ITO薄膜性能及制成技术的发展.docx

1、ITO薄膜性能及制成技术的发展ITO薄膜性能及制成技术的发展一、前言真正进行透明导电薄膜材料的研究工作还是19世纪末，当时是 在光电导的材料上获得很薄的金属薄膜。经历一段很长时间后的第二 次世界大战期间，关于透明导电材料的研究才进入一个新的时期，于 是开发了由宽禁带的n型简并半导体Sn02材料，主要应用于飞机的 除冰窗户玻璃。在1950年，第二种透明半导体氧化物InG首次被制 成，特别是在InQ里掺入锡以后，使这种材料在透明导电薄膜方面 得到了普遍的应用，并具有广阔的应用前景。图1 IT0的结晶结构掺锡氧化钢（即Indium Tin Oxide,简称ITO）材料是一种n型 半导体材料，由于具有

2、高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬 度和化学稳定性，因此它是液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、电致发光显示器(EL/OLED) 触摸屏(Touch Panel)、太阳能电 池以及其它电子仪表的透明电极最常用的材料。图2 IT0薄膜透过率曲线二、ITO薄膜的基本性能1、IT0薄膜的基本性能如图1所示ITO (In203:Sn02=9:l)的微观结构,InG里掺入Sn 后，Sn元素可以代替In晶格中的In元素而以SnO,的形式存在， 因为InQ中的In元素是三价，形成SnOM将贡献一个电子到导带上, 同时在一定的缺氧状态下产生氧空穴，形成1020至1021cm3的载流子 浓度和1

3、0至30cm7vs的迁移率。这个机理提供了在10-4 Q. cm数量 级的低薄膜电阻率，所以IT0薄膜具有半导体的导电性能。1-100 -200 -300 -400溅射电压（V）O54 3 21J?0L)国闿图3溅射电压与电阻率关系曲线IT0是一种宽能带薄膜材料，其带隙为3.5-4. 3evo紫外光区产 生禁带的励起吸收阈值为3. 75ev,相当于330nm的波长，因此紫外 光区IT0薄膜的光穿透率极低。同时近红外区由于载流子的等离子体 振动现象而产生反射，所以近红外区IT0薄膜的光透过率也是很低 的，但可见光区IT0薄膜的透过率非常好，由图2可知。由以上分析可以看出，由于材料本身特定的物理化

4、学性能，IT0 薄膜具有良好的导电性和可见光区较高的光透过率。2、影响IT0薄膜导电性能的几个因素IT0薄膜的面电阻（R口）、膜厚（d）和电阻率（P ）三者之间是相互关联的，下面给出了这三者之间的计算公式。即图4磁场强度与溅射电压关系o53R二 P / d （1）由公式（1）可以看出，为了获得不同面电阻（R口）的IT0薄膜, 实际上就是要获得不同的膜厚和电阻率。一般来讲，制备IT0薄膜时 要得到不同的膜层厚度比较容易，可以通过调节薄膜沉积时的沉积速 率和沉积的时间来制取所需要膜层的厚度，并通过相应的工艺方法和 手段能进行精确的膜层厚度和均匀性控制。而IT0薄膜的电阻率（P ）的大小则是IT0薄

5、膜制备工艺的关键, 电阻率（P）也是衡量IT0薄膜性能的一项重要指标。公式（2）给 出了影响薄膜电阻率（P）的几种主要因素P 二m*/ne t （2）式（2）中，n、t分别表示载流子浓度和载流子迁移率。当n、t越大，薄膜的电阻率（P ）就越小，反之亦然。而载流子浓度（n） 与IT0薄膜材料的组成有关，即组成IT0薄膜本身的锡含量和氧含量 有关，为了得到较高的载流子浓度（n）可以通过调节ITO沉积材料 的锡含量和氧含量来实现;而载流子迁移率（t ）则与IT0薄膜的结 晶状态、晶体结构和薄膜的缺陷密度有关，为了得到较高的载流子 迁移率（t ）可以合理的调节薄膜沉积时的沉积温度、溅射电压和成 膜的条

6、件等因素。 yw50RF功率(W)0 200 400 600图5射频功率对溅射电压的影响所以从IT0薄膜的制备工艺上来讲,IT0薄膜的电阻率不仅与IT0 薄膜材料的组成（包括锡含量和氧含量）有关，同时与制备IT0薄月莫时 的工艺条件（包括沉积时的基片温度、溅射电压等）有关。有大量的 科技文献和实验分析了 IT0薄膜的电阻率与IT0材料中的Sn、0元素 的含量，以及IT0薄膜制备时的基片温度等工艺条件之间的关系，因 此本文中不再熬述。下面介绍通过低溅射电压制备ITO薄膜的工艺和方法。三、低电压溅射制备ITO薄膜由于ITO薄膜本身含有氧元素，磁控溅射制备ITO薄膜的过程中, 会产生大量的氧负离子，

7、氧负离子在电场的作用下以一定的粒子能量 会轰击到所沉积的ITO薄膜表面，使ITO薄膜的结晶结构和晶体状态 造成结构缺陷。溅射的电压越大，氧负离子轰击月莫层表面的能量也越 大，那么造成这种结构缺陷的几率就越大，产生晶体结构缺陷也越严 重，从而导致了 ITO薄膜的电阻率上升，图3是磁控溅射的电压与 ITO薄膜电阻率的关系曲线。一般情况下，磁控溅射沉积ITO薄膜时 的溅射电压在-400V左右，如果使用一定的工艺方法将溅射电压降到 -200V以下，那么所沉积的ITO薄膜电阻率将降低50%以上（如图3 所示），这样不仅提高了 IT0薄膜的产品质量，同时也降低了产品的 生产成本。根据豪威公司的实际工艺研究

8、和应用的情况，下面介绍两 种在直流磁控溅射制备IT0薄月莫时，降低薄膜溅射电压的有效途径。1、磁场强度对溅射电压的影响如图4是磁控溅射制作IT0薄膜时，磁场对溅射电压影响的实验 曲线。当磁场强度为300G时，溅射电压约为-350v；但当磁场强度升 高到1000G时，溅射电压下降至-250v左右（如图4）。一般情况下, 磁场强度越高、溅射电压越低，但磁场强度为1000G以上时，磁场强 度对溅射电压的影响就不明显了。因此为了降低IT0薄膜的溅射电压，可以通过合理的增强溅射阴 极的磁场强度来实现。2、RF+DC电源使用对溅射电压的影I呵为了有效的降低磁控溅射的电压，以达到降低ITO薄膜电阻率的 目的

9、，豪威公司还进行了以下的工艺实验。即采用了一套特殊的溅射 阴极结构和溅射直流电源，同时将一套3KW的射频电源合理的匹配叠 装在一套6KW的直流电源上，在不同的直流溅射功率和射频功率下进 行降低ITO薄膜溅射电压的工艺研究。当磁场强度为1000G,直流电源的功率为1200W时，通过改变射 频电源的功率，经大量的工艺实验得出了如图5的实验曲线。当射频 功率为600W时,ITO靶的溅射电压可以降到-llOVo因此，RF+DC新 型电源的应用和特殊溅射阴极结构的设计也能有效的降低IT0薄膜 的溅射电压，从而达到降低薄膜电阻率的目的。图6 HDAP法工作原理四、降低ITO薄膜电阻率的新沉积方法-HDAP

10、法这种沉积IT0薄月莫方法的工作原理是利用高密度的电弧等离子 体(HDAP)放电轰击ITO靶材，使ITO材料蒸发，沉积到基体材料上 形成IT0薄膜。由于高能量电弧离子的作用导致IT0粒子中的In、 Sn达到完全离化，从而增强沉积时的反应活性，达到减少晶体结构 缺陷，降低电阻率的目的。如图6是HDAP法的工作原理图。O 5 f 4 3 (Eo GPIO 二图7温度与电阻率的关系曲线豪威公司利用同样成分的IT0材料，其它工艺条件保持一样，并 在同样的基片温度下，分别进行DC磁控溅射、DC+RF磁控溅射、HDAP 法制备IT0薄膜的实验，得出如图7三种制备方法的对比工艺曲线。 由实验结果可以看出，利

11、用HDAP法能获得电阻率较低的IT0薄膜， 尤其是在基片温度不能太高的材料上制备IT0薄膜时，使用HDAP法 制备IT0薄膜可以得到较理想的IT0薄膜。基片温度到350C左右时, 上述三种沉积方法对IT0薄膜电阻率的影响较小。通过扫描电镜对磁控溅射和HDAP法制备的IT0薄月莫进行了微观 分析。如图8所示，图8 (A)、(B)分别是磁控溅射和HDAP法制备的ITO薄膜的表面形貌图，很明显HDAP法制备的IT0薄月莫表面平坦、均匀。500nm 500nm(A) (B)图8 ITO薄膜的表面形貌图HDAP法制备ITO薄膜主要是针对基体材料不能加热，同时又要 求IT0薄月莫的电阻率较低的制成比较适用

12、。五、ITO薄膜的主要应用和国内制成设备的发展1、IT0薄膜的主要应用随着显示器件行业的飞速发展，对IT0薄膜的产品性能特性提出 了新的要求。同时IT0薄膜制备技术的深入发展，使显示器件的需要 变成可能。表1给出了不同性能的IT0薄膜在不同显示器件中的应用。1T0簿胰特性要求值症用嗚例膘厚面电阻-电皑率300A300 0/ 口一10x10 9 询r融摸式控制扳200A200 Q/口4x10 -0 cm5X10 f5x10 GUI.TFT,田像转感霞1000A2000A300A200/口100/口100Q/口 rgjaFcni4x10 cm.STN.TFT的双向电极.TN表1 ITO薄膜指标与应

13、用实例豪威公司多年来在IT0薄膜的成膜机理和制备工艺等方面的深 入研究和开发，形成了一系列完整而独特的IT0薄膜制备方法。2、IT0薄膜制成设备在国内的发展在国内，IT0薄膜设备的制造和发展是20世纪80年代开始的， 主要是一些单体式的真空镀膜设备，由于IT0工艺和制成方法的限 制，因此产品品质较差、产量较小，当时的产品主要用作普通的透明 电极和太阳能电池等方面。图 9(A) 图 9(B)20世纪90年代初，随着LCD器件的飞速发展，对IT0薄膜产品 的需求量也是急剧的增加，国内部分厂家纷纷开始从国外引进一系列 整厂IT0镀膜生产线，但由于进口设备的价格昂贵，技术服务不方便 等因素，使许多厂商

14、还是望而却步。深圳豪威公司充分利用自身的技 术优势和合理的整合各个方面的外部资源，开始了 IT0薄膜工艺的开 发和设备的研制，先后研制和推出了四代大型平板显示IT0薄膜生产 线不但满足了市场的需要，同时也进一步推动了 IT0薄膜技术在中国 的发展。80年代末，中国诞生了第一条TN-LCD用IT0连续镀膜生产线(图 9 (A)。该生产线采用的工艺路线是将钢锡合金材料利用直流磁 控溅射的原理沉积到基片的表面，并进行高温氧化处理，将钢锡合金 薄膜转换成所需的IT0薄膜。这种生产线的特点是设备的产能较低， 质量较差，工艺调节复杂。90年代中期，随着国内LCD产业的发展，对IT0产品的需求量 增大的同时

15、，对产品的质量有了新的要求，因此出现了第二代IT0镀 膜生产线(图9 (B)。该生产线不仅产量比第一代生产线有了大 幅度的提升，同时由于直接采用ITO陶瓷靶材沉积IT0薄膜，并兼容 了射频磁控溅射沉积SiO?薄膜的工艺，使该生产线无论从产品的质量 上、还是工艺可控性等方面与第一代生产线相比均有了质的飞跃。99年，随着豪威公司与清华大学联合开发的中频反应磁控溅射沉积SiO?薄膜工艺的成功，有效的解决了射频磁控溅射沉积SiO?薄 膜的沉积速率慢影响生产线的产能和设备的利用率等一系列问题，同 时出现了第三代大型高档IT0薄膜生产线(图9 (C)。该生产线 成功应用了中频反应溅射SiOL薄膜的工艺、采

16、用全分子泵无油真空系 统、独立的全自动小车回架机构。该生产线具备生产中高档STN-LCD 用IT0薄膜材料的能力。图10卷绕式镀膜系统随着反射式LCD,增透式LCD、LCOS图影机背投电视等显示器件 的发展，对IT0薄膜产品提出了新的要求， SiO2/ITO两层膜结 构的IT0薄膜材料满足不了使用的需要，而比须采用多层复合膜系已 达到产品的高反射性、或高透过率等光学性能要求。豪威公司积累多 年的设计开发经验，推出了第四代大型多层薄膜生产线(图9(D) ) o 该生产线由15个真空室组成，采用全分子泵无油真空系统、使用了 RF/MF/DC三种磁控溅射工艺、通过PEM/PCV进行工艺气体的控制。

17、该生产线具有连续沉积五层薄膜的能力，主要能生产以下一些膜系的 薄膜:1) Al/Si02/Ti02/Si02/Ti023） ITO/Ag/ITO （OLED 用）4） 其它多层膜产品随着PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起，相应材料 的制成设备也应运而生。由于触摸式产品工作原理的特殊性，其所需 的IT0薄膜必须是在柔性材料（PET）上制成的，薄膜的沉积温度不 能太高（小于120C）,同时要求ITO膜层较薄、面电阻高而且均匀, 所以对IT0薄膜的沉积工艺提出了严格的要求。图10所示是一条多 层膜卷然式镀膜设备，专门制作触摸屏用IT0薄膜等相关薄膜产品。 该系统采用多个真空室、多个溅射阴极5臀卤谜婵障低场V饕 荒谱 輔？产品有:1) IT0/Si02(Touch Panel 用)2) IT0/Si02(LCD 用)3) AR-Film(Si02/Ti02/Si02/Ti02)4） Cu/Cr随着有机电致发光显示器（OLED）以及其它显示器件的发展，对 IT0薄膜的制成工艺和设备将会有更新、更高的要求，同时也有力的 推动了 IT0薄膜制成设备的发展，因此、IT0薄膜设备将会有一个更 为广阔的发展前景。