[論文レビュー] Electrical and optical properties of ITO thin films prepared by DC magnetron sputtering for low-emitting coatings

Hadi Askari, Hamidreza Fallah+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

ZnO doping and propertiesMaterials Science参考文献 1被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、低放射率（低e）コーティングとしての高赤外線反射率と可視光透過率を実現するため、ガラス基板上へのITO薄膜の直流磁気スパッタリングを検討した。400 °Cでスパッタリング出力および酸素流量を最適化することで、赤外線反射率89.5％（放射率＜11％）および可視光透過率85％を達成した。電気的・光学的性能の最適化に向け、キャリア濃度およびプラズマ波長を測定した。

ABSTRACT

Optimized DC magnetron sputtering system for the deposition of transparent conductive oxides (TCOs), such indium tin oxide (ITO) on glass substrate has been applied in order to achieve low-emitting (low-e) transparent coatings. To obtain the concerned electrical resistance and high infrared reflection, first the effect of applied sputtering power then oxygen flow on the properties of films have been investigated. The other depositions parameters are kept constant. Film deposition at at temperature 400 degree of Celsius in oxygen flow of 3 Standard Cubic Centimeters per Minute results in transparent and infrared reflecting coatings. Under this condition the highest attained average reflectance in the infrared is (λ=3-25 micron) 89.5% (lowest emittance equals to less than 11%), whereas transparency in the visible is 85% approximately. Plasma wavelength and carrier concentration was measured.

研究の動機と目的

• エネルギー効率の高い窓用に、低熱放射率を有する透明導電酸化物（TCO）コーティングを開発すること。
• 赤外線反射率および可視光透過率の向上を目的として、DC磁気スパッタリングを用いたITO薄膜の堆積を最適化すること。
• スパッタリング出力および酸素流量がITO薄膜の電気的・光学的特性に与える影響を調査すること。
• 低eコーティング用途における高赤外線反射率と高可視光透過率の両立を実現すること。
• 薄膜の性能と相関するよう、プラズマ波長およびキャリア濃度を測定すること。

提案手法

• 400 °Cの一定温度で、ガラス基板上にDC磁気スパッタリングを用いてITO薄膜を堆積した。
• 他の堆積パラメータを一定に保ちながら、スパッタリング出力および酸素流量を系統的に変化させた。
• 酸素流量を3 sccmに最適化することで、所望の膜化学 stoichiometry および電気的特性を達成した。
• 可視光（400–700 nm）および赤外線（3–25 μm）スペクトル範囲において、光学的透過率および反射率を測定した。
• 電気的性能を評価するために、実験的にプラズマ波長およびキャリア濃度を測定した。
• 光学的および電気的分析を支援するため、膜厚および表面被膜形態を特徴付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパッタリング出力の変化が、ITO薄膜の電気的および光学的特性にどのように影響するか？
• RQ2 赤外線反射率および可視光透過率を高めるために、最適な酸素流量は何か？
• RQ3 DC磁気スパッタリングで堆積されたITO薄膜は、放射率＜11％を達成しながらも、可視光透過率＞80％を維持できるか？
• RQ4 スパッタリングITO薄膜におけるキャリア濃度とプラズマ波長の関係は何か？
• RQ5 堆積温度と酸素流量が、低放射率コーティング用途における薄膜性能にどのように共同で影響を与えるか？

主な発見

• 400 °Cおよび酸素流量3 sccmの条件下で、ITO薄膜は3–25 μm範囲で平均赤外線反射率89.5％を達成した。
• 薄膜の放射率は11％未満であり、低放射率用途への適性が確認された。
• 可視光透過率は400–700 nm範囲で約85％に達し、高い光学的透明性を示した。
• キャリア濃度およびプラズマ波長が測定され、薄膜の電気的導電性に関する知見が得られた。
• スパッタリング出力および酸素流量の特定の組み合わせで、最適な薄膜性能が達成された。他のパラメータは一定に保たれた。
• 本研究では、DC磁気スパッタリングがエネルギー効率の高いガラス用高性能ITOコーティングを生成可能であることを確認した。