ITO 薄膜研究现状及应用2

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1、铟锡氧化物薄膜研究现状及应用摘　要：介绍了铟锡氧化物(ITO)薄膜的特征,主要生产工艺及其在汽车、宇航、建筑、电子、太阳能等领域的应用。并对该材料生产工艺及产品市场的发展前景进行了展望。关键词：铟锡氧化物薄膜;特性;生产工艺;应用;展望铟在自然界是稀散金属,在矿床中常与锡伴生,全世界年产铟约150吨,我国年冶炼铟可达50吨,是铟资源大国。然而我国金属铟主要供外销,对其高技术产品的深加工尚处于起步阶段。使铟资源增值、合理利用铟资源的重要途径之一是生产铟锡氧化物(ITO)靶材。初步估算每吨铟制靶可增值1155美元。靶材是用作镀膜的材料,因此ITO靶材的应用就须从IT

2、O膜应用出发[1]。铟锡氧化物(ITO)薄膜具有一系列独特性能,如可见光透过率高达95%以上;对紫外线其吸收率≥85%;对红外线其反射率≥70%;对微波其衰减率≥85%;导电性能和加工性能良好;膜层硬度高且既耐磨又耐化学腐蚀等等。因此,用ITO薄膜作为透明电导膜,已获得广泛应用,特别是用作透明电极的ITO,其需要量迅速增加。现在ITO是铟的最大市场,估计将来还会继续增长。随着液晶的开发和实用化的进展,ITO将广泛用于液晶显示装置如电视机、钟表、个人计算机的显示面板及太阳能电池等方面。电极材料除使用ITO外,也使用锑锡氧化物(ATO)和镉锡氧化物(CTO)但这些材

3、料的电阻高、强度大。液晶厂家认为,ITO是所需特性均能得到满足的最佳材料,目前还无其他材料可取而代之[2]。2　生产工艺目前生产ITO薄膜的方法有物理气相沉积(PVD)中的电子束(EB)蒸发与磁控溅射、高密度等离子体增强(HDPE)蒸发与低压直流溅射(DCSP)技术,以及属于化学气相沉积(CVD)范畴的原子层处延(ALE)技术等。这些技术现都得到了相应的发展,特别是PVD各种新技术沉积的ITO薄膜已达到产业化应用的要求;ALE生长的ITO薄膜的电阻率也达到商品化应用水平(～10-4Ω·cm)。总之,ITO薄膜透明导体的研制与开发正沿着高技术材料产业化方向进行,前

4、景十分广阔。2.1　PVD沉积采用PVD技术有EB蒸发、HDPE蒸发和DCSP溅射等,沉积出较高质量的ITO薄膜透明导体材料。2.1.1　EB蒸发工艺EB蒸发技术一般被选作ITO薄膜沉积的参照工艺,因为该技术没有高能入射粒子轰击生长面的问题。在沉积时,源材料由电子束聚焦而被加热、蒸发并随即沉积于衬底上,从而生成ITO薄膜。在此技术中,生长面处的最大分子热能为0.2～0.3eV。EB工艺能在较低的沉积温度(即350℃衬底温度下)沉积出低阻ITO薄膜。但沉积温度低于350℃,则沉积出的ITO薄膜电阻率太高,以致不能作为透明导体材料使用。2.1.2　DCSP溅射工艺低

5、压直流溅射沉积ITO薄膜材料技术,是在200℃至400℃的玻璃衬底上,以含SnO210%(质量的烧结ITO陶瓷为靶材料,在总压力为0.13Pa的99%氩和1%氧的混合气体以2nm/秒的沉积速率进行的。阴极电压保持在380V,这表明赋予入射到生长面上的带电粒子的最大能量为380eV。此工艺在200℃衬底温度下沉积出的ITO薄膜电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率分别为2.7×4-4Ω·cm、6.8×1020/cm3和34cm2/(V·秒)。2.1.3　HDPE蒸发工艺HDPE蒸发沉积低阻ITO薄膜透明导体材料,是在50%氩和50%氧(总压力为0.1Pa)的混合气体中、衬

6、底温度为200℃的条件下生产的。源材料用弧光放电法蒸发以提供等离子体,生成高能粒子入射到生长面上,从而生长ITO薄膜。HDPE反应室内装有电弧等离子体发生器(阴极)和盛有含4%(质量)SnO2的烧结ITO材料的坩埚(阳极),并用磁场控制使在阴极和阳极之间保持电弧放电。每个发生器的放电电流应保持在250A,在电弧等离子体中气体的电离比率为20%～40%,并且离子、电子和活化中性粒子等密度均高于常规溅射过程中的情况。带正电荷的氩离子和铟离子被加速到具有大约20eV动能的生长面上。这表明HDPE技术中轰击生长面的离子能量居于DCSP和EB之间。用HDPE工艺沉积的IT

7、O薄膜的电阻率,载流子浓度和霍尔迁移率分别为1.8×10-4Ω·cm、1.4×1021/cm3和25cm2(V·秒)在上述三种ITO薄膜沉积技术中,采用的衬底均为非晶SiO2涂层的钠钙玻璃,所制的薄膜厚度为200～400nm,且均已进行商品化生产[3]。2.2　CVD沉积-ALE生长属于CVD范畴的ALE技术,其特点是能控制ITO薄膜生长,因此是一种ITO膜生长可控的沉积技术。反应剂或反应前体(Precursor)被辐射到衬底上,反应室用惰性气体清洗或抽真空清洗,使沉积条件达到最佳程度,即只允许化学吸附型粒子保留在清洗后的衬底上,而不存在任何其他粒子,故可精确地

8、控制膜厚和良好的同构区。