Effect of the Annealing Gas and RF Power Sputtering in the Electrical, Structural and Optical Properties of ITO Thin Films

Abstract

У роботі пропонується дослідити вплив нагрівання газу та RF потужності розпилення на електричні, структурні та оптичні властивості тонких плівок оксиду індію для застосувань у сонячних елементах. Ці тонкі плівки готували на слаболегованій кремнієвій пластині методом RF-розпилення у середовищі Ar при кімнатній температурі і тиску 8·10 – 3 мбар. Параметри процесу, такі як RF потужність і відпал після осадження, змінювалися для того, щоб визначити їх залежність від електричних, структурних і оптичних властивостей тонких плівок ITO. Морфологію та вимірювання товщини шару (з поперечним перерізом) досліджували методом скануючої електронної мікроскопії, а для визначення шорсткості поверхні застосовували атомну силову мікроскопію. Залежність питомого опору, рухливості та концентрації носіїв цих плівок досліджували за допомогою ефекту Холла шляхом зміни RF потужності та термічного відпалу. Спектроскопічна еліпсометрія також використовувалася для визначення показника заломлення, товщини, шорсткості, пористості та оптичної ширини забороненої зони плівок. Таким чином, оптичний коефіцієнт пропускання у видимій області виявився вище 85 %; низький питомий опір і висока рухливість становили, відповідно, 2.09·10 – 4 Ом·см і 35.81 см2/(V·s) для товщини зразка 200 нм, RF потужності 150 Вт, і відпалу при 400 °С протягом 10 хв при швидкому термічному відпалі під дією N2. Рентгенівська дифракція тонких плівок показала кращу орієнтацію вздовж напряму (222), яка забезпечує високу ступінь кристалічності для всіх відпалених N2 зразків. Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія використовувалася для визначення станів окислення та елементного вмісту у плівках. Представлені результати морфології поверхні, електричні та оптичні властивості плівки ITO.

In the paper we propose to investigate the effect of the annealing gas and RF power sputtering on the electrical, structural and optical properties of indium tin oxide thin films for solar cells applications. These thin films were prepared on lightly doped silicon wafer by RF sputtering in Ar environment at room temperature and with a pressure of 8·10 – 3 mbar. Process parameters such as RF power and post deposition annealing were varied in order to determine their dependence on electrical, structural and optical properties of ITO thin films. Layer morphology and thickness measurements (with cross section) were investigated by scanning electron microscopy, and atomic force microscopy was performed to determine the surface roughness. The dependence of the resistivity, mobility and carrier concentration of these films by varying RF power and thermal annealing were studied by Hall Effect measurement. Spectroscopic ellipsometry was also used to determine the refractive index, thickness, roughness, porosity and optical bandgap of the films. Thus, the optical transmittance in the visible region was found to be above 85 %, the low resistivity and high mobility were found 2.09 10 – 4 Ω·сm and 35.81 cm2/(V·s), respectively, for 200 nm thickness for the sample elaborated with a RF power of 150 W and an annealing at 400 °C for 10 min with rapid thermal annealing under N2. The X-ray diffraction patterns of the thin films indicated a preferred orientation along the (222) plane, which provides a high degree of crystallinity for all N2 annealed samples. The XPS was used to determine oxidation states and identify the elemental content in the films. Obtained results for the surface morphology, electrical and optical properties of the ITO thin film details will be presented.