已看ITO薄膜性能及制成技术的发展.doc

ITO薄膜性能及制成技术的发展 摘要 近年来，随着显示器件行业的飞速发展，对ITO透明导电膜的各项技术性能和制成提出了新的、更高的要求。本文将对ITO薄膜的基本性能、制成方法和应用进行综述。 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SnO2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In2O3首次被制成，特别是在In2O3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 ITO的结晶结构 掺锡氧化铟（即Indium Tin Oxide, 简称ITO）材料是一种n型半导体材料，由于具有高的导电率、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 ITO薄膜透过率曲线 二、 ITO薄膜的基本性能1、ITO薄膜的基本性能如图1所示ITO（In2O3:SnO2=9:1）的微观结构，In2O3里掺入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，因为In2O3中的In元素是三价，形成SnO2时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1021cm-3的载流子浓度和10至30cm2/vs的迁移率。这个机理提供了在10-4 图3 溅射电压与电阻率关系曲线 ITO是一种宽能带薄膜材料，其带隙为3.5-4.3ev。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ITO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ITO薄膜的光透过率也是很低的，但可见光区ITO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学性能，ITO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ITO薄膜导电性能的几个因素ITO薄膜的面电阻（R□）、膜厚（d）和电阻率（ρ）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 R□=ρ/ d （1）由公式（1）可以看出，为了获得不同面电阻（R□）的ITO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ITO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ITO薄膜的电阻率（ρ）的大小则是ITO薄膜制备工艺的关键，电阻率（ρ）也是衡量ITO薄膜性能的一项重要指标。公式（2）给出了影响薄膜电阻率（ρ）的几种主要因素ρ=m*/ne2τ (2)式（2）中，n、τ分别表示载流子浓度和载流子迁移率。当n、τ越大，薄膜的电阻率（ρ）就越小，反之亦然。而载流子浓度（n）与ITO薄膜材料的组成有关，即组成ITO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（τ）则与ITO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（τ）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件等因素。 图5 射频功率对溅射电压的影响 所以从ITO薄膜的制备工艺上来讲，ITO薄膜的电阻率不仅与ITO薄膜材料的组成(包括锡含量和氧含量)有关，同时与制备ITO薄膜时的工艺条件（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ITO薄膜的电阻率与ITO材料中的Sn、O2元素的含量，以及ITO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,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，氧负离子轰击膜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