CN101294272A - 柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子材料技术领域，特别是涉及一种柔性衬底室温下溅射制备氧化铟锡透明导电薄膜的方法；其步骤包括：清洗、充工作气体、紫外线辐照、阻挡层制备、溅射氧化铟锡膜；通过在线紫外辐照，在氩氧比为(6.0～7.5)∶0.2，采用射频溅射或直流溅射，实现在室温下，在预先镀覆二氧化硅层作为扩散阻挡层的有机柔性衬底上高效无损伤制备氧化铟锡薄膜。氧化铟锡薄膜的厚度为700nm时，电阻率为3.5×10^－4Ωcm，方块电阻为5Ω，可见光透过率为88％，且膜层均匀平整，不起皱，不脱落。与传统的柔性氧化铟锡薄膜制备工艺相比，本发明无需加热、工艺控制简单、对基体无损伤，适用于大面积生产，且具有良好的光电特性。

Description

柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，特别是涉及一种室温下溅射制备柔性氧化铟锡透明导电薄膜的方法。

背景技术

越来越多的电子器件朝着柔性化、超薄化的方向发展，而有机柔性衬底氧化铟锡薄膜不但具有与玻璃衬底氧化铟锡膜相同的透明导电特性，而且由于其可卷曲、可挠曲、重量轻、不易破碎、易于大面积生产、便于运输等独特优点，被广泛地应用于平板显示器件，大面积异质结薄膜太阳电池、大面积透明电磁屏蔽、柔性光电器件及触敏覆盖层等领域，因此国际上对有机柔性衬底氧化铟锡膜的需求日益迫切。

现已出现了多种柔性氧化铟锡透明导电的制备方法。M.Buchanan等人采用磁控溅射，在衬底温度为130℃的条件下，分别以玻璃和聚酯薄膜为衬底制备出电阻率为4×10^-4Ω·cm，膜厚为80nm，可见光透过率大于85％的氧化铟锡透明导电膜；John C.C.Fan等人利用离子束溅射方法，在衬底温度为100℃的条件下，在聚脂薄膜衬底上制备了电阻率约为5.5×10^-4Ω·cm，可见光透过率超过了80％的氧化铟锡透明导电薄膜；CN 200610013295.1专利采用电子束蒸发，在衬底温度为100℃的条件下，在聚酰亚胺衬底上制备了电阻率为2.168×10^-4Ω·cm，方块电阻为22，可见光透过率为90％的氧化铟锡透明导电薄膜。

有机柔性衬底不同于玻璃衬底，普遍存在软化点低、耐热性差、热稳定性差的缺点，受热时容易在热应力的作用下发生形变，或发生裂解产生碳氢化合物而污染氧化铟锡薄膜。但如果沉积过程中衬底温度过低，则会影响氧化铟锡薄膜的生长，导致膜层表面粗糙、晶粒尺寸偏小、电阻率偏大、可见光透射率偏低等问题。上述现有技术虽然能够获得光电性能较好的氧化铟锡薄膜，但是，普遍存在以下缺陷：

1.上述这些现有技术仍然需要对衬底进行加热，这必然会导致衬底变性、变型，影响使用；

2.制备中的工艺参数要求苛刻，需要严格控制氧分压、溅射功率等制备工艺，否则难以获得理想的氧化铟锡膜；

3.没有在有机衬底上设置扩散阻挡层，随着时间的推移，衬底成分会扩散到氧化铟锡薄膜中，导致氧化铟锡掺杂而过早失效；

4.难以实现大面积均匀成膜，也难以进行产业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在室温条件下制备出优良光电性能的柔性氧化铟锡透明导电薄膜的方法。

本发明是通过以下方法实现上述目的：其工艺步骤包括：清洗、抽真空、充工作气体、紫外线在线辐照、阻挡层制备、氧化铟锡膜制备；其中：

清洗：将有机柔性衬底用电子清洗剂擦洗后，用去离子水超声清洗；再用无水乙醇超声清洗；然后干燥；

抽真空：将上述经清洗的柔性衬底置于磁控溅射设备内抽真空；

充工作气体：向磁控溅射设备内通入氩气和氧气，调节流量，保持氩氧比在(6.0～7.5)∶0.2，工作气体总压强为5×10^-1Pa；

紫外线在线辐照：接通真空钟罩内的紫外线灯，对基片进行等离子体清洗，并提高参与溅射分子的活性；

阻挡层制备：紫外线辐照下，用二氧化硅靶作靶材，阴极靶到衬底的靶基距为6～8cm，采用射频磁控溅射法在已清洗的有机柔性衬底上镀覆二氧化硅膜层作为扩散阻挡层；

氧化铟锡膜制备：在室温条件下，采用紫外线辐照，用氧化铟锡陶瓷靶作靶材，阴极靶到柔性衬底的靶基距为6～8cm，用射频磁控溅射与直流磁控溅射中的一种磁控溅射，在已镀覆二氧化硅膜层的柔性衬底上磁控溅射氧化铟锡薄膜。

所述的柔性衬底为：聚脂、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙中的任一种透明度好、热稳定性优良、耐腐蚀性好的有机材料。

所述的阻挡层制备工艺中，选用纯度99.99％的石英材料构成的二氧化硅靶材，采用射频磁控溅射，在工作压强为5×10^-1Pa、射频功率为200W～500W下，镀覆于在所述柔性衬底上，二氧化硅薄膜膜厚为10～40nm。

所述紫外线灯的辐射波长为100～400nm；

所述的氧化铟锡靶材为陶瓷靶，其化学成分为氧化铟∶氧化锡＝90∶10～80∶20(wt％)；

所述的氧化铟锡薄膜采用氧化铟锡陶瓷靶作靶材，调节直流溅射功率为200W～500W，或射频溅射功率为350W～500W，用磁控溅射在已镀覆二氧化硅膜层的柔性衬底上室温制备氧化铟锡薄膜；

所述的磁控溅射源为平面靶磁控溅射源、柱型靶磁控溅射源、或S-枪磁控溅射源的一种。

使用本发明所述的工艺方法在聚酰亚胺、聚乙烯对苯二甲酯等衬底上制备的氧化铟锡薄膜，其厚度为100～1000nm。当氧化铟锡薄膜厚度为700nm时，其电阻率为3.5×10^-4Ω·cm，方块电阻为5Ω，可见光透过率为88％，膜层均匀平整，不起皱，不脱落。

本发明由于采用在室温条件下紫外线在线辐照的步骤，因而不必严格控制工艺条件与靶材配比就能在柔性衬底上获得电阻率低、透光率高的氧化铟锡膜。与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、柔性衬底无需加热，对基体不产生损伤；

2、二氧化硅扩散阻挡层的设置能有效阻挡衬底杂质的扩散，有利于保证氧化铟锡膜的寿命；

3、由于紫外线在线辐照，大大提高了氧元素等参与溅射分子的活性，增强了溅射粒子在薄膜中的迁移率，所以能在室温条件下制备出光电性能优良的氧化铟锡薄膜，并极大地降低了对工艺参数的要求；

4、能适用于大面积均匀镀膜生产，便于进行产业化生产。

附图说明

图1是柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜设备的结构示意图。

附图标号说明：1-真空钟罩，2-镀膜机盖板，3-紫外线灯控制器，4-直流溅射电源，5-射频溅射电源，6、7-针阀，8-高真空获得设备，9-紫外线灯，10-氧化铟锡阴极靶，11-磁控溅射源、12-磁控溅射源，13-二氧化硅阴极靶，14-挡板，15-有机衬底，16-行星转动基片架，17-靶基距，18-二氧化硅膜，19-氧化铟锡膜。

具体实施方式

参照图1：本发明所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡薄膜的设备，它包括真空钟罩1和镀膜机盖板2，在镀膜机盖板2内侧密封设置有磁控溅射源11、12，氧化铟锡阴极靶10和二氧化硅阴极靶13分别安装在磁控溅射源11、12的靶座上，在真空钟罩1内设置有行星转动基片架16，所述行星转动基片架16位于靶10和13的下方，在所述行星转动基片架16与磁控溅射源11、12之间的布置有紫外线灯9，在所述镀膜机盖板2外侧分别设置有紫外线灯控制器3、直流溅射电源4和射频溅射电源5，直流溅射电源4和射频溅射电源5分别与磁控溅射源11、12电学连接，紫外线灯控制器3与紫外线灯9电学连接，所述真空钟罩1上还分别连接有高真空获得设备8、氩气针阀6和氧气针阀7，所述行星转动基片架16与氧化铟锡磁控阴极靶10和二氧化硅阴极靶13的之间的靶基距17为6～8cm，在行星转动基片架16的表面能够安装有机衬底15，在阴极靶10、13与行星转动基片架16之间设有可转动的挡板14，所述的磁控溅射源11、12采用平面靶磁控溅射源、柱型靶磁控磁控溅射源、S-枪磁控溅射源的一种，氧化铟锡阴极靶10为压制成型的氧化铟锡商品陶瓷靶，其氧化铟和氧化锡的重量百分比范围在：氧化铟：80～90，氧化锡：10～20(wt％)；二氧化硅阴极靶13由纯度大于99.99％的石英板材制成；所述紫外线灯9的波长为100～400nm。紫外线灯9可以安装在真空室内，也可以在真空钟罩1上布置一个能透射紫外光的视窗，将紫外灯装在真空室外。

柔性衬底上室温制备柔性氧化铟锡透明导电薄膜的方法主要采用清洗、抽真空、充工作气体、紫外线在线辐照、阻挡层制备、氧化铟锡膜制备工艺步骤：

清洗：将有机柔性衬底15用电子清洗剂擦洗后，用去离子水超声清洗；再用无水乙醇超声清洗；然后置于酒精蒸汽中干燥；将干燥的有机衬底15安装在行星转动基片架16上；

抽真空：将上述经清洗的柔性衬底置于磁控溅射设备内抽真空，盖上镀膜机盖板2，对真空钟罩1内部抽真空到5×10^-3Pa；

充工作气体：通过针阀6、针阀7依次向真空钟罩1内部动态充入配比为(6.0～7.5)∶0.2的纯度为99.999％的氩气、氧气；工作气体总压强为5×10^-1Pa；

紫外线在线辐照：接通紫外线灯9，对有机柔性衬底15进行等离子体清洗，并提高参与溅射分子的活性；

阻挡层制备：在室温条件、紫外线在线辐照下，用二氧化硅靶作靶材，阴极靶到衬底的靶基距17为6～8cm，转动基片架16，开启接在磁控溅射源12上的射频溅射电源5，调节射频匹配，将射频功率调到200～500W，先向有机衬底15镀覆厚度为10～40nm的二氧化硅膜18作为扩散阻挡层；

氧化铟锡膜制备：有机衬底15镀覆二氧化硅膜18后，在室温条件下，采用紫外线辐照，用氧化铟锡陶瓷靶作靶材，氧化铟锡阴极靶10到柔性衬底15的靶基距17为6～8cm，转动基片架，开启接在磁控溅射源11上的直流溅射电源4，调节溅射功率到200～500W，镀覆氧化铟锡膜19，其厚度为100～1000nm。也可以采用射频溅射沉积氧化铟锡薄膜，将射频电源5接到磁控溅射源11上，调节射频溅射功率为350～500W，镀覆氧化铟锡膜19，其厚度为100～1000nm。

实施例1

将面积为10cm×10cm的聚酰亚胺衬底放入电子清洗剂擦洗后，用去离子水超声清洗数遍，再用无水乙醇超声清洗；然后干燥，置于射频磁控溅射设备的真空钟罩1内抽真空；动态通入氩气和氧气，调节流量，使得氩氧比保持为(6.0～7.5)∶0.2，工作总压强为5×10^-1Pa；接通真空钟罩1内工作波长为365nm的紫外线灯9进行在线紫外辐照；采用射频磁控溅射，射频功率为300W时，在聚酰亚胺衬底上预先镀覆膜层厚度为10nm的二氧化硅膜18；采用成分比例为90∶10(wt％)的氧化铟锡陶瓷靶作靶材，用直流磁控溅射沉积氧化铟锡膜，选择靶基距为6cm，调节直流溅射功率为200W，溅射时间为20min，在室温下所制备的氧化铟锡薄膜19，其电阻率为3.5×10^-4Ω·cm，方块电阻为5Ω，膜厚为700nm，可见光透过率为88％。

实施例2

将面积为10cm×10cm的聚乙烯对苯二甲酯衬底放入电子清洗剂擦洗后，用去离子水超声清洗数遍，再用无水乙醇超声清洗；然后干燥，置于射频磁控溅射设备的真空钟罩1内抽真空；动态通入氩气和氧气，调节流量，使得氩氧比保持为(6.0～7.5)∶0.2，工作总压强为5×10^-1Pa；接通工作波长为365nm的紫外线灯9；采用射频磁控溅射，射频功率为300W时，在聚酰亚胺衬底上预先镀覆膜层厚度为10nm的二氧化硅膜18；采用成分比例为80∶20(wt％)的氧化铟锡陶瓷靶作靶材，用射频磁控溅射沉积氧化铟锡膜，选择靶基距为6cm，调节射频溅射功率为350W，溅射时间为20min，在室温下所得的氧化铟锡薄膜19，其电阻率为3.0×10^-4Ω·cm，方块电阻为5Ω，膜厚为600nm，可见光透过率为89％。

由例1、例2在聚酰亚胺、聚乙烯对苯二甲酯等衬底上分别采用直流溅射和射频溅射制备的氧化铟锡薄膜19，其电阻率小于3.5×10^-4Ω·cm，可见光透过率大于88％。且膜层均匀平整，不起皱，不脱落。使用本发明所述的

真空设备和工艺条件制备的氧化铟锡薄膜工艺简单、成本低、易于大规模生产，且具有良好的光学性能，完全能适用于液晶显示器、薄膜太阳电池、建筑用节能视窗等众多相关领域。

Claims (13)

1.一种柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于包括下述步骤：清洗、抽真空、充工作气体、紫外线在线辐照、阻挡层制备、氧化铟锡膜制备；各步骤的内容如下：

清洗：将有机柔性衬底电子清洗剂擦洗后，用去离子水超声清洗；再用无水乙醇超声清洗；然后干燥；

抽真空：将清洗好的有机衬底置于磁控溅射设备内抽真空；

充工作气体：输入氩气和氧气，调节流量，使得总压强保持在5×10^-1Pa；

紫外线在线辐照：接通真空钟罩内的紫外线灯进行在线辐照；

阻挡层制备：紫外线在线辐照下，用二氧化硅作靶材，采用射频磁控溅射法在已清洗的有机柔性衬底上镀覆二氧化硅膜作为扩散阻挡层；

氧化铟锡薄膜制备：在室温条件下，采用紫外线在线辐照，用氧化铟锡陶瓷靶作靶材，采用射频磁控溅射与直流磁控溅射中的一种磁控溅射，在已镀覆二氧化硅膜的柔性衬底上沉积氧化铟锡薄膜。

2.按照权利要求1所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的柔性有机衬底为：聚脂、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龙中的任一种透明度好、热稳定性优良、耐腐蚀性好的有机薄膜材料。

3.按照权利要求1所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的氧化铟锡靶材为陶瓷靶，其氧化铟和氧化锡的重量百分比范围在：氧化铟：80～90，氧化锡：10～20(wt％)。

4.按照权利要求1所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的氧化铟锡薄膜采用射频磁控溅射制备，其射频溅射功率为350W～500W。

5.按照权利要求1所述的柔性衬底上常温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的氧化铟锡薄膜采用直流磁控溅射制备，其直流溅射功率为200W～500W。

6.按照权利要求1所述的柔性衬底上常温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的氧化铟锡薄膜的厚度为100～1000nm。

7.按照权利要求1所述的柔性衬底上常温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的磁控溅射源为平面靶磁控溅射源、柱型靶磁控溅射源、S-枪磁控溅射源的一种。

8.按照权利要求1或2所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的二氧化硅薄膜的膜厚为10～40nm。

9.按照权利要求1或2所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜方法，其特征在于所述二氧化硅靶材为纯度99.99％的石英材料构成。

10.按照权利要求1或3所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的工作气体为氩气和氧气，其比例为(6.0～7.5)∶0.2，其总压强为5×10^-1Pa。

11.按照权利要求1所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的紫外线灯的波长为100～400nm。

12.按照权利要求1所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的紫外线灯布置在真空钟罩内。

13.按照权利要求1所述的柔性衬底上室温溅射沉积氧化铟锡透明导电薄膜的方法，其特征在于所述的紫外线灯通过一个能透射紫外线的视窗布置在真空钟罩外部。

Images