透明导电材料的基本性能CTO知识酷显示技术

京东方知识酷显科技|显示信息 |PPT|知识管理

由 DAS BG CTO 知识管理科制作

推特#658

ITO是一种N型氧化物半导体——铟锡氧化物。 ITO薄膜是一种铟锡氧化物半导体透明导电薄膜，通常具有电阻率和透光率两个性能指标。

发展

真正的 ITO 薄膜研究工作是在 19 世纪末，当时在光电导材料上获得了非常薄的金属薄膜。透明导电材料的研究进入一个新时期或应主要用于二战时期飞机的除冰窗玻璃。 1950年，第一次制成第二透明半导体氧化物In2O3，特别是在In2O3掺锡后，使这种材料在透明导电薄膜中得到广泛应用，具有广阔的应用前景。

基本性能

一、ITO薄膜的基本性质ITO（In2O3:SnO2=9:1）微观结构，在In2O3中掺杂Sn后，Sn元素可以代替In2O3晶格中的In元素而存在以SnO2的形式，由于In2O3中的In元素是三价的，当SnO2形成时，它会给导带一个电子，同时会产生一定缺氧状态的氧空穴，形成1020 到 1021cm-3 载流子浓度和迁移率从 10 到 30 cm2/vs.

这种机制提供了大约 10-4Ω.cm 的低薄层电阻率，因此 ITO 薄膜具有半导体的导电特性。 ITO是一种宽带薄膜材料，带隙为3.5-4.3ev。紫外区禁带的激发吸收阈值为3.75ev，相当于330nm的波长，因此ITO薄膜在紫外区的透光率极低。同时氧化铟锡膜，由于载流子的等离子体振动反射近红外区，所以近红外区ITO薄膜的透光率也很低，但ITO薄膜在可见光区的透光率地区非常好。物理化学性质，ITO薄膜在可见光区具有良好的导电性和较高的透光率。

二、影响ITO薄膜导电性的几个因素 ITO薄膜的薄层电阻（R）、膜厚（d）和电阻率（ρ）是相互关联的。之间的计算公式为：R=ρ/d。从公式中可以看出，为了获得不同薄层电阻（R）的ITO薄膜，实际上需要获得不同的薄膜厚度和电阻率。

一般来说，制备ITO薄膜时更容易获得不同的膜厚。在成膜过程中，通过调整成膜速度和成膜时间，通过相应的工艺方法和手段进行精确的膜厚和均匀性控制，即可得到所需的膜厚。

ITO薄膜的电阻率(ρ)的大小是ITO薄膜制备工艺的关键，而电阻率(ρ)也是衡量ITO薄膜性能的重要指标。公式 ρ=m/ne2T 给出了影响薄膜电阻率 (ρ) 的几个主要因素，其中 n 和 T 分别代表载流子浓度和载流子迁移率。当n和T较大时，薄膜的电阻率（ρ）较小，反之亦然。载流子浓度（n）与ITO薄膜材料的组成，即ITO薄膜本身的锡含量和氧含量有关。为了获得更高的载流子浓度（n），可以通过调节和氧含量来调节ITO沉积材料的锡含量；载流子迁移率 (T) 与 ITO 薄膜的晶态、晶体结构和缺陷密度有关。为了获得更高的载流子迁移率（T），可以合理调整成膜温度、溅射电压和成膜条件等因素。

所以从ITO薄膜的制备工艺来看，ITO薄膜的电阻率不仅与ITO薄膜材料的成分（包括锡含量和氧含量）有关，还与工艺有关制备ITO薄膜时的条件（包括沉积过程中的基材）。板温度、溅射电压等）。有大量的科学文献和实验分析了ITO薄膜的电阻率与ITO材料中Sn和O2元素含量的关系，以及ITO薄膜制备过程中的衬底温度等工艺条件.

三、低溅射电压制备ITO薄膜的工艺及方法

1、低压溅射制备ITO薄膜 由于ITO薄膜本身含有氧，在磁控溅射制备ITO薄膜的过程中会产生大量的负氧离子。粒子的能量会轰击沉积的ITO薄膜表面，导致ITO薄膜的晶体结构和晶态出现结构缺陷。溅射电压越大，负氧离子轰击膜层表面的能量越大，产生此类结构缺陷的概率越大，晶体结构缺陷越严重，导致电阻率升高。 ITO薄膜。一般情况下，磁控溅射沉积的ITO薄膜的溅射电压在-400V左右。如果采用某种工艺方法将溅射电压降低到-200V以下，沉积的ITO薄膜的电阻率将降低50%以上。这样既提高了ITO薄膜的产品质量，又降低了产品的生产成本。

2、直流磁控溅射降低ITO薄膜溅射电压的两种有效方法。磁场强度对溅射电压的影响 当磁场强度为300G时，溅射电压约为-350v；但当磁场强度增加到1000G时，溅射电压下降到-250v左右。一般来说，磁场强度越高，溅射电压越低，但当磁场强度在1000G以上时，磁场强度对溅射电压的影响并不明显。因此，为了降低ITO薄膜的溅射电压，可以通过合理提高溅射阴极的磁场强度来实现。 RF+DC电源对溅射电压的影响为了有效降低磁控溅射的电压，降低ITO薄膜的电阻率，可以采用特殊的溅射阴极结构和溅射直流电源。一套3KW射频电源在一套6KW直流电源上合理匹配堆叠，在不同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，直流电源功率为1200W时，通过改变射频电源的功率，通过大量工艺实验得到：“当射频功率为600W时，溅射电压ITO 目标的电压可以降低到 -110V”。因此，新型RF+DC电源的应用和特殊溅射阴极结构的设计，也可以有效降低ITO薄膜的溅射电压，从而达到降低薄膜电阻率的目的。

3、一种降低ITO薄膜电阻率的新沉积方法-HDAP法形成ITO薄膜的基材。由于高能电弧离子的作用，ITO颗粒中的In和Sn被完全电离，从而提高了沉积过程中的反应活性，减少了晶体结构缺陷，降低了电阻率。

使用相同成分的ITO材料，其他工艺条件保持不变，在相同衬底温度下，“DC磁控溅射”、“DC+RF磁控溅射”、“HDAP法制备ITO”薄膜”实验.

从实验结果可以看出，HDAP法可以得到低电阻率的ITO薄膜，特别是在衬底温度不能太高的材料上制备ITO薄膜时氧化铟锡膜，采用HDAP法制备ITO薄膜可以获得理想的 ITO 薄膜。 ITO薄膜。当衬底温度达到350℃左右时，三种沉积方法对ITO薄膜的电阻率影响不大。

通过扫描电子显微镜对磁控溅射和HDAP方法制备的ITO薄膜进行显微分析。可见HDAP法制备的ITO薄膜表面平整、均匀。 HDAP法制备ITO薄膜主要适用于制备不能加热的基材，同时要求ITO薄膜的电阻率较低。

主要应用

随着显示器件行业的快速发展，对ITO薄膜的产品性能特性提出了新的要求。同时，ITO薄膜制备技术的深入发展，使得满足显示器件的需求成为可能。不同性能的ITO薄膜可用于不同的显示设备。

在中国的发展

在中国，ITO薄膜设备的制造和开发始于1980年代，主要针对一些单型真空镀膜设备。由于ITO技术和制造方法的限制，产品质量较差，产量相对较低。小，当时的产品主要用作普通透明电极和太阳能电池。

1990年代初期，随着LCD器件的飞速发展，对ITO薄膜产品的需求也急剧增加。国内一些厂商开始从国外引进一系列整厂ITO镀膜生产线。价格高昂、技术服务不便等因素，让很多厂商望而却步。

1980年代后期，中国第一条用于TN-LCD的ITO连续镀膜生产线诞生。该生产线采用的工艺路线是利用直流磁控溅射原理将铟锡合金材料沉积在基板表面，并进行高温氧化处理，将铟锡合金薄膜转化为所需的ITO电影。这种生产线的特点是设备产能低、质量差、工艺调整复杂。

1990年代中期，随着国内LCD产业的发展，对ITO产品的需求增加，同时对产品的品质也有了新的要求，于是第二代ITO镀膜生产线条出现。该生产线不仅产量较一代生产线有明显提升，而且由于直接使用ITO陶瓷靶材沉积ITO薄膜，兼容射频磁控溅射沉积SiO2薄膜工艺，生产线无论产品质量如何。与一代生产线相比，在生产和过程可控性方面有了质的飞跃。

1999年，有效解决了射频磁控溅射沉积SiO2薄膜沉积速度慢，影响生产线产能和设备利用率，第三代大...规模化高档ITO薄膜生产线同时出现。该生产线成功应用了中频反应溅射SiO2薄膜工艺，采用全分子泵无油真空系统，独立的小车自动返回机构。该生产线具备生产STN-LCD用中高档ITO薄膜材料的能力。

随着反射式液晶显示器、减反射液晶显示器、LCOS视频投影仪、背投电视等显示器件的发展，对ITO薄膜产品提出了更高的要求。具有SiO2/ITO两层膜结构的ITO膜材料满足要求不需要使用，但需要使用多层复合膜系统来满足高反射率或高透射率等光学性能要求的产品。凭借多年的设计开发经验，国内厂商已推出第四代大型多层膜生产线。该生产线由15个真空室组成。采用全分子泵无油真空系统，采用RF/MF/DC三种磁控溅射工艺，通过PEM/PCV控制工艺气体。该生产线具备连续沉积五层薄膜的能力。

随着PDA、电子书等触控输入电子产品的悄然兴起，相应材料的生产设备也应运而生。由于触控式产品工作原理的特殊性，所需的ITO薄膜必须采用柔性材料（PET），薄膜的沉积温度不能太高（低于120℃）。薄层电阻高且均匀，因此对ITO薄膜的沉积工艺提出了严格的要求。

随着有机电致发光显示器（OLED）等显示器件的发展，对ITO薄膜的生产工艺和设备提出了更新更高的要求，这也有力地推动了ITO薄膜设备的生产。的发展。