2024年7月24日发(作者：司寇惠君)
热处理对磁控溅射法制备p-ITO(40 nm)薄膜特性的影响
王效坤;朴祥秀;孟雷;房伟华;刘飞
【摘 要】为改善在实际生产中,p-ITO在膜厚较薄时所表现出的多种不良,如退火后
膜质存在花斑不良 、膜层易被刻蚀液腐蚀等,进行退火对p-ITO薄膜特性影响的研
究.本实验利用磁控溅射法在玻璃基板上制备出40 nm厚度的p-ITO膜,并在氮气
环境中对膜层进行不同温度和时间的退火处理.分别采用XRD、AFM和SEM对p-
ITO的结晶度和微观结构进行表征,并使用四探针(4-point probe,4P)和自动光学测
试设备分别测试其方块电阻和光透射率.测试结果表明:p-ITO结晶温度相对于 α-
ITO存在严重滞后性;α-ITO(40 nm)230℃ 已结晶充分,而p-ITO在230℃ 才开始
结晶;p-ITO在230～250℃ 时结晶程度及均一性较差,导致多种特性的不稳定,比如
膜质花斑状颜色差异(花斑不良),方块电阻 、膜层厚度均一性差,膜层易受腐蚀等;退
火温度提高到260～270℃ 时结晶基本完全,对薄膜的各种特性改善效果显著,如方
块电阻降低 、光透射率增加 、花斑和腐蚀改善等.测试数据还反映出玻璃中部位置
相对于边缘位置结晶程度差,可能原因为退火设备实际生产时玻璃中间位置热风阻
力较边缘位置大,受热不充分导致.适当提高退火温度和时间,对p-ITO实际生产中遇
到的多种不良有显著改善效果.
【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2019(034)004
【总页数】9页(P386-394)
【关键词】花斑不良;磁控溅射;方块电阻;透过率;薄膜晶体管
【作 者】王效坤;朴祥秀;孟雷;房伟华;刘飞
【作者单位】合肥京东方光电科技有限公司,安徽合肥 230012;合肥京东方光电科
技有限公司,安徽合肥 230012;合肥京东方光电科技有限公司,安徽合肥 230012;合
肥京东方光电科技有限公司,安徽合肥 230012;合肥京东方光电科技有限公司,安徽
合肥 230012
【正文语种】中 文
【中图分类】TB31;TB34;TB43
1 引 言
氧化铟锡(ITO，重掺杂Sn的In2O3)膜是一种n型半导体陶瓷薄膜，以其高的可
见光透射率、高的电导率，坚固、耐碱、耐高温及好的酸刻、光刻性能等优良特性
[1-3]，被广泛应用于电子工业、屏蔽防护、光电子器件、液晶显示器件及太阳电
池等行业[4-5]。在液晶显示领域，随着显示器件的超清、超薄、窄边框和低能耗
等高性能需求的发展，在高透光率、低电阻率和大面积均匀性等光电性能上对ITO
薄膜提出了更高的要求[6]，尤其对ITO成膜过程中的particle(pt)要求越来越苛刻。
p-ITO材料因其在成膜过程中产生较少的pt，设备维护周期长，较好的刻蚀性(刻
蚀后ITO 残留少)等优点，得到越来越广泛的应用。但是，在实际生产过程中，p-
ITO膜层较薄时，也表现出一定的劣势。比如，退火后的方块电阻(Square
resistance，Rs)较α-ITO高，膜质易出现花斑状不良，光透射率低等；在对应
ADS产品的1st ITO(多为40 nm)生产时，相对于α-ITO，p-ITO薄膜中In更易
被后续工艺中还原性气体还原导致In析出；以及1st ITO层在退火后更易受到腐
蚀等。针对这些实际生产中遇到的问题，如何改善是亟待解决的问题。
需要说明的是，p-ITO的“p”是晶相(Phase)的意思。ITO 中Sn有2种晶相，α-
ITO的第2种晶相的面积占比较小，第2种晶相的电阻比第一种晶相的电阻率要
高很多；而p-ITO在靶材制作过程中通过特定的手法，控制让第2种晶相分布较
多，面积较大，即所谓的富Sn相(Sn-rich phase)。p-ITO的第2种晶相的电阻和
第一种晶相的电阻率相差并不大，平均电阻也变得相对较低。
本实验中,用直流磁控溅射沉积法在玻璃基板表面沉积p-ITO 40 nm的薄膜,在N2
环境下对薄膜进行退火处理，通过阵列宏微观缺陷检查机(Macro/Micro，MM)设
备分析薄膜微观形貌，使用AFM和SEM设备分析膜面的表面形貌特征，利用
XRD设备研究其结晶情况，并采用四探针设备(4-point probe，4P)测试其方块电
阻Rs，K-MAC(Korea Materials & Analysis Corp.)的光学测试设备测试其膜厚
(THK)和光透射率，分析探讨p-ITO薄膜在退火过程中的变化机理，并进一步探究
了p-ITO在TFT元器件工业化生产方面遇到问题的改善方向。本文涉及的p-ITO
和α-ITO数据无特别说明外，均指厚度为40 nm p-ITO和α-ITO的数据。
2 实 验
本文采用ULVAC的SMD-1800V型立式磁控溅射镀膜机在玻璃基板表面沉积p-
ITO膜，p-ITO靶材购买自Samsung。本底真空度小于5.0×10-4Pa，氩气纯度
为99.9999%，购买自Air Liquid。玻璃基板购买自彩虹光电科技股份有限公司，
其尺寸为1 850 mm×1 500 mm，厚度为0.5 mm。成膜工艺如表1所示。
表1 p-ITO样品制备条件Tab.1 Deposition process parameters for p-ITO
samples温度/℃ 功率/kW Ar流量/(mL·min-1)压力/Pa 时间/s H2O流量
/(mL·min-1)O2流量/(mL·min-1)256.5/5.512000.422300
采用KOYO CCBS-2-1480型退火设备对样品进行退火处理，各样品退火条件如
表2所示。
表2 不同退火工艺条件Tab.2 List of anneal process parameters 工艺参数样
品序号 温度/℃ 气氛时间/min
S1180N232S2200N232S3220N232S4230N232S5230N260S6230N2120S725
0N232S8250N260S9250N290S10260N232S11270N232S12280N232
本文所采用的阵列宏微观缺陷检查机(MM)是DE &T的MM1850A型；场发射扫
描电镜(FE-SEM)为Hitachi的S-4800型；原子力显微镜AFM为South Korea
XE-150型；使用的四探针测试仪是NAPSON的RS-1300型；光学测试设备为
K-MAC ST8000型。X射线衍射仪(XRD)为D/MAX-2500V型，2θ扫描范围
20°～80°。
3 实验结果与讨论
3.1 MM微观检测结果分析
图1 膜质花斑状颜色异常图(a)和正常膜质图(b)Fig.1 Spots defect picture(a)
compared with normal picture(b)
在不同退火工艺参数条件下的p-ITO膜层，采用MM设备进行膜层光学检测，测
试结果显示随着退火温度的增加，p-ITO膜质开始出现花斑状颜色异常；花斑状
颜色异常不良对比如图1所示。
随着退火温度和时间的进一步增加，花斑状颜色异常不良逐渐改善并消失。花斑不
良出现/消失的退火温度和时间结果如图2、图3所示。
图2 花斑状不良的退火温度和退火时间发生区域图Fig.2 Diagram of spots
defect formation versus annealing temperature and time
图3 花斑状不良随退火温度和时间发生图Fig.3 Trend diagram of spots defect
formation versus annealing temperature and time
从测试结果看，退火温度对花斑不良的影响效果大于退火时间，温度和时间对花斑
不良的出现和消失均有影响。
对比图3中间和边缘位置的测试结果，可见样品中间位置相对于边缘位置，花斑
状不良的出现和消失温度均有滞后性。推测原因为样品进行退火时，玻璃逐层放置
在烘箱内，玻璃层与层间距较小，中间位置热风流动阻力大于边缘位置，和热风接
触不充分，导致玻璃中间和边缘位置产生差异性。设备实际生产时，要全面消除
p-ITO花斑状不良，可以以中间位置测试结果为标准，优先选择适量提高退火温
度，其次考虑增加退火时间。
图4 不同退火条件的p-ITO SEM图(J：角部位置，Z：中间位置)Fig.4 SEM
images of p-ITO thin film under various annealing temperature and time(J：
corner position；Z：center position)
3.2 SEM表面形貌和XRD图谱分析
在不同退火工艺参数条件下的p-ITO薄膜，所制样品采用SEM进行表面形貌表征，
结果如图4所示。图中“J”表示样品的角部(边缘)位置，“Z”代表样品的中间位
置。从J0～J5及Z0～Z5测试结果可以看出，当温度较低时，未见晶粒结构；随
着温度的升高，p-ITO由非晶逐渐向多晶转变；温度达到230 ℃时开始出现晶粒
结构，260～270 ℃时晶粒结构趋于稳定。
对比J2和Z2，可见J2晶粒结构明显多于Z2；分别对比其它测试条件结果，也均
为边缘位置结晶程度优于中间位置。说明边缘位置的实际受热程度优于中间位置，
和图3 MM测试花斑不良的发生情况一致。
图5 不同退火条件的p-ITO XRD图谱。(a)中间位置；(b) 角部位置。Fig.5 XRD
spectra of p-ITO thin film under various annealing temperature and
time(a)Center position；(b) Corner position.
图5为不同退火条件的测试样品的XRD图谱。从中可以看出，230 ℃以下退火温
度制备的样品，和未退火的样品一样，均为平滑的曲线，为典型的非晶结构[7]。
这是由于退火温度较低，溅射到基片表面的粒子没有足够的能量进行迁移，导致薄
膜的结晶性较差[8]。随着退火温度的升高，达到230 ℃以上时，开始出现多个尖
锐明显的特征峰，说明样品已转变为以(222)为主要晶向的多晶结构[9]。综合对比
XRD测试图谱，p-ITO 230 ℃开始出现结晶现象；当温度达到260～270 ℃时，
结晶基本完全。通过对比相同退火温度条件下中间位置和角部位置测试样品的衍射
峰的强度可知，中间位置的结晶性较边缘位置差。比较显著的是，230 ℃样品边
缘(角部)位置可见明显特征衍射峰，而中间位置未见明显特征衍射峰。再次印证了
因热对流型退火设备局限性原因，边缘位置较中间位置加热更充分，这也和图4
的SEM测试数据及图3的MM检测的花斑不良数据结论一致。
3.3 Rs、THK和TR测试结果分析
图6 Rs随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.6 Trend diagram of square
resistance versus annealing temperature(32 min)
a:250℃,32 min; b:250℃,90 min; c:260℃,32 min; d:260℃,60 min; e:270℃,32
min; f:270℃,45 min图7 Rs随退火温度和时间变化趋势图Fig.7 Trend diagram
ofsquare resistance versus annealing temperature and time
图6是Rs随退火温度变化趋势图。从图中可以看出，Rs值随退火温度增加逐渐
降低，当温度达到260 ℃时趋于稳定。随着退火温度增高，ITO 薄膜的结晶性增
强，晶界对载流子的散射降低，提高了载流子的迁移率；且高温退火使残留在薄膜
中的氧原子、表面吸附的氧原子和其他杂质粒子释放到退火环境中，提高载流子浓
度[8]。当温度升高到230～250 ℃时，Rs均匀性值增高，并在250 ℃时达到最高，
后随温度升高均匀性再次降低。因为230～250 ℃为膜层结晶初始阶段，结晶均
匀性差，晶体结构和晶界散射差异性大等导致Rs均匀性差。当温度高于250 ℃时，
结晶程度及差别得到优化。图7是Rs随退火温度和时间的变化趋势图。从图中可
以看出，温度高于250 ℃，退火时间增加使Rs均匀性均有降低，增加退火时间可
以进一步优化晶粒。当温度高于260 ℃时，Rs均匀性值降低并不明显，结晶整体
已趋于稳定。图8是α-ITO随退火温度趋势图，从图可知，α-ITO在 230 ℃时
Rs已稳定，趋于结晶完全。对比图6～8可知，p-ITO相对于α-ITO的结晶温度
要高，结晶温度存在严重滞后性。
图8 α-ITORs随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.8 Trend diagram of α-ITO
square resistance versus annealing temperature(32 min)
图9 膜厚随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.9 Trend diagram ofthickness
versus annealing temperature(32 min)
图9是膜厚随退火温度变化趋势图。从图中可以看出，低于230 ℃时，膜厚随温
度增加有降低趋势；此温度下膜层为非晶状态，随着温度增加，原子获得能量进行
迁移，微观结构优化排列所致。当温度高于230 ℃时，随温度增加膜厚有增加趋
势，当温度达到260 ℃时基本趋于稳定；此时膜层开始结晶， 膜厚略微增加应和
晶像生长相关。均匀性同样在温度为250 ℃时达到最大值，和此温度下结晶不充
分，结晶差别较大相关。图10 是膜厚随退火温度和时间的变化趋势图。从图中可
以看出，在250 ℃时，膜厚随时间增加仍有轻微增加；当温度达到260 ℃及以上
时，膜厚无明显变化趋于稳定。增加退火时间，均匀性均有轻微降低，说明晶向在
进一步优化，膜层厚度趋向均匀。图11是α-ITO 膜厚随退火温度变化趋势图，由
图可知，α-ITO 在230 ℃时膜厚已趋于稳定。膜厚随退火变化规律的分析原因和
Rs随退火变化规律的分析原因是一致的。
a:250 ℃,32 min; b:250 ℃,90 min; c:260 ℃,32 min; d:260 ℃,60 min;
e:270 ℃,32 min; f:270 ℃,45 min图10 膜厚随退火温度和时间变化趋势图
Fig.10 Trend diagram ofthickness versus annealing temperature and time
图11 α-ITO膜厚随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.11 Trend diagram of α-
ITO thickness versus annealing temperature(32 min)
图12 光透射率随退火温度变化趋势图(550 nm)Fig.12 Trend diagram of light
transmittance versus annealing temperature(550 nm)
图12是光透射率随退火温度变化趋势图(数据为ITO膜连同玻璃基板的光透射率
数据)。从图中可以看出，光透射率随退火温度增加而增加，并在260 ℃左右趋于
稳定。图13 是光透射率随退火温度和时间的变化趋势图。从图中可以看出，当温
度达到260 ℃及以上时，增加退火时间，光透射率已趋于稳定。肖和平等人的研
究认为，ITO退火后薄膜层结构更加密实、均匀，更利于光的透过[10]。图14是
α-ITO薄膜光透射率随退火温度变化趋势图，从图可知，α-ITO 在230 ℃时光透
射率已稳定。由图12和图14对比可知，p-ITO相对于α-ITO，最优光透射率的
退火温度有滞后性。
a:250 ℃,32 min; b:250 ℃,90 min; c:260 ℃,32 min; d:260 ℃,60 min;
e:270 ℃,32 min; f:270 ℃,45 min; g:280 ℃,32 min图13 光透射率随退火温度
和时间变化趋势图(550 nm)Fig.13 Trend diagram oflight transmittance
versus annealing temperature and time(550 nm)
图14 α-ITO光透射率随退火温度变化趋势图(32 min,550 nm)Fig.14 Trend
diagram of α-ITO light transmittance versus annealing temperature(32
min,550 nm)
3.4 AFM测试结果分析
图15为不同退火温度条件制备的p-ITO薄膜样品测试的AFM图。从测试结果看，
未退火时，薄膜表面结构微粒细小但较酥松。对比A0～A3可知，随着退火温度
的增加，薄膜表面粗糙程度逐渐增大但致密性增加。对比A4～A5，当温度达到
250 ℃及以上时，表面结构又逐渐细化。未退火时，薄膜主要为沉积时的原子结
构，表面精细但结构酥松；退火温度增加时，原子获得能量在热效应下迁移运动排
列生长，原子聚集导致微粒增大但致密性增强；当退火温度高于230 ℃时开始结
晶，表现出晶粒状态；温度进一步增高，薄膜沿晶向优化生长，晶粒又逐渐细化，
薄膜表面又表现出细微但稍显致密的结构。
图15 p-ITO不同退火温度条件AFM图Fig.15 AFM images of p-ITO thin film
at different annealing temperature
3.5 腐蚀验证
表3为不同退火温度条件及退火次数对p-ITO膜层在SD层的decap腐蚀实验。
实验结果可知，正常生产条件下(250 ℃, 32 min)发生腐蚀。第二次追加退火(增加
退火次数，增加退火时间，提高退火温度)对p-ITO膜层的腐蚀有改善效果。图
16为腐蚀测试的图片和发生位置。从腐蚀发生位置看，腐蚀多发生于玻璃中间位
置，为结晶较差区域，和SEM和XRD等的测试结论一致。从腐蚀图片看，腐蚀
原因为p-ITO膜层结晶不充分，推测为晶粒间缝隙大，刻蚀液进入导致腐蚀。
表3 不同退火条件下的p-ITO腐蚀测试Tab.3 p-ITO corrosion tests in
different annealing conditions实验编号1st Anneal2nd Anneal腐蚀结果
F1250 ℃ 32 min不进行腐蚀F2250 ℃ 32 min250 ℃ 32 min无F3250 ℃ 32
min250 ℃ 60 min无F4250 ℃ 32 min280℃ 32 min无
图16 腐蚀测试图。(a) 腐蚀位置，(b) 正常图片; (c) 腐蚀图片。Fig.16
Corrosiontest image.(a) Corrosion map; (b) Normal image; (c) Corrosion
image.
4 结 论
本实验通过增加退火温度和时间，分析了退火工艺对p-ITO形貌结构和光电性能
的影响，并探讨比较了p-ITO和α-ITO的差异性。相对于α-ITO，p-ITO的结晶
温度存在滞后性。对于p-ITO，保持实际量产时的退火时间32 min不变，230 ℃
开始结晶，260～270 ℃左右基本结晶完全。在230～250 ℃时结晶不完全，差异
性较大，对多种特性均有影响，比如膜质出现花斑状不良，Rs、膜厚等均匀性较
差，膜层易受刻蚀液腐蚀等。
实际生产中，不改变生产能力的情况下(退火时间32 min不变)，对于p-ITO适当
提高退火温度至270 ℃左右，对于方块电阻、光透射率、膜质颜色异常和膜层腐
蚀等，均有明显改善效果。这对p-ITO实际生产使用过程中各种不良的解决，有
着重要的现实和指导意义：可以指导生产,减少工艺事故发生,提升良率,降低损失等。
参 考 文 献：
【相关文献】
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2024年7月24日发(作者：司寇惠君)
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【摘 要】为改善在实际生产中,p-ITO在膜厚较薄时所表现出的多种不良,如退火后
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结晶;p-ITO在230～250℃ 时结晶程度及均一性较差,导致多种特性的不稳定,比如
膜质花斑状颜色差异(花斑不良),方块电阻 、膜层厚度均一性差,膜层易受腐蚀等;退
火温度提高到260～270℃ 时结晶基本完全,对薄膜的各种特性改善效果显著,如方
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【年(卷),期】2019(034)004
【总页数】9页(P386-394)
【关键词】花斑不良;磁控溅射;方块电阻;透过率;薄膜晶体管
【作 者】王效坤;朴祥秀;孟雷;房伟华;刘飞
【作者单位】合肥京东方光电科技有限公司,安徽合肥 230012;合肥京东方光电科
技有限公司,安徽合肥 230012;合肥京东方光电科技有限公司,安徽合肥 230012;合
肥京东方光电科技有限公司,安徽合肥 230012;合肥京东方光电科技有限公司,安徽
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薄膜提出了更高的要求[6]，尤其对ITO成膜过程中的particle(pt)要求越来越苛刻。
p-ITO材料因其在成膜过程中产生较少的pt，设备维护周期长，较好的刻蚀性(刻
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ITO膜层较薄时，也表现出一定的劣势。比如，退火后的方块电阻(Square
resistance，Rs)较α-ITO高，膜质易出现花斑状不良，光透射率低等；在对应
ADS产品的1st ITO(多为40 nm)生产时，相对于α-ITO，p-ITO薄膜中In更易
被后续工艺中还原性气体还原导致In析出；以及1st ITO层在退火后更易受到腐
蚀等。针对这些实际生产中遇到的问题，如何改善是亟待解决的问题。
需要说明的是，p-ITO的“p”是晶相(Phase)的意思。ITO 中Sn有2种晶相，α-
ITO的第2种晶相的面积占比较小，第2种晶相的电阻比第一种晶相的电阻率要
高很多；而p-ITO在靶材制作过程中通过特定的手法，控制让第2种晶相分布较
多，面积较大，即所谓的富Sn相(Sn-rich phase)。p-ITO的第2种晶相的电阻和
第一种晶相的电阻率相差并不大，平均电阻也变得相对较低。
本实验中,用直流磁控溅射沉积法在玻璃基板表面沉积p-ITO 40 nm的薄膜,在N2
环境下对薄膜进行退火处理，通过阵列宏微观缺陷检查机(Macro/Micro，MM)设
备分析薄膜微观形貌，使用AFM和SEM设备分析膜面的表面形貌特征，利用
XRD设备研究其结晶情况，并采用四探针设备(4-point probe，4P)测试其方块电
阻Rs，K-MAC(Korea Materials & Analysis Corp.)的光学测试设备测试其膜厚
(THK)和光透射率，分析探讨p-ITO薄膜在退火过程中的变化机理，并进一步探究
了p-ITO在TFT元器件工业化生产方面遇到问题的改善方向。本文涉及的p-ITO
和α-ITO数据无特别说明外，均指厚度为40 nm p-ITO和α-ITO的数据。
2 实 验
本文采用ULVAC的SMD-1800V型立式磁控溅射镀膜机在玻璃基板表面沉积p-
ITO膜，p-ITO靶材购买自Samsung。本底真空度小于5.0×10-4Pa，氩气纯度
为99.9999%，购买自Air Liquid。玻璃基板购买自彩虹光电科技股份有限公司，
其尺寸为1 850 mm×1 500 mm，厚度为0.5 mm。成膜工艺如表1所示。
表1 p-ITO样品制备条件Tab.1 Deposition process parameters for p-ITO
samples温度/℃ 功率/kW Ar流量/(mL·min-1)压力/Pa 时间/s H2O流量
/(mL·min-1)O2流量/(mL·min-1)256.5/5.512000.422300
采用KOYO CCBS-2-1480型退火设备对样品进行退火处理，各样品退火条件如
表2所示。
表2 不同退火工艺条件Tab.2 List of anneal process parameters 工艺参数样
品序号 温度/℃ 气氛时间/min
S1180N232S2200N232S3220N232S4230N232S5230N260S6230N2120S725
0N232S8250N260S9250N290S10260N232S11270N232S12280N232
本文所采用的阵列宏微观缺陷检查机(MM)是DE &T的MM1850A型；场发射扫
描电镜(FE-SEM)为Hitachi的S-4800型；原子力显微镜AFM为South Korea
XE-150型；使用的四探针测试仪是NAPSON的RS-1300型；光学测试设备为
K-MAC ST8000型。X射线衍射仪(XRD)为D/MAX-2500V型，2θ扫描范围
20°～80°。
3 实验结果与讨论
3.1 MM微观检测结果分析
图1 膜质花斑状颜色异常图(a)和正常膜质图(b)Fig.1 Spots defect picture(a)
compared with normal picture(b)
在不同退火工艺参数条件下的p-ITO膜层，采用MM设备进行膜层光学检测，测
试结果显示随着退火温度的增加，p-ITO膜质开始出现花斑状颜色异常；花斑状
颜色异常不良对比如图1所示。
随着退火温度和时间的进一步增加，花斑状颜色异常不良逐渐改善并消失。花斑不
良出现/消失的退火温度和时间结果如图2、图3所示。
图2 花斑状不良的退火温度和退火时间发生区域图Fig.2 Diagram of spots
defect formation versus annealing temperature and time
图3 花斑状不良随退火温度和时间发生图Fig.3 Trend diagram of spots defect
formation versus annealing temperature and time
从测试结果看，退火温度对花斑不良的影响效果大于退火时间，温度和时间对花斑
不良的出现和消失均有影响。
对比图3中间和边缘位置的测试结果，可见样品中间位置相对于边缘位置，花斑
状不良的出现和消失温度均有滞后性。推测原因为样品进行退火时，玻璃逐层放置
在烘箱内，玻璃层与层间距较小，中间位置热风流动阻力大于边缘位置，和热风接
触不充分，导致玻璃中间和边缘位置产生差异性。设备实际生产时，要全面消除
p-ITO花斑状不良，可以以中间位置测试结果为标准，优先选择适量提高退火温
度，其次考虑增加退火时间。
图4 不同退火条件的p-ITO SEM图(J：角部位置，Z：中间位置)Fig.4 SEM
images of p-ITO thin film under various annealing temperature and time(J：
corner position；Z：center position)
3.2 SEM表面形貌和XRD图谱分析
在不同退火工艺参数条件下的p-ITO薄膜，所制样品采用SEM进行表面形貌表征，
结果如图4所示。图中“J”表示样品的角部(边缘)位置，“Z”代表样品的中间位
置。从J0～J5及Z0～Z5测试结果可以看出，当温度较低时，未见晶粒结构；随
着温度的升高，p-ITO由非晶逐渐向多晶转变；温度达到230 ℃时开始出现晶粒
结构，260～270 ℃时晶粒结构趋于稳定。
对比J2和Z2，可见J2晶粒结构明显多于Z2；分别对比其它测试条件结果，也均
为边缘位置结晶程度优于中间位置。说明边缘位置的实际受热程度优于中间位置，
和图3 MM测试花斑不良的发生情况一致。
图5 不同退火条件的p-ITO XRD图谱。(a)中间位置；(b) 角部位置。Fig.5 XRD
spectra of p-ITO thin film under various annealing temperature and
time(a)Center position；(b) Corner position.
图5为不同退火条件的测试样品的XRD图谱。从中可以看出，230 ℃以下退火温
度制备的样品，和未退火的样品一样，均为平滑的曲线，为典型的非晶结构[7]。
这是由于退火温度较低，溅射到基片表面的粒子没有足够的能量进行迁移，导致薄
膜的结晶性较差[8]。随着退火温度的升高，达到230 ℃以上时，开始出现多个尖
锐明显的特征峰，说明样品已转变为以(222)为主要晶向的多晶结构[9]。综合对比
XRD测试图谱，p-ITO 230 ℃开始出现结晶现象；当温度达到260～270 ℃时，
结晶基本完全。通过对比相同退火温度条件下中间位置和角部位置测试样品的衍射
峰的强度可知，中间位置的结晶性较边缘位置差。比较显著的是，230 ℃样品边
缘(角部)位置可见明显特征衍射峰，而中间位置未见明显特征衍射峰。再次印证了
因热对流型退火设备局限性原因，边缘位置较中间位置加热更充分，这也和图4
的SEM测试数据及图3的MM检测的花斑不良数据结论一致。
3.3 Rs、THK和TR测试结果分析
图6 Rs随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.6 Trend diagram of square
resistance versus annealing temperature(32 min)
a:250℃,32 min; b:250℃,90 min; c:260℃,32 min; d:260℃,60 min; e:270℃,32
min; f:270℃,45 min图7 Rs随退火温度和时间变化趋势图Fig.7 Trend diagram
ofsquare resistance versus annealing temperature and time
图6是Rs随退火温度变化趋势图。从图中可以看出，Rs值随退火温度增加逐渐
降低，当温度达到260 ℃时趋于稳定。随着退火温度增高，ITO 薄膜的结晶性增
强，晶界对载流子的散射降低，提高了载流子的迁移率；且高温退火使残留在薄膜
中的氧原子、表面吸附的氧原子和其他杂质粒子释放到退火环境中，提高载流子浓
度[8]。当温度升高到230～250 ℃时，Rs均匀性值增高，并在250 ℃时达到最高，
后随温度升高均匀性再次降低。因为230～250 ℃为膜层结晶初始阶段，结晶均
匀性差，晶体结构和晶界散射差异性大等导致Rs均匀性差。当温度高于250 ℃时，
结晶程度及差别得到优化。图7是Rs随退火温度和时间的变化趋势图。从图中可
以看出，温度高于250 ℃，退火时间增加使Rs均匀性均有降低，增加退火时间可
以进一步优化晶粒。当温度高于260 ℃时，Rs均匀性值降低并不明显，结晶整体
已趋于稳定。图8是α-ITO随退火温度趋势图，从图可知，α-ITO在 230 ℃时
Rs已稳定，趋于结晶完全。对比图6～8可知，p-ITO相对于α-ITO的结晶温度
要高，结晶温度存在严重滞后性。
图8 α-ITORs随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.8 Trend diagram of α-ITO
square resistance versus annealing temperature(32 min)
图9 膜厚随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.9 Trend diagram ofthickness
versus annealing temperature(32 min)
图9是膜厚随退火温度变化趋势图。从图中可以看出，低于230 ℃时，膜厚随温
度增加有降低趋势；此温度下膜层为非晶状态，随着温度增加，原子获得能量进行
迁移，微观结构优化排列所致。当温度高于230 ℃时，随温度增加膜厚有增加趋
势，当温度达到260 ℃时基本趋于稳定；此时膜层开始结晶， 膜厚略微增加应和
晶像生长相关。均匀性同样在温度为250 ℃时达到最大值，和此温度下结晶不充
分，结晶差别较大相关。图10 是膜厚随退火温度和时间的变化趋势图。从图中可
以看出，在250 ℃时，膜厚随时间增加仍有轻微增加；当温度达到260 ℃及以上
时，膜厚无明显变化趋于稳定。增加退火时间，均匀性均有轻微降低，说明晶向在
进一步优化，膜层厚度趋向均匀。图11是α-ITO 膜厚随退火温度变化趋势图，由
图可知，α-ITO 在230 ℃时膜厚已趋于稳定。膜厚随退火变化规律的分析原因和
Rs随退火变化规律的分析原因是一致的。
a:250 ℃,32 min; b:250 ℃,90 min; c:260 ℃,32 min; d:260 ℃,60 min;
e:270 ℃,32 min; f:270 ℃,45 min图10 膜厚随退火温度和时间变化趋势图
Fig.10 Trend diagram ofthickness versus annealing temperature and time
图11 α-ITO膜厚随退火温度变化趋势图(32 min)Fig.11 Trend diagram of α-
ITO thickness versus annealing temperature(32 min)
图12 光透射率随退火温度变化趋势图(550 nm)Fig.12 Trend diagram of light
transmittance versus annealing temperature(550 nm)
图12是光透射率随退火温度变化趋势图(数据为ITO膜连同玻璃基板的光透射率
数据)。从图中可以看出，光透射率随退火温度增加而增加，并在260 ℃左右趋于
稳定。图13 是光透射率随退火温度和时间的变化趋势图。从图中可以看出，当温
度达到260 ℃及以上时，增加退火时间，光透射率已趋于稳定。肖和平等人的研
究认为，ITO退火后薄膜层结构更加密实、均匀，更利于光的透过[10]。图14是
α-ITO薄膜光透射率随退火温度变化趋势图，从图可知，α-ITO 在230 ℃时光透
射率已稳定。由图12和图14对比可知，p-ITO相对于α-ITO，最优光透射率的
退火温度有滞后性。
a:250 ℃,32 min; b:250 ℃,90 min; c:260 ℃,32 min; d:260 ℃,60 min;
e:270 ℃,32 min; f:270 ℃,45 min; g:280 ℃,32 min图13 光透射率随退火温度
和时间变化趋势图(550 nm)Fig.13 Trend diagram oflight transmittance
versus annealing temperature and time(550 nm)
图14 α-ITO光透射率随退火温度变化趋势图(32 min,550 nm)Fig.14 Trend
diagram of α-ITO light transmittance versus annealing temperature(32
min,550 nm)
3.4 AFM测试结果分析
图15为不同退火温度条件制备的p-ITO薄膜样品测试的AFM图。从测试结果看，
未退火时，薄膜表面结构微粒细小但较酥松。对比A0～A3可知，随着退火温度
的增加，薄膜表面粗糙程度逐渐增大但致密性增加。对比A4～A5，当温度达到
250 ℃及以上时，表面结构又逐渐细化。未退火时，薄膜主要为沉积时的原子结
构，表面精细但结构酥松；退火温度增加时，原子获得能量在热效应下迁移运动排
列生长，原子聚集导致微粒增大但致密性增强；当退火温度高于230 ℃时开始结
晶，表现出晶粒状态；温度进一步增高，薄膜沿晶向优化生长，晶粒又逐渐细化，
薄膜表面又表现出细微但稍显致密的结构。
图15 p-ITO不同退火温度条件AFM图Fig.15 AFM images of p-ITO thin film
at different annealing temperature
3.5 腐蚀验证
表3为不同退火温度条件及退火次数对p-ITO膜层在SD层的decap腐蚀实验。
实验结果可知，正常生产条件下(250 ℃, 32 min)发生腐蚀。第二次追加退火(增加
退火次数，增加退火时间，提高退火温度)对p-ITO膜层的腐蚀有改善效果。图
16为腐蚀测试的图片和发生位置。从腐蚀发生位置看，腐蚀多发生于玻璃中间位
置，为结晶较差区域，和SEM和XRD等的测试结论一致。从腐蚀图片看，腐蚀
原因为p-ITO膜层结晶不充分，推测为晶粒间缝隙大，刻蚀液进入导致腐蚀。
表3 不同退火条件下的p-ITO腐蚀测试Tab.3 p-ITO corrosion tests in
different annealing conditions实验编号1st Anneal2nd Anneal腐蚀结果
F1250 ℃ 32 min不进行腐蚀F2250 ℃ 32 min250 ℃ 32 min无F3250 ℃ 32
min250 ℃ 60 min无F4250 ℃ 32 min280℃ 32 min无
图16 腐蚀测试图。(a) 腐蚀位置，(b) 正常图片; (c) 腐蚀图片。Fig.16
Corrosiontest image.(a) Corrosion map; (b) Normal image; (c) Corrosion
image.
4 结 论
本实验通过增加退火温度和时间，分析了退火工艺对p-ITO形貌结构和光电性能
的影响，并探讨比较了p-ITO和α-ITO的差异性。相对于α-ITO，p-ITO的结晶
温度存在滞后性。对于p-ITO，保持实际量产时的退火时间32 min不变，230 ℃
开始结晶，260～270 ℃左右基本结晶完全。在230～250 ℃时结晶不完全，差异
性较大，对多种特性均有影响，比如膜质出现花斑状不良，Rs、膜厚等均匀性较
差，膜层易受刻蚀液腐蚀等。
实际生产中，不改变生产能力的情况下(退火时间32 min不变)，对于p-ITO适当
提高退火温度至270 ℃左右，对于方块电阻、光透射率、膜质颜色异常和膜层腐
蚀等，均有明显改善效果。这对p-ITO实际生产使用过程中各种不良的解决，有
着重要的现实和指导意义：可以指导生产,减少工艺事故发生,提升良率,降低损失等。
参 考 文 献：
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