已看ITO薄膜性能及制成專業(yè)技術發(fā)展教學提綱

1、已 看 I TO 薄 膜 性 能 及制成專業(yè)技術發(fā)展ITO薄膜性能及制成技術的發(fā)展摘 要近年來，隨著顯示器件行業(yè)的飛速發(fā)展，對ITO透明導電膜的各項技術性能和制成提岀了新的、更高的要求。本文將對ITO薄膜的基本性能、制成方法和應用進行綜述。一、前言真正進行透明導電薄膜材料的研究工作還是19世紀末，當時是在光電導的材料上獲得很薄的金屬薄膜。經歷一段很長時間后的第二次世界大戰(zhàn)期間，關于透明導電材料的研究才進入一個新的時期，于是開發(fā)了由寬禁帶的n型簡并半導體SnO2材料,主要應用于飛機的除冰窗戶玻璃。在1950年，第二種透明半導體氧化物In 2C3首次被制成，特別是在InzQ里摻入錫以后，使這種材料

2、在透明導電薄膜方面得到了普遍的應用，并具有廣闊的應用前景。圖1 ITO的結晶結構摻錫氧化銦（即Indium Tin Oxide, 簡稱ITO）材料是一種n型半導體材料，由于具有高的導電率、高的可見光透過率、高的機械硬度和化學穩(wěn)定性，因此它是液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器（PDP、電致發(fā)光顯示器（EL/OLED）、觸摸屏（Touch Panel八太陽能電池以及其它電子儀表的透明電極最常用的材料。圖2 ITO薄膜透過率曲線二、ITO薄膜的基本性能1、ITO薄膜的基本性能如圖1所示ITO （In 2Q：SnO2=9:1 ）的微觀結構，In 2C3里摻入Sn后，Sn元素可以代替In 2C3晶格中的

3、In元素而以SnQ的形式 存在，因為In 2C3中的In元素是三價，形成 SnQ時將貢獻一個電子到導帶上，同時在一定的缺氧狀態(tài)下產生氧空穴，形成1020至1021cm3的載流子濃度和10至30cm2/vs的遷移率。這個機理提供了在10-4 Q .cm數(shù)量級的低薄膜電阻率，所以ITQ薄膜具有半導體的導電性能。105432-100-200-300<400澱射電圧00圖3濺射電壓與電阻率關系曲線ITQ是一種寬能帶薄膜材料，其帶隙為3.5-4.3ev。紫外光區(qū)產生禁帶的勵起吸收閾值為3.75ev，相當于330nm的波長，因此紫外光區(qū)ITO薄膜的光穿透率極低。同時近紅外區(qū)由于載流子的等離子體振動現(xiàn)

4、象而產生反射，所以近紅外區(qū)ITO薄膜的光透過率也是很低的，但可見光區(qū)ITO薄膜的透過率非常好，由圖 2可知。由以上分析可以看出，由于材料本身特定的物理化學性能，ITO薄膜具有良好的導電性和可見光區(qū)較高的光透過率。2、影響ITO薄膜導電性能的幾個因素ITO薄膜的面電阻（R口）、膜厚（d）和電阻率（p）三者之間是相互關聯(lián)的，下面給出了這三者之間的計算公式。即40Q350300250200150亠100020003000趟場強度（G）圖4磁場強度與濺射電壓關系RO = p / d （1）由公式（1 ）可以看出，為了獲得不同面電阻（ RO）的ITO薄膜，實際上就是要獲得不同的膜厚和電阻率。一般來講，制

5、 備ITO薄膜時要得到不同的膜層厚度比較容易，可以通過調節(jié)薄膜沉積時的沉積速率和沉積的時間來制取所需要膜層的厚度，并 通過相應的工藝方法和手段能進行精確的膜層厚度和均勻性控制。而ITO薄膜的電阻率（p）的大小則是ITO薄膜制備工藝的關鍵，電阻率（p）也是衡量ITO薄膜性能的一項重要指標。公式（2）給岀了影響薄膜電阻率（p）的幾種主要因素2p =m*/ne t （2）式（2）中，n、T分別表示載流子濃度和載流子遷移率。當n、t越大，薄膜的電阻率（p）就越小，反之亦然。而載流子濃度（n）與 ITO薄膜材料的組成有關，即組成ITO薄膜本身的錫含量和氧含量有關，為了得到較高的載流子濃度（n）可以通過調

6、節(jié)ITO沉積材料的錫含量和氧含量來實現(xiàn)；而載流子遷移率（t）則與 ITO薄膜的結晶狀態(tài)、晶體結構和薄膜的缺陷密度有關，為了得到較高的載流子遷移率（t）可以合理的調節(jié)薄膜沉積時的沉積溫度、濺射電壓和成膜的條件等因素。3DQ2S02001501QD¥V唏境循；It »OOOG |1 :12jjF!里1:J12004QO6-00圖5射頻功率對濺射電壓的影響所以從ITO薄膜的制備工藝上來講，ITO薄膜的電阻率不僅與ITO薄膜材料的組成（包括錫含量和氧含量）有關，同時與制備 ITO薄膜時的工藝條件（包括沉積時的基片溫度、濺射電壓等）有關。有大量的科技文獻和實驗分析了ITO薄膜的電阻率

7、與ITO材料中的Sn、Q元素的含量，以及ITO薄膜制備時的基片溫度等工藝條件之間的關系，因此本文中不再熬述。下面介紹通過低濺射電壓制備ITQ薄膜的工藝和方法。三、低電壓濺射制 備ITQ薄膜由于ITQ薄膜本身含有氧元素，磁控濺射制備ITQ薄膜的過程中，會產生大量的氧負離子，氧負離子在電場的作用下以一定的粒子能量會轟擊到所沉積的ITQ薄膜表面，使ITQ薄膜的結晶結構和晶體狀態(tài)造成結構缺陷。濺射的電壓越大，氧負離子轟擊 膜層表面的能量也越大，那么造成這種結構缺陷的幾率就越大，產生晶體結構缺陷也越嚴重，從而導致了ITQ薄膜的電阻率上升，圖3是磁控濺射的電壓與ITQ薄膜電阻率的關系曲線。一般情況下，磁控

8、濺射沉積ITQ薄膜時的濺射電壓在-400V左右，如果使用一定的工藝方法將濺射電壓降到-200V以下，那么所沉積的ITQ薄膜電阻率將降低50%以上（如圖3所示），這樣不僅提高了 ITO薄膜的產品質量，同時也降低了產品的生產成本。根據(jù)豪威公司的實際工藝研究和應用的情況，下面介紹兩種在直流磁 控濺射制備ITQ薄膜時，降低薄膜濺射電壓的有效途徑。1、磁場強度對濺射電壓的影響如圖4是磁控濺射制作ITQ薄膜時，磁場對濺射電壓影響的實驗曲線。當磁場強度為300G時，濺射電壓約為-350v ;但當磁場強度升高到1000G時，濺射電壓下降至-250v左右（如圖4）。一般情況下，磁場強度越高、濺射電壓越低，但磁場

9、強度為 1000G以上時，磁場強度對濺射電壓的影響就不明顯了。因此為了降低ITQ薄膜的濺射電壓，可以通過合理的增強濺射陰極的磁場強度來實現(xiàn)。2、RF+DC電源使用對濺射電壓的影響為了有效的降低磁控濺射的電壓，以達到降低ITQ薄膜電阻率的目的，豪威公司還進行了以下的工藝實驗。即采用了一套特殊的濺射陰極結構和濺射直流電源，同時將一套3KW勺射頻電源合理的匹配疊裝在一套6KW勺直流電源上，在不同的直流濺射功率和射頻功率下進行降低 ITQ薄膜濺射電壓的工藝研究。當磁場強度為1000G直流電源的功率為1200W時，通過改變射頻電源的功率，經大量的工藝實驗得出了如圖5的實驗曲線。當射頻功率為 600W時，

10、ITQ靶的濺射電壓可以降到-110V。因此，RF+DC新型電源的應用和特殊濺射陰極結構的設計也能有 效的降低ITQ薄膜的濺射電壓，從而達到降低薄膜電阻率的目的。圖6 HDAP法工作原理四、降低ITO薄膜電阻率的新沉積方法-HDAP法這種沉積ITO薄膜方法的工作原理是利用高密度的電弧等離子體（HDAP放電轟擊ITO靶材，使ITO材料蒸發(fā)，沉積到基體材料上形成ITO薄膜。由于高能量電弧離子的作用導致ITO粒子中的In、Sn達到完全離化，從而增強沉積時的反應活性，達到減少晶體結構缺陷，降低電阻率的目的。如圖6是HDAP法的工作原理圖。0 5 0 4 3 3 (Eogn o1.0IDO ISO 200

11、250300350400圖7溫度與電阻率的關系曲線豪威公司利用同樣成分的ITO材料，其它工藝條件保持一樣，并在同樣的基片溫度下，分別進行DC磁控濺射、DC+RF磁控濺射、HDAP法制備ITO薄膜的實驗，得出如圖 7三種制備方法的對比工藝曲線。由實驗結果可以看出，利用HDAP法能獲得電阻率較低的ITO薄膜，尤其是在基片溫度不能太高的材料上制備 ITO薄膜時，使用HDAF法制備ITO薄膜可以得到較理想的ITO薄 膜。基片溫度到350 C左右時，上述三種沉積方法對 ITO薄膜電阻率的影響較小。通過掃描電鏡對磁控濺射和HDAP法制備的ITO薄膜進行了微觀分析。如圖 8所示，圖8 （A）、（ B）分別是

12、磁控濺射和HDAP法制備的ITO薄膜的表面形貌圖，很明顯HDAP法制備的ITO薄膜表面平坦、均勻500nm500nm(A)(B)圖8 ITO薄膜的表面形貌圖HDAP法制備ITO薄膜主要是針對基體材料不能加熱，同時又要求ITO薄膜的電阻率較低的制成比較適用。五、ITO薄膜的主要應用和國內制成設備的發(fā)展1、ITO薄膜的主要應用隨著顯示器件行業(yè)的飛速發(fā)展，對ITO薄膜的產品性能特性提岀了新的要求。同時ITO薄膜制備技術的深入發(fā)展，使顯示器件的需要變成可能。表 1給岀了不同性能的ITO薄膜在不同顯示器件中的應用。ITO H頂輛性菱瑕應用制3004)/ 口 rgsdOSwitt>iQKio'

13、;a.cJw,船療式疫竄扳200*20CSU 口-収 Whhein>5k10 * cm.全STN1000A50ft/ 口弘10咗.存 lOOil/ 口 EgsdOF 伽>5x104 ft. cn4 TFTIQWA iOOOA 3QQN口一M10 D10'0 . cn1QCU/ 口 一張10%,的4x10 m 5、STN TFT的艱向電接(TN表1 ITO薄膜指標與應用實例豪威公司多年來在ITO薄膜的成膜機理和制備工藝等方面的深入研究和開發(fā)，形成了一系列完整而獨特的ITO薄膜制備方法。2、ITO薄膜制成設備在國內的發(fā)展在國內，ITO薄膜設備的制造和發(fā)展是 20世紀80年代開始

14、的，主要是一些單體式的真空鍍膜設備，由于ITO工藝和制成方法的限制，因此產品品質較差、產量較小，當時的產品主要用作普通的透明電極和太陽能電池等方面。圖 9(B)圖 9(A)圖 9(C)圖 9(D)20世紀90年代初，隨著LCD器件的飛速發(fā)展，對ITO薄膜產品的需求量也是急劇的增加，國內部分廠家紛紛開始從國外 引進一系列整廠ITO鍍膜生產線，但由于進口設備的價格昂貴，技術服務不方便等因素，使許多廠商還是望而卻步。深圳豪威公 司充分利用自身的技術優(yōu)勢和合理的整合各個方面的外部資源，開始了ITO薄膜工藝的開發(fā)和設備的研制，先后研制和推出了四代大型平板顯示ITO薄膜生產線不但滿足了市場的需要，同時也進

15、一步推動了ITO薄膜技術在中國的發(fā)展。80年代末，中國誕生了第一條 TN-LCD用ITO連續(xù)鍍膜生產線（圖 9 （ A）。該生產線采用的工藝路線是將銦錫合金材料 利用直流磁控濺射的原理沉積到基片的表面，并進行高溫氧化處理，將銦錫合金薄膜轉換成所需的ITO薄膜。這種生產線的特點是設備的產能較低，質量較差，工藝調節(jié)復雜。90年代中期，隨著國內 LCD產業(yè)的發(fā)展，對ITO產品的需求量增大的同時，對產品的質量有了新的要求，因此出現(xiàn)了第二 代ITO鍍膜生產線（圖9（ B）。該生產線不僅產量比第一代生產線有了大幅度的提升，同時由于直接采用ITO陶瓷靶材沉積ITO薄膜，并兼容了射頻磁控濺射沉積SiO2薄膜的

16、工藝，使該生產線無論從產品的質量上、還是工藝可控性等方面與第一代生產線相比均有了質的飛躍。99年，隨著豪威公司與清華大學聯(lián)合開發(fā)的中頻反應磁控濺射沉積SiO2薄膜工藝的成功，有效的解決了射頻磁控濺射沉積SiO2薄膜的沉積速率慢影響生產線的產能和設備的利用率等一系列問題，同時出現(xiàn)了第三代大型高檔ITO薄膜生產線（圖9（C）。該生產線成功應用了中頻反應濺射SiO2薄膜的工藝、采用全分子泵無油真空系統(tǒng)、獨立的全自動小車回架機構。該生產線具備生產中高檔 STN-LCD用 ITO薄膜材料的能力。圖10卷繞式鍍膜系統(tǒng)隨著反射式LCD增透式LCD LCOS圖影機背投電視等顯示器件的發(fā)展，對ITO薄膜產品提出

17、了新的要求，SOTO兩層膜結構的ITO薄膜材料滿足不了使用的需要，而比須采用多層復合膜系已達到產品的高反射性、或高透過率等光學性能要 求。豪威公司積累多年的設計開發(fā)經驗，推出了第四代大型多層薄膜生產線（圖9（ D）。該生產線由15個真空室組成，采用全分子泵無油真空系統(tǒng)、使用了RF/MF/DC三種磁控濺射工藝、通過 PEM/PCV進行工藝氣體的控制。該生產線具有連續(xù)沉積五層薄膜的能力，主要能生產以下一些膜系的薄膜：1）Al/SiO 2/TiO 2/SiO 2/TiO 22） ITO/SiO 2/TiO 2/SiO 2/TiO 23）ITO/Ag/ITO （OLED用）4）其它多層膜產品隨著PDA電子書等觸摸式輸入電子產品的悄然興起，相應材料的制成設備也應運而生。由于觸摸式產品工作原理的特殊性，其所需的ITO薄膜必須是在柔性材料（PET） 上制成的，薄膜的沉積溫度不能太高（小于 120C），同時要求ITO膜層較 薄、面電阻高而且均勻，所以對ITO薄膜的沉積工藝