你知道什么是ITO薄膜么？
1、引言
TCO( Transparent Conductive Oxide) 薄膜*早出現(xiàn)在20 世紀(jì)初，1907年Badeker**制成CdO透明導(dǎo)電膜，從此引發(fā)了透明導(dǎo)電膜的開發(fā)與應(yīng)用，1968年InSn氧化物和InSn合金被報(bào)道，在其理論研究和應(yīng)用研究引起廣泛的興趣。這些氧化物均為重?fù)诫s、高簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，半導(dǎo)體機(jī)理為化學(xué)計(jì)量比偏移和摻雜，其禁帶寬度一般大于3eV ，并隨組分不同而變化，它們的光電性能依賴于金屬的氧化狀態(tài)以及摻雜劑的特性和數(shù)量。
ITO薄膜有復(fù)雜的立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，*低電阻率接近10^- 5Ω·cm 量級(jí)，可見(jiàn)光范圍內(nèi)平均光透過(guò)率在90%以上，其優(yōu)良光電性質(zhì)使之成為具有實(shí)用價(jià)值的TCO薄膜。
ITO透明導(dǎo)電膜除了具有高可見(jiàn)光透過(guò)率和高電導(dǎo)率，還具備其它優(yōu)良的性能，如高紅外反射率、與玻璃有較強(qiáng)的附著力、良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性、用酸溶液濕法刻蝕工藝容易形成電極圖等，被廣泛地應(yīng)用于平板顯示器件、微波與射頻屏蔽裝置、敏感器件和太陽(yáng)能電池等很多領(lǐng)域。特別是近年來(lái)液晶等平板顯示器件的崛起，更促進(jìn)了ITO薄膜的研究和需求。
2、ITO薄膜的導(dǎo)電機(jī)制和特性
In2O3是直接躍遷寬禁帶半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)是立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)。由于在In2O3形成過(guò)程中沒(méi)有構(gòu)成完整的理想化學(xué)配比結(jié)構(gòu)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中缺少氧原子(氧空位) ，因此存在過(guò)剩的自由電子，表現(xiàn)出一定的電子導(dǎo)電性。同時(shí)，如果利用高價(jià)的陽(yáng)離子如Sn摻雜在In2O3 晶格中代替In^3 的位置，則會(huì)增加自由導(dǎo)電電子的濃度，進(jìn)而提高氧化銦的導(dǎo)電性。在ITO薄膜中，Sn一般以Sn^2 或Sn^4 的形式存在，由于In在In2O3中是正三價(jià)，Sn^4 的存在將提供一個(gè)電子到導(dǎo)帶，相反Sn^2 的存在將降低導(dǎo)帶中電子的密度。另外，SnO自身呈暗褐色，對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率較差。在低溫沉積過(guò)程中，Sn在ITO中主要以SnO的形式存在，導(dǎo)致較低的載流子濃度和高的膜電阻。經(jīng)過(guò)退火處理，一方面能促使SnO向SnO2轉(zhuǎn)變，使薄膜進(jìn)一步氧化，另一方面促使薄膜中多余的氧脫附，從而達(dá)到降低膜電阻，提高膜的可見(jiàn)光透過(guò)率的目的。
ITO透明導(dǎo)電膜的特性：
⑴導(dǎo)電性能好，電阻率可達(dá)10^- 4Ω·cm ；
⑵可見(jiàn)光透過(guò)率高，可達(dá)85 %以上；
⑶對(duì)紫外線具有吸收性，吸收率≥85 %；
⑷對(duì)紅外線具有反射性，反射率≥80 %；
⑸對(duì)微波具有衰減率，衰減率≥85 %；
⑹膜層硬度高、耐磨、耐化學(xué)腐蝕；
⑺膜層加工性能好，便于刻蝕等。
3、ITO薄膜的制備方法及工藝
可以用來(lái)制備ITO薄膜的成膜技術(shù)很多，如磁控濺射沉積 、真空蒸發(fā)沉積和溶膠- 凝膠( Sol -Gel)法等。
3.1 磁控濺射沉積
磁控濺射沉積可分為直流磁控濺射沉積和射頻磁控濺射沉積。
直流磁控濺射是目前應(yīng)用較廣的鍍膜方法，一般使用導(dǎo)電銦錫合金靶，濺射室抽真空后除了要通入惰性氣體Ar ，還要通入反應(yīng)氣體O2 。濺射的基本過(guò)程：靶材是需要濺射的材料作為陰極，作為陽(yáng)極的襯底加有數(shù)千伏的電壓。在對(duì)系統(tǒng)預(yù)抽真空后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，例如Ar ，作為氣體放電的載體，和少量O2作為反應(yīng)氣體，總壓力一般處于10^- 1～10Pa 范圍內(nèi)。在正負(fù)電極高壓作用下，極間的氣體原子將大量電離，電離過(guò)程使Ar原子電離為Ar 離子和可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子，其中電子飛向陽(yáng)極，帶正電荷的Ar 離子在高壓電場(chǎng)的加速作用下高速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過(guò)程中釋放出能量，撞擊的結(jié)果之一就是大量的靶材表面原子獲得相當(dāng)高的能量，使其脫離原晶格束縛而飛向襯底，和高活性的O等離子體反應(yīng)并沉積在襯底上形成ITO薄膜。
濺射成膜后一般要進(jìn)行熱處理。針對(duì)不同的成膜工藝，可以有兩種方式。若沉積膜為缺氧、不透明的ITO膜，則一般應(yīng)在氧氣氣氛或空氣等氧化性氣氛下進(jìn)行熱處理；反之若所沉積膜含氧較多、透明度高而電導(dǎo)率較低，則應(yīng)該在真空或氮?dú)浠旌蠚膺€原氣氛下進(jìn)行?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)盡可能防止銦錫合金靶“中毒”，提高成膜速率以及基片溫度不宜取得過(guò)高等要求，使沉積膜處于缺氧狀態(tài)是一種較好的選擇。
該工藝適合進(jìn)行連續(xù)鍍ITO膜層， ITO膜具有膜層厚度均勻、易控制、膜重復(fù)性好、穩(wěn)定、適于連續(xù)生產(chǎn)、可鍍大面積、基片和靶相互位置可按理想設(shè)計(jì)任意放置、可在低溫下制取致密的薄膜層，該工藝適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，是目前應(yīng)用*廣的鍍膜方法。需要改善的是該工藝對(duì)設(shè)備的真空要求較高；膜的光電性能對(duì)各種濺射參數(shù)的變化比較敏感，因此工藝調(diào)節(jié)比較困難，同時(shí)靶材的利用率也較低(20%左右) 。
射頻磁控濺射沉積使用了射頻電源來(lái)解決直流磁控濺射沉積絕緣介質(zhì)薄膜時(shí)存在的“液滴”、異常放電等問(wèn)題。使用絕緣的銦錫陶瓷靶沉積ITO膜對(duì)工藝調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，制備的ITO膜的成分和靶材的成分基本一致，但陶瓷靶的制作工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，同時(shí)射頻濺射沉積速率低，基片升溫高(對(duì)基片的要求高) ，射頻電源效率低，設(shè)備復(fù)雜，且射頻輻射對(duì)工作人員的健康也有相當(dāng)?shù)奈：Α?/span>
在鍍膜工藝生產(chǎn)時(shí)， ITO膜主要特性是透明和導(dǎo)電，影響這兩個(gè)指標(biāo)的*主要工藝參數(shù)有濺射電壓、沉積速率、基片溫度、濺射總壓、氧分壓及靶材的Sn/ In組分比(一般是1/9) 。
3.2 真空蒸發(fā)沉積
傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)法廣泛地被應(yīng)用于制備包裝用的鋁膜和各種光學(xué)薄膜等生產(chǎn)中，由于它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、沉積速率高的優(yōu)點(diǎn)，這種方法也可用于制備ITO 膜。
一種作法是直接加熱蒸發(fā)In2O3和SnO2的混合膜料，由于膜料的蒸發(fā)溫度太高，因此必須采用電子束轟擊加熱，而不適合在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用。另一種作法是使用電阻加熱蒸發(fā)舟蒸發(fā)熔點(diǎn)低的In和Sn混合料，同時(shí)反應(yīng)室中通入氧氣，通過(guò)反應(yīng)生成ITO膜。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低。但要得到性能優(yōu)良的膜，沉積時(shí)基片必須加熱到較高的溫度，并且必須進(jìn)行熱處理。
近年來(lái)，為了提高膜的質(zhì)量和降低基片溫度，發(fā)展了等離子體輔助蒸發(fā)制備ITO膜的方法 ，即在真空室中增設(shè)電極，施加直流電壓，形成直流輝光放電等離子體。由于等離子體對(duì)基片的轟擊和對(duì)膜料分子的活化作用，提高了膜的質(zhì)量，降低了基片溫度。但是基片溫度仍然維持在200 ℃以上，而且由于直流輝光放電條件的限制，氧分壓必須維持在100Pa以上(在較低的氧分壓下，放電將熄滅)。我們知道決定ITO膜電學(xué)性能的*主要的參量之一是氧空位的濃度，低的氧分壓有可能形成高濃度的氧空位，以獲得高的電導(dǎo)率。
3.3 溶膠- 凝膠(Sol-Ge) 法
溶膠-凝膠法是制備高性能顆粒、纖維和薄膜的新型方法，80年代初將溶膠-凝膠法應(yīng)用于鍍ITO膜，將異丙醇銦[In(OC3H7)3]和異丙醇錫[Sn(OC3H7 4]溶于酒精，超聲混合成溶膠，再用旋轉(zhuǎn)法或提拉法鍍?cè)诓ＡП砻?，陳化后進(jìn)行400～500℃的熱處理除去有機(jī)成分，然后在還原氣氛中冷卻到200℃以下。用溶膠-凝膠法可以鍍10～12m^2大面積的膜，以制備低輻射(LE)玻璃與中空玻璃。
此法易于控制薄膜的成分，可以在分子水平控制摻雜，適合摻雜水平要求**的薄膜，同時(shí)可使原材料在分子水平緊密結(jié)合，薄膜高度均勻，通過(guò)選擇溶劑、調(diào)整濃度、添加催化劑，可以容易地控制溶膠性質(zhì)，控制膜厚度，提拉法還可以雙面鍍膜。
總之，溶膠- 凝膠法無(wú)需真空設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單，適用于大面積且形狀復(fù)雜的基體，對(duì)基體無(wú)損傷，對(duì)ITO薄膜的大型產(chǎn)業(yè)化有非常重要的作用。
用溶膠- 凝膠法制備光電性具佳的ITO膜受到很多因素的影響，其中包括：摻Sn比例、金屬離子濃度、提拉速度、燒制溫度等。只有選擇合適的摻Sn比例(12%左右) 、盡量大的金屬離子濃度(約0.64M) 、適當(dāng)?shù)奶崂俣?、盡可能高的溫度才能制備出優(yōu)良的ITO膜。
4、應(yīng)用
ITO薄膜因其透明、導(dǎo)電的優(yōu)良性能而應(yīng)用廣泛。目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域有平板液晶顯示(LCD)、電致發(fā)光(ELD)、太陽(yáng)能電池透明電極；由于它對(duì)光波的選擇性(對(duì)可見(jiàn)光的高透過(guò)率，對(duì)遠(yuǎn)紅外光的高反射率)可作為低輻射玻璃，用于寒冷地區(qū)的建筑玻璃窗起熱屏障作用，在高緯度的地方采用低輻射玻璃熱量傳輸損失可降低40%左右；由于ITO玻璃導(dǎo)電，可使用在需要屏蔽電磁波的場(chǎng)所，如計(jì)算機(jī)機(jī)房、雷達(dá)的屏蔽保護(hù)區(qū)甚至隱形飛機(jī)上，可以做防電磁干擾的透明屏窗或屏蔽層；由于ITO薄膜的折射率(在1.8～1.9的范圍內(nèi))和導(dǎo)電性，它適合用于硅太陽(yáng)能電池的減反射涂層和光生電流的收集，在光熱轉(zhuǎn)換利用中，作為有效利用太陽(yáng)熱的選擇性透過(guò)膜，把熱能有效地“捕集”到太陽(yáng)能收集器中。
基于直流磁控濺射、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積和新發(fā)展起來(lái)的溶膠- 凝膠技術(shù)的開發(fā)成熟，ITO薄膜已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化持續(xù)發(fā)展，日益成熟。但由于銦是稀散元素，在自然界中儲(chǔ)存量少，價(jià)格較高，研究者也在尋找性價(jià)比更高的透明導(dǎo)電薄膜，摻鋁的ZnO 薄膜是公認(rèn)的*有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧现弧?/span>
目前，隨著大屏幕、高清晰度液晶顯示普及，全世界能源的匱乏和環(huán)保的需要，也體現(xiàn)出太陽(yáng)能電池良好的發(fā)展前景，不久的將來(lái)以ITO為代表的透明導(dǎo)電薄膜的理論研究和實(shí)際應(yīng)用都將邁上一個(gè)新的臺(tái)階。
