氧化銦錫(ITO)防靜電薄膜的性能測(cè)試分析

2009-04-13 趙印中 表面工程技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

ITO的成分測(cè)試分析

         表1 是輻照前后ITO膜的成分測(cè)試分析結(jié)果。可以看出,輻照后ITO膜的氧組分比例明顯增加,Sn 對(duì)In的原子濃度比例稍微減少。ITO組分比例的變化,可能是由于帶電粒子(電子、質(zhì)子)輻照時(shí),對(duì)材料產(chǎn)生的濺射效應(yīng)引起的。ITO薄膜在退火后雖然性能比較穩(wěn)定,結(jié)晶也比較,但由于其為化合物,在濺射時(shí)會(huì)存在元素的選擇濺射而使其組分比例發(fā)生變化。

輻照前后ITO 膜的成分含量原子濃度分?jǐn)?shù)變化 

表1 輻照前后ITO 膜的成分含量(原子濃度分?jǐn)?shù))變化

ITO 的表面微觀結(jié)構(gòu)分析

         圖1 和圖2 是輻照前后ITO 膜的表面微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果?梢钥闯觯椪涨昂驣TO 膜的表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,即輻照前ITO的表面微觀結(jié)構(gòu)致密而均勻,而輻照后產(chǎn)生很多缺陷。

ITO的表面微觀結(jié)構(gòu)分析  

          輻照后ITO 晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷產(chǎn)生,可能是由2 個(gè)因素引起的:

        (1)由輻照對(duì)材料產(chǎn)生的濺射效應(yīng)引起的,濺射不僅使ITO 組分比例發(fā)生變化,還直接在表面形成一些缺陷。

       (2)可能是由于輻照產(chǎn)生的熱效應(yīng)而引起的。

        根據(jù)工控論壇提供的資料,綜合電子質(zhì)子輻照能夠?qū)ΣAР牧显斐杀砻娉潆姾腕w充電效應(yīng)。雖然ITO 膜具有一定導(dǎo)電性,可以消除表面充電效應(yīng),但由于ITO 膜很薄,僅十幾納米厚,而輻照時(shí)電子質(zhì)子的能量足夠穿透ITO 進(jìn)入玻璃基底材料產(chǎn)生體充電效應(yīng)。這樣體充電效應(yīng)產(chǎn)生了很強(qiáng)電場(chǎng),導(dǎo)致局部電位超過(guò)玻璃材料的擊穿電壓而發(fā)生放電現(xiàn)象。放電時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流釋放大量的熱,使基底材料表面局部溫度急劇升高而對(duì)ITO薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

ITO的光學(xué)性能變化

         圖3 是ITO 樣品在輻照前后的透過(guò)光譜測(cè)試結(jié)果?梢钥闯,ITO 樣品的光學(xué)性能變化很小。結(jié)合以上的XPS 和AFM 分析結(jié)果,認(rèn)為這可能是由于氧組分比例增加使ITO 透過(guò)率增加,與ITO 表面微觀結(jié)構(gòu)被破壞(散射增加)而使ITO 透過(guò)率減少,造成2 種效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

 輻照前后ITO 樣品的透過(guò)光譜變化

圖3 輻照前后ITO 樣品的透過(guò)光譜變化(1為輻照前,2為輻照后)

ITO 的電學(xué)性能變化


         表2 是輻照前后ITO樣品表面電阻的測(cè)試結(jié)果?梢钥闯,輻照后表面電阻有所增大,但與輻照前仍處于1 個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)自動(dòng)化論壇的資料,薄膜的表面電阻即使高達(dá)106kΩ,充電電位仍小于100V,具備較好的抗靜電放電性能。因此,對(duì)于空間應(yīng)用的透明防靜電功能來(lái)說(shuō),影響不大,說(shuō)明ITO 薄膜的耐輻照性能比較好,空間穩(wěn)定性很好。

輻照前后ITO 的表面電阻變化 

表2 輻照前后ITO 的表面電阻變化

        ITO的表面電阻增大,應(yīng)是ITO膜的氧組分增加,使氧空穴以及Sn4+的含量下降而使電阻增加,和ITO產(chǎn)生晶體缺陷而使電阻增加所共同作用的結(jié)果。

        根據(jù)ITO薄膜的導(dǎo)電機(jī)理,氧缺位即In2O3-x 結(jié)構(gòu)的存在,使其具有過(guò)剩的自由電子,表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性;同時(shí),銦錫離子體積大小一致,高價(jià)正離子Sn4+以替代In3+的形式摻雜在In2O3 形成的晶格中,在替代位置的Sn4+會(huì)提供導(dǎo)電電子到導(dǎo)帶,形成n 型摻雜,提高了ITO 薄膜的導(dǎo)電性能。因此,輻照后ITO膜中氧含量的增加、Sn 對(duì)In 原子比例的減少,會(huì)使氧空穴以及Sn4+的含量下降,從而使自由電子減少,電阻增大。另外,ITO 產(chǎn)生晶體缺陷后,自由電子的散射作用增加,遷移率減少,也使電阻增大。

通過(guò)試驗(yàn)及分析,得出以下結(jié)論:

        (1)輻照會(huì)使ITO 的表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,產(chǎn)生晶體缺陷;同時(shí),ITO 的組分也發(fā)生變化,輻照后ITO 膜的氧組分比例明顯增加,Sn 對(duì)In 的原子濃度比例稍微減少;

        (2)輻照后ITO 的表面電阻增大,光譜透過(guò)率變化不大;

        (3)對(duì)于空間應(yīng)用ITO 膜的透明防靜電功能來(lái)說(shuō),輻照前后ITO 膜的光學(xué)性能變化很小,表面電阻雖有所增大,但仍處于1 個(gè)數(shù)量級(jí),因此對(duì)其使用功能來(lái)說(shuō),影響不大。說(shuō)明ITO 薄膜的耐輻照性能比較好,空間穩(wěn)定性很好。