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                                                    ITO薄膜

PVD鍍膜 2月24日

ITO 是一種N型氧化物半導體-氧化銦錫,ITO薄膜即銦錫氧化物半導體透明導電膜,通常有兩個性能指標:電阻率和透光率。


發展

真正進行ITO薄膜的研究工作還是19世紀末,當時是在光電導的材料上獲得很薄的金屬薄膜。關于透明導電材料的研究進入一個新的時期還是應該在第二次世界大戰期間,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In2O3首次被制成,特別是在In2O3里摻入錫以后,使這種材料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。



基本性能

一、ITO薄膜的基本性能ITO(In2O3:SnO2=9:1)的微觀結構,In2O3里摻入Sn后,Sn元素可以代替In2O3晶格中的In元素而以SnO2的形式存在,因為In2O3中的In元素是三價,形成SnO2時將貢獻一個電子到導帶上,同時在一定的缺氧狀態下產生氧空穴,形成1020至1021cm-3的載流子濃度和10至30cm2/vs的遷移率。


這個機理提供了在10-4Ω.cm數量級的低薄膜電阻率,所以ITO薄膜具有半導體的導電性能。ITO是一種寬能帶薄膜材料,其帶隙為3.5-4.3ev。紫外光區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ITO薄膜的光穿透率極低。同時近紅外區由于載流子的等離子體振動現象而產生反射,所以近紅外區ITO薄膜的光透過率也是很低的,但可見光區ITO薄膜的透過率非常好,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較高的光透過率。


二、影響ITO薄膜導電性能的幾個因素ITO薄膜的面電阻(R)、膜厚(d)和電阻率(ρ)三者之間是相互關聯的,這三者之間的計算公式是:R=ρ/d。由公式可以看出,為了獲得不同面電阻(R)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(ρ)的大小則是ITO薄膜制備工藝的關鍵,電阻率(ρ)也是衡量ITO薄膜性能的一項重要指標。公式ρ=m/ne2T給出了影響薄膜電阻率(ρ)的幾種主要因素,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(ρ)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)可以通過調節ITO沉積材料的錫含量和氧含量來實現;而載流子遷移率(T)則與ITO薄膜的結晶狀態、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),可以合理的調節薄膜沉積時的沉積溫度、濺射電壓和成膜的條件等因素。

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薄膜的電阻率與ITO材料中的Sn、O2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。



三、通過低濺射電壓制備ITO薄膜的工藝和方法

1、低電壓濺射制備ITO薄膜由于ITO薄膜本身含有氧元素,磁控濺射制備ITO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ITO薄膜表面,使ITO薄膜的結晶結構和晶體狀態造成結構缺陷。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ITO薄膜的電阻率上升,一般情況下,磁控濺射沉積ITO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ITO薄膜電阻率將降低50%以上,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。

2、兩種在直流磁控濺射制備ITO薄膜時,降低薄膜濺射電壓的有效途徑磁場強度對濺射電壓的影響當磁場強度為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。一般情況下,磁場強度越高、濺射電壓越低,但磁場強度為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ITO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。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ITO薄膜電阻率的目的,可以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的射頻電源合理的匹配疊裝在一套6KW的直流電源上,在不同的直流濺射功率和射頻功率下進行降低ITO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:“當射頻功率為600W時,ITO靶的濺射電壓可以降到-110V”的結論。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ITO薄膜的濺射電壓,從而達到降低薄膜電阻率的目的。

3、降低ITO薄膜電阻率的新沉積方法-HDAP法HDAP法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,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。

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。

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HDAP法制備ITO薄膜可以得到較理想的ITO薄膜?;瑴囟鹊?50℃左右時,這三種沉積方法對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。很明顯HDAP法制備的ITO薄膜表面平坦、均勻。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。


主要應用

隨著顯示器件行業的飛速發展,對ITO薄膜的產品性能特性提出了新的要求。同時ITO薄膜制備技術的深入發展,使顯示器件的需要變成可能。不同性能的ITO薄膜可以在不同顯示器件中的應用。


在國內的發展

在國內,ITO薄膜設備的制造和發展是20世紀80年代開始的,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。

20世紀90年代初,隨著LCD器件的飛速發展,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。

80年代末,中國誕生了第一條TN-LCD用ITO連續鍍膜生產線。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,工藝調節復雜。

90年代中期,隨著國內LCD產業的發展,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,因此出現了第二代ITO鍍膜生產線。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,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,同時出現了第三代大型高檔ITO薄膜生產線。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、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。

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展,對ITO薄膜產品提出了更高的要求,SiO2/ITO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。積累多年的設計開發經驗,國內生產企業推出了第四代大型多層薄膜生產線。該生產線由15個真空室組成,采用全分子泵無油真空系統、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。該生產線具有連續沉積五層薄膜的能力。

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120℃),同時要求ITO膜層較薄、面電阻高而且均勻,所以對ITO薄膜的沉積工藝提出了嚴格的要求。

隨著有機電致發光顯示器(OLED)以及其它顯示器件的發展,對ITO薄膜的制成工藝和設備將會有更新、更高的要求,同時也有力的推動了ITO薄膜制成設備的發展。


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