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ITO薄膜

Nov 08, 2016

TCO(透明导电氧化物)膜首次出现在二十世纪初1907年,Badeker CdO制成了第一个透明导电膜,并且导致了透明导电膜的开发和应用,1968年的InSn氧化物和InSn合金被报道,引起了广泛的对其理论和应用研究感兴趣。 这些是重,高掺杂氧化物的退化半导体,半导体机构作为化学计量偏移和掺杂,带隙通常大于3eV,并且随着不同的组分和它们的光学性质的变化取决于金属氧化态和掺杂剂的特性和数量。



ITO薄膜具有立方晶体结构复合体,电阻率接近10 ^ -5。CM级数,可见光范围平均透光率在90%以上,其优良的光电性能使TCO薄膜具有实用价值。



ITO透明导电膜具有高可见光透射率和高导电性,而且还具有其他优异的性能,如高红外反射率,玻璃具有很强的附着力,良好的机械强度和化学稳定性,酸溶液通过湿蚀刻工艺形成电极,是广泛应用于平板显示器,微波炉与射频屏蔽装置,敏感装置和太阳能电池等领域。 特别是近年来平板显示器件如液晶的兴起,也促进了ITO薄膜的研究和需求。



ITO薄膜的传导机理和性能

In2O3是直接过渡宽带隙半导体材料,其晶体结构为立方铁锰矿结构。 由于In2O3的形成过程中不构成完全理想的化学成分,晶体结构缺乏氧原子(氧空位),存在剩余的自由电子,显示出一定的电子导电性。 同时,如果昂贵的阳离子如Sn掺杂在In2O3晶格中代替In ^ 3 +,则会增加自由导电电子的浓度,从而提高氧化铟的导电率。 在ITO薄膜中,Sn通常为Sn 2+或Sn 4+的形式,因为In在In 2 O 3中为正,所以Sn 4+的存在将为导带提供电子,与存在的Sn ^ 2 +将降低导带中的电子密度。 此外,SnO本身是深棕色,可见光的透光率差。 在低温沉积过程中,Sn主要以ITO的形式存在于SnO,导致载流子浓度降低,膜电阻更高。 退火处理后,一方面可以过渡到SnO2 SnO,膜进一步氧化,另一方面对膜进行过多的氧解吸,从而降低膜电阻,提高膜的可见光透过率。



ITO透明导电膜的性能:

电导率好,电阻率为10 ^ - 4. Cm;

高可见光透光率可达85%以上;

随着紫外吸收,吸收率大于85%;

反射红外反射率大于80%;

随着微波衰减率的衰减率大于85%;

该膜由高硬度,耐磨,耐化学腐蚀;

该膜,加工性能好,易蚀刻。

3,ITO薄膜制备方法及技术

ITO膜可用于制备大量成膜技术,如磁控溅射沉积,真空蒸发沉积和溶胶凝胶(-Gel Sol)等。

3.1磁控溅射沉积

磁控溅射沉积可分为直流磁控溅射沉积和射频磁控溅射沉积。



直流磁控溅射是一种广泛应用的涂层方法,一般采用导电铟锡合金靶,溅射室真空后,除惰性气体外还要泵入Ar,还可通过反应气体O2。 需要溅射靶的基本过程:溅射材料作为阴极,阳极作为具有数千伏特电压的衬底。 在系统预泵送之后,惰性气体如Ar作为气体放电的载体的适当压力和少量的作为反应气体的O 2,总压力通常在10 ^ -1〜 10Pa。 电极之间具有高压气体原子的正极和负极将是大量的电离,Ar原子离子化电离Ar +离子的离子化过程和独立运动,其中电子朝向阳极,Ar +带正电荷的离子在加速效应的高电压电场作为阴极,目标作为阴极,并在与目标物冲击的过程中释放能量,其中一个冲击是大量目标表面原子的结果,以获得非常高的能量,从原始晶格与衬底的束缚,以及具有高活性的O等离子体反应并在衬底上沉积ITO薄膜。

溅射后,通常通过热处理来处理该膜。 对于不同的成膜过程,有两种方法。 如果沉积膜是ITO膜缺氧,不透明,一般热处理应在氧气氛或空气氧化气氛中进行; 如果沉积膜含氧量较高,透明度高,导电性低,则应在真空或氮气混合气氛中进行还原气氛。 考虑到工业生产应尽可能防止铟锡合金靶材“中毒”,提高膜速率和基板温度不宜高要求,沉积膜在缺氧状态下是较好的选择。



该工艺适用于连续镀ITO膜,厚度均匀的ITO膜,控制方便,重复性好,膜稳定性好,连续生产,适用于大面积,每个电镀基板和靶材的位置可以在任何地方,可以设计理想的在低温下获得薄膜层,该工艺适合大规模工业化生产,是目前应用最广泛的涂层方法。 需要改进设备的过程对较高的真空要求; 电影光电



3.2真空蒸发沉积

传统的真空蒸发方法广泛用于制备铝膜和包装生产的光学薄膜,因为它具有设备简单,沉积速度快的优点,可用于制备ITO膜。

一种方法是直接加热In2O3和SnO2的混合物,膜的蒸发温度过高,必须通过电子束轰击加热,不适合在工业生产中使用。 另一种方法是使用电阻加热蒸发舟蒸发低熔点的In和Sn混合物,而反应室通过氧气,通过反应生成ITO膜。 这种方法简单,成本低。 但是,对于薄膜沉积的优异性能,基板必须被加热到更高的温度,并且必须进行热处理。

近年来,为了提高膜的质量和降低基板温度,开发了用于等离子体辅助制备ITO膜蒸发系统的方法,即在真空室中产生电极,将DC电压施加到DC发光放电等离子体。 由于等离子体对衬底的轰击和膜材料的激活,膜质量得到改善,并且衬底温度降低。 但是基板温度仍然保持在200摄氏度以上,由于直流辉光放电条件的限制,氧分压必须保持在100Pa以上(在较低的氧分压下,放电将熄灭)。 我们知道,确定ITO膜的电性能的最重要的参数之一是氧空位的浓度,低氧分压可能形成高浓度的氧空位以获得高导电性。



3.3溶胶凝胶(Sol-Ge)法

溶胶凝胶法是高性能纤维颗粒的新方法,80年代初通过溶胶 - 凝胶法制备的薄膜将应用于ITO膜的沉积,异丙基铟[In(OC3H7)3]和[ Sn(OC3H7 4)锡异丙醇可溶于醇,超声波混合溶胶,然后在玻璃表面旋转或镀覆法,经老化400〜500度热处理后除去有机成分,然后在还原气氛冷却至200℃。通过溶胶凝胶法沉积10〜12m ^ 2的大面积薄膜以制备低辐射(LE)玻璃和中空玻璃。

这种方法易于控制膜组成,掺杂可以在分子水平上进行控制,合适的掺杂水平需要精确的膜,也可以使原料分子水平接近,薄膜均匀,通过选择溶剂,浓度,催化剂用量调节,可以很容易地控制溶胶,膜厚控制,切克劳斯基法也可以双重涂层。

总之,溶胶凝胶法不需要真空设备,工艺简单,适合大面积复杂的基体形状,对基材无损伤,ITO薄膜的大规模工业化具有非常重要的作用。

通过ITO膜具有良好光电性能的溶胶 - 凝胶法制备了许多因素,包括:Sn掺杂比例,金属离子浓度,拉速,焙烧温度等。只选择适当的Sn掺杂比(约12%) ,金属离子的浓度尽可能大(约0.64M),适当的生长速率,最高可能的温度来制备ITO薄膜。



4,申请

ITO薄膜由于其透明性和导电性的优异性而被广泛使用。 目前,平板液晶显示器(LCD)和电致发光(ELD),太阳能电池透明电极的主要应用领域; 它由于光(选择性高可见光透射率,红外光反射率高)可用作Low-E玻璃,建筑玻璃窗用于在低温区域的热屏障效应,低辐射玻璃,传热损失可降低约高纬度地区为40%; 因为ITO可以用于导电玻璃,需要屏蔽电磁波屏蔽的地方,如预备电脑室,甚至雷达隐形飞机,可以做一个透明的屏风窗或屏蔽层,以防止电磁干扰; 由于ITO膜的折射率(在1.8〜1.9的范围内)和导电率,适用于硅太阳能电池的抗反射涂层,并收集光电流,光热转换和利用,太阳的热量也是选择性地通过膜,并且热能被有效地“捕获”到太阳能收集器中。

基于直流磁控溅射,金属有机化学气相沉积和新开发的溶胶 - 凝胶技术开发成熟,ITO膜已被应用于许多领域,工业化和可持续发展,成熟。 但是由于铟是分散元素,存储量较少,价格较高,研究人员也在寻找更具成本效益的透明导电膜,掺杂铝的ZnO薄膜被认为是最有希望的材料之一。



目前,随着大屏幕,高清晰度液晶普及,需要全球能源短缺和环保,也体现了太阳能电池的良好前景,近期以ITO为代表的透明导电薄膜的理论研究和实际应用将会进入一个新的舞台。