
0
0
( ) /z z ITO x y
a a E
a
ε σ υ σ σ−
= = − + ,
где Е и υITO – модуль Юнга и коэффициент
Пуассона для ITO; a – параметр решетки. Для
изотропных тонких пленок σz = 0, а σx = σy [5].
Для расчета внутренних напряжений значе-
ния модуля Юнга (Е = 1,8⋅1011 Па) и коэффи-
циента Пуассона (υITO = 0,35) были взяты из
работы [5], в которой подтвержден сжимаю-
щий характер внутренних напряжений в
пленках ITO, формирующихся на стеклянных
подложках.
Расчет внутренних напряжений показал,
что наиболее напряженными (σ = – (2,6 ±
0,5) ГПа оказались пленки, осажденные в сре-
де Ar + O2 в режиме MF при температуре под-
ложки 150 °С. Повышение температуры под-
ложки до 200 °С привело к существенному
снижению внутренних напряжений до – (0,9
± 0,5) ГПа. Для пленок, полученных в среде
воздуха в режиме DC при температуре под-
ложки 200 °С, уширение дифракционных пи-
ков связано, в основном, с дисперсностью
кристаллитов, размер которых составляет
(5 ± 0,5) нм.
В табл. 3 приведены значения линейного
сопротивления пленок ITO в зависимости от
режима магнетронного распыления и темпе-
ратуры подложки в разных газовых средах,
из которой видно, что аморфные пленки ITO
обладают слишком высоким линейным соп-
ротивлением (>106 Ом/см). Значительно ни-
же линейное сопротивление кристалличес-
ких пленок, причем оно зависит от темпера-
туры подложки. Наименьшее линейное соп-
ротивление среди исследованных образцов
наблюдается у пленок, полученных в режиме
MF в газовой среде Ar + O2 при температуре
подложки 200 °С. Для этих пленок установ-
лена более высокая степень совершенства
текстуры и существенное снижение внутрен-
них напряжений.
Как установлено в работе [5], снижение
внутренних напряжений приводит к некото-
рому повышению подвижности носителей
заряда в ITO. Кроме того, согласно данным
[6], высокая подвижность носителей харак-
терна для пленок ITO с преимущественной
ориентацией кристаллитов <111>. Следова-
тельно, можно полагать, что уменьшение
электрического сопротивления пленок, по-
лученных в режиме MF в газовой среде Ar +
O2 при температуре подложки 200 °С, обус-
ловлено повышением подвижности носите-
лей заряда вследствие роста структурного со-
вершенства пленок с ориентацией <111>.
Наблюдаемые изменения линейного элек-
тросопротивления кристаллических пленок
ITO при увеличении температуры подложки
можно объяснить также и на основе сущест-
вующих представлений о роли олова в фор-
мировании их электрических характеристик.
В нелегированных пленках In2O3 наличие
электронов обеспечивается кислородными
Таблица 3
Зависимость линейного сопротивления
пленок ITO от режима магнетронного
распыления и температуры подложки в
разных газовых средах
150 250 1,5⋅103
20 234 > 106
Режим рабо-
ты магнетро-
на и состав
газовой среды
Толщина
пленки h, нм
Температу-
ра подлож-
ки tп,°С
RL, Ом/см
200 254 30MF
Ar + O2
DC
воздух
200 130 3⋅103
150 138 > 106
20 153 > 106
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ И СОСТАВА РЕАКЦИОННОГО ГАЗА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК ITO
ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 4, vol. 10, No. 4
347ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 4, vol. 10, No. 4
вакансиями. При добавлении Sn в In2O3 ион
In3+ замещается ионом Sn4+, в результате чего
образуется электрон проводимости.
Согласно [4], в пленках ITO не все атомы
олова могут находиться в электрически ак-
тивном состоянии. Электрически активными
являются только четырехвалентные атомы
олова, которые замещают атомы индия в узлах
кристаллической решетки соединения In2O3.
Часть атомов олова может находиться в элек-
трически неактивном двухвалентном состоя-
нии, кроме того электрически неактивными
могут быть и четырехвалентные атомы олова,
если они находятся не в узлах решетки In2O3,
а в междоузлиях или в границах зерен поли-
кристаллической пленки. Данные работы [4]
свидетельствуют об уменьшение доли атомов
олова в электрически не активном двухва-
лентном состоянии с увеличением темпера-
туры подложки. Кроме того увеличение тем-
пературы подложки при получении пленок
ITO может приводить к увеличению концент-
рации атомов олова в объеме зерна в электри-
чески активном состоянии. Таким образом,
наблюдаемое улучшение электрических ха-
рактеристик пленок ITO может быть связано
как с релаксацией пленок и формированием
более совершенной текстуры, так и с изме-
нением состояния олова в решетке In2O3 с по-
вышением температуры подложки.
На рис. 2 приведены спектры оптическо-
го пропускания пленок ITO, полученных при
разных режимах магнетронного распыления,
в разных средах и при разных температурах
подложки.
Из рис. 2 видно, что спектры пропускания
тонких пленок ITO на стекле имеют характер-
ную волнообразную форму, которая опреде-
ляется интерференцией света в тонкой пленке
ITO. Наибольшее коротковолновое поглоще-
ние (380 нм) в пленках, полученных в среде
воздуха, наблюдается для кристаллических
пленок, осажденных при температуре подло-
жки 200 °С (коэффициент пропускания 35%).
С понижением температуры подложки про-
зрачность этих пленок в коротковолновом
диапазоне увеличивается, о чем свидетельст-
вует значение коэффициента пропускания
(77%) у пленок, полученных при температуре
подложки 20 °С. Эти результаты согласуются
с полученными данными по структуре и элек-
тросопротивлению пленок. Известно, чем
больше концентрация электронов в ITO, тем
меньше их прозрачность [6]. С другой сторо-
ны, аморфные пленки более прозрачны, чем
кристаллические.
В длинноволновом диапазоне (1000 нм)
коэффициент пропускания пленок, получен-
ных в среде воздуха на нагретых подложках,
выше, чем на не нагретых подложках.
а)
б)
в)
Рис. 2. Спектры оптического пропускания пленок ITO,
полученных в разных режимах и разных средах: а) – в
режиме DC в среде воздуха; б) – в режиме MF в газовой
среде Ar + O2; в) – в режиме DC в газовой среде Ar + O2.
А.И. БАЖИН, А.Н. ТРОЦАН, С.В. ЧЕРТОПАЛОВ, А.А. СТИПАНЕНКО, В.А. СТУПАК
348
Для пленок, полученных в среде Ar + O2
(рис. 2б), характер влияния температуры под-
ложки на поглощение в коротковолновой и
длинноволновой областях спектра одинаков:
с понижением температуры подложки про-
зрачность пленок растет (поглощение падает).
Ширину запрещенной зоны прямозонного
полупроводника, каким является ITO [1], оп-
ределяли в соответствии с [11] экстрапо-
ляцией линейного участка зависимости
[(– lnТ)hv]2 от hv на ось энергий (рис. 3). Зна-
чения ширины запрещенной зоны получен-
ных пленок ITO находятся в пределах 3,94 –
3,74 эВ, что хорошо коррелирует с литератур-
ными данными [6, 7], причем большее зна-
чение соответствует пленкам в аморфном сос-
тоянии, наименьшее – кристаллическим
пленкам с более высоким совершенством
текстуры.
Анализ спектров оптического пропускания
(рис. 2) и значений ширины запрещенной зо-
ны позволяет заключить, что снижение стру-
ктурного совершенства пленок уменьшает ко-
ротковолновое поглощение и одновременно
увеличивает длинноволновое поглощение и
ширину запрещенной зоны.
Подобные закономерности изменения
спектров поглощения пленок ITO и ширины
запрещенной зоны можно связать с эффектом
Бурштейна-Мосса [12]: с ростом концент-
рации свободных носителей, во-первых, уро-
вень Ферми сдвигается вглубь зоны прово-
димости, в результате чего уменьшается рабо-
та выхода ITO, увеличивается оптическая ши-
рина запрещенной зоны и соответственно
уменьшается коротковолновое поглощение;
во-вторых, одновременно увеличивается по-
глощение на свободных носителях, которое
проявляется в длинноволновой области
спектра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что в газовых средах воздуха и
смеси Ar + O2 независимо от режима реактив-
ного магнетронного распыления сплава
90%In + 10%Sn на стеклянных подложках при
комнатной температуре формируются амор-
фные пленки, которые обладают высокой
(> 80%) прозрачностью и высоким линейным
электросопротивлением (>106 Ом/см). На
стеклянных подложках, нагретых до темпе-
ратуры 200 °С, формируются кристалличес-
кие пленки ITO с преимущественной ориен-
тацией кристаллитов <111>. Режим распы-
ления влияет на степень совершенства текс-
туры: в режиме MF текстура пленок более со-
вершенна независимо от состава рабочего га-
за. Кристаллические пленки, полученные в
атмосфере воздуха в режиме DC при 200 °С,
сохраняют высокую прозрачность, а их ли-
нейное электросопротивление существенно
снижается (3⋅103 Ом/см) по сравнению с
аморфными. Наименьшим линейным сопро-
тивлением (30 Ом/см) обладают кристалли-
ческие пленки ITO, полученные в атмосфере
Ar + O2 в режиме MF, однако их прозрачность
снижена до 40%. Улучшение электрических
свойств пленок, осажденных на нагретые до
200 °С, может быть связано с повышением
подвижности носителей заряда, обусловлен-
ным как релаксацией напряжений в пленках
и формированием более совершенной тексту-
ры, так и увеличением числа ионов олова в
решетке In2O3 в электрически активном сос-
тоянии. Изменения оптических свойств пле-
нок ITO с изменением температуры стеклян-
ной подложки связаны с эффектом Бурштей-
на-Мосса. Значения ширины запрещенной
зоны зависят от структурного совершенст-
ва пленок ITO и лежат в интервале 3,74 –
3,94 эВ: чем меньше структурное совершенст-
во пленок, тем больше ширина запрещенной
зоны.
Рис. 3. Определение ширины запрещенной зоны пленок
ITO, полученных в режиме MF в газовой среде Ar + O2
при разных температурах подложки: 1 – 20 °С;
2 – 150 °С; 3 – 200 °С; 4 – стекло при 20 °С.
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ И СОСТАВА РЕАКЦИОННОГО ГАЗА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК ITO
ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 4, vol. 10, No. 4
349ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 4, vol. 10, No. 4
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Granqvist C.G., Hultaker A. Transparent and con-
ducting ITO films: new developments and ap-
plications//Thin Solid Films. – 2002. – Vol. 411.
– P. 1-5.
2. Oka N., KawaseYu., Shigesato Yu. High-rate
deposition of high-quality Sn-doped In2O3 films
by reactive magnetron sputtering using alloy
targets//Thin Solid Films. – 2012. – Vol. 520. –
P. 4101-4105.
3. Marcovitch O., KleinZ., LubezkyI. Transparent
conductive indium oxide film deposited on low
temperature substrates by activated reactive eva-
poration//Applied Optics. – 1989. – Vol. 28,
№ 14. – Р. 2792-2795.
4. Balasubramanian N., Subrahmanyam A. Electri-
cal and optical properties of reactively evaporated
indium tin oxide (ITO) films dependence on sub-
strate temperature and tin concentration//J. Phys.
D: Appl. Phys. – 1989. – Vol. 22. – P. 206-209.
5. Legeay G.A., Castel X. A gradual annealing of
amorphous sputtered indium tin oxide: Crystalline
structureand electrical characteristics//Thin Solid
Films. – 2012. – Vol. 520. – P. 4121-4125.F
6. Meng L.J., dos Santos M.P. Properties of indium
tin oxide (ITO) films prepared by r.f. reactive
magnetron sputtering at different pressures//Thin
Solid Films. – 1997. – Vol. 303. – P. 151-155
7. Tului M., Bellucci A., Bellini S., Albolino A., Mig-
liozzi G. Indium tin oxide coatings properties as a
function of the depositionatmosphere//Thin Solid
Films. – 2012. – Vol. 520. – P. 4041-4045.F
8. Strumpfeli J., May C.,Low ohm large area ITO
coating by reactive magnetron sputtering in DC
and MF mode//Vacuum. – 2000. – Vol. 59. –
Р. 500-505.
9. Юрченко Г.В.. Электрические и оптические
свойства пленок ITO, полученных методом
магнетронного распыления//ВАНТ. – 2000. –
№ 5. – С. 97-98.9l, M.P.
10. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н.
Рентгенографический и электроннографи-
ческий анализ. – М.: МИСИС, 2002. – 360 с.
11. Pradhan D., Leung K.T. Vertical Growth of Two-
Dimensional Zinc Oxide Nanostructures on ITO-
Coated Glass: Effects of Deposition Temperature
and Deposition Time//J. Phys. Chem. C. – 2008.
– Vol. 112, № 5 – P. 1357-1364.
12. Мосс Г., Баррелл Т. Полупроводниковая
оптоэлектроника. – М.: Мир, 1976. – 432 с.
LITERATURY
1. Granqvist C.G., Hultaker A. Transparent and con-
ducting ITO films: new developments and ap-
plications//Thin Solid Films. – 2002. – Vol. 411.
– P. 1-5.
2. Oka N., KawaseYu., Shigesato Yu. High-rate
deposition of high-quality Sn-doped In2O3 films
by reactive magnetron sputtering using alloy
targets//Thin Solid Films. – 2012. – Vol. 520. –
P. 4101-4105.
3. Marcovitch O., KleinZ., LubezkyI. Transparent
conductive indium oxide film deposited on low
temperature substrates by activated reactive eva-
poration//Applied Optics. – 1989. – Vol. 28,
№ 14. – R. 2792-2795.
4. Balasubramanian N., Subrahmanyam A. Electri-
cal and optical properties of reactively evaporated
indium tin oxide (ITO) films dependence on sub-
strate temperature and tin concentration//J. Phys.
D: Appl. Phys. – 1989. – Vol. 22. – P. 206-209.
5. Legeay o G.A., Castel X. A gradual annealing of
amorphous sputtered indium tin oxide: Crystalline
structureand electrical characteristics//Thin Solid
Films. – 2012. – Vol. 520. – P. 4121-4125.F
6. Meng L.J., dos Santos M.P. Properties of indium
tin oxide (ITO) films prepared by r.f. reactive
magnetron sputtering at different pressures//Thin
Solid Films. – 1997. – Vol. 303. – P. 151-155
7. Tului M., Bellucci A., Bellini S., Albolino A., Mig-
liozzi G. Indium tin oxide coatings properties as a
function of the depositionatmosphere//Thin Solid
Films. – 2012. – Vol. 520. – P. 4041-4045.F
8. Strumpfeli J., May C.,*, Low ohm large area ITO
coating by reactive magnetron sputtering in DC
and MF mode//Vacuum. - 2000. - Vol. 59. - R.
500-505.
9. Yurchenko G.V..Elektricheskie i opticheskie svoj-
stva plenok ITO, poluchennyh metodom magne-
tronnogo raspyleniya//VANT. – 2000. – № 5. –
S. 97-98.9l, M.P.
10. Gorelik S.S.,Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.
Rentgenograficheskij i elektronnograficheskij
analiz. – M.: MISIS. – 2002. – 360 s.
11. Pradhan D., Leung K.T. Vertical Growth of Two-
Dimensional Zinc Oxide Nanostructures on ITO-
Coated Glass: Effects of Deposition Temperature
and Deposition Time//J. Phys. Chem. C. – 2008.
– Vol. 112, № 5. – P. 1357-1364.
12. Moss G., Barrell T. Poluprovodnikovaya opto-
elektronika. – M.: Mir, 1976. – 432 s.
А.И. БАЖИН, А.Н. ТРОЦАН, С.В. ЧЕРТОПАЛОВ, А.А. СТИПАНЕНКО, В.А. СТУПАК
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101869 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:35:38Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бажин, А.И. Троцан, А.Н. Чертопалов, С.В. Стипаненко, А.А. Ступак, В.А. 2016-06-08T16:37:03Z 2016-06-08T16:37:03Z 2012 Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO / А.И. Бажин, А.Н. Троцан, С.В. Чертопалов, А.А. Стипаненко, В.А. Ступак // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 4. — С. 342-349. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101869 539.2: 538.975 Изучено влияние температуры подложки, состава рабочего газа и режимов DC и MF реактивного магнетронного распыления сплава 90%In + 10%Sn на структурное состояние, электрическое сопротивление, прозрачность и ширину запрещенной зоны пленок ITO, осажденных на стеклянные подложки. Установленная зависимость электронно-оптических свойств пленок ITO от условий их получения поясняется влиянием степени релаксации внутренних напряжений и кристалличности. Вивчено вплив температури підкладки, складу робочого газу і режимів DC і MF реактивного магнетронного розпилення сплаву 90%In + 10%Sn на структурний стан, електричний опір, прозорість і ширину забороненої зони плівок ITO, осаджених на скляні підкладки. Встановлена залежність електронно-оптичних властивостей плівок ITO від умов їх отримання пояснюється впливом ступеню релаксації внутрішніх напруг і кристалічності. The influence of substrate temperature, composition of the working gas and DC and MF modes of reactive magnetron sputtering of an alloy 90%In + 10%Sn on the structural state, electrical resistance, transparency, and the band gap of the films ITO, deposited on glass substrates have been studied. The dependence of electron-optical properties of ITO films on the conditions of their production explains by the influence of the relaxation of internal stresses and crystallinity. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO Бажин, А.И. Троцан, А.Н. Чертопалов, С.В. Стипаненко, А.А. Ступак, В.А. |
| title | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO |
| title_full | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO |
| title_fullStr | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO |
| title_full_unstemmed | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO |
| title_short | Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO |
| title_sort | влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ito |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101869 |
| work_keys_str_mv | AT bažinai vliânierežimamagnetronnogoraspyleniâisostavareakcionnogogazanastrukturuisvoistvaplenokito AT trocanan vliânierežimamagnetronnogoraspyleniâisostavareakcionnogogazanastrukturuisvoistvaplenokito AT čertopalovsv vliânierežimamagnetronnogoraspyleniâisostavareakcionnogogazanastrukturuisvoistvaplenokito AT stipanenkoaa vliânierežimamagnetronnogoraspyleniâisostavareakcionnogogazanastrukturuisvoistvaplenokito AT stupakva vliânierežimamagnetronnogoraspyleniâisostavareakcionnogogazanastrukturuisvoistvaplenokito |