玻璃滑水镀膜

第36卷 第1期

2004年3月

西安建筑科技大学学报(自然科学版)

J1Xi’.&Tech.(

NaturalScienceEdition

)

Vol.36 No.1

Mar.2004

ITO

薄膜特性及发展方向

袭著有,许启明,赵 鹏,田晓珍

(西安建筑科技大学材料科学与工程学院,陕西西安710055

)

摘 要:铟锡氧化物(

ITO

)具有一系列的独特性能,近年来引起人门广泛关注.为了把握这一发展趋势,本文

结合国际发展背景,首先对近几年来我国在

ITO

薄膜研究领域的发展状况从结构与机理、薄膜特性以及应用

三个方面给予回顾.其次,对今后的发展予以展望.

关键词:

ITO

;薄膜;特性;综述

中图分类号:

O

484.4;

O

753 文献标识码:

A

文章编号:100627930

(

2004

)

Ξ

Reviewofthecharacteristiesof

ITOthinfilmsanditsdeveloponent

XIZhu

2

you

,

XUQi

2

ming

,

ZHAOPeng

,

TIANXiao

2

zhen

(

SchoolofMaterialsScienceandEngineering

,

Xi

’

anUniversityofArchitectureandTechnology

,

Xi’an

710055,

China

)

Abstract

:

Inrecentyears

,

Indiumtinoxide

(

ITO

)

thinfilmshaveattractedintensiveinterestbecauoftheirunique

characteristics

.

Toizetheopportunityofdevelopment

,

thispaperdescribesthestateofinvestigationsofITOthin

filmsinChina

.

Firstitreviewsthesituationinrearch

,

structureandmechanism

,

aswellasthespecialpropertiesof

ITOthinfilmsandtheirapplications

.

Besides

,

thepaperhasmappedtheprospectivefortheITOthinfilminvestigations

inthefuture

.

Keywords

:

ITO

;

film

;

characteristics

;

review

1 引 言

铟锡氧化物(简称

ITO

)是

In2O3掺

Sn

的半导体材料,其薄膜由于具有优良的导电性和光学性能,

引起了人们的广泛关注.随着薄膜晶体管(

TFT

)

,液晶显示(

LCD

)

,等离子显示(

PCD

)等高新技术的不

断发展,

ITO

薄膜的产量也在急剧增加,已经形成了一定的市场规模.由于

ITO

薄膜制备技术科技含量

高,世界上仅有少数几个发达国家能够生产,保密十分严格[1～4].正因为以上原因,

ITO

薄膜的特性研

究,近年来在我国发展很快.为了更好地把握这一发展趋势,本文结合国际发展背景,首先对近几年来我

国在

ITO

薄膜研究领域的发展状况从结构与机理、薄膜特性以及应用三个方面给予回顾.其次,对今后

的发展予以展望.

2

ITO

的结构与机理

关于

ITO

的具体结构方式目前尚无定论.二十多年来,人们进行了大量的研究,并建立了几种模

型.最有代表性的两种模型是能带结构模型和晶体结构模型.

能带结构模型是基于抛物线能带结构假设的基础上对

ITO

薄膜性能的理解.

ITO

薄膜性能的光学

Ξ收稿日期:2003211206

基金项目:西安市科技局重点项目(

25200217

)

作者简介:袭著有(

19622)

,男,山东济南人,硕士研究生,主要从事材料电磁性能研究.

性质由

In2O3立方铁锰矿结构中引入的缺陷决定.导电电子主要来源于氧空位和锡替代原子.不同条件

下制备的薄膜有不同的缺陷.由于

Burstein

-

Moss

效应,光学能隙加宽,实际吸收光谱向短波方向移

动,因而

ITO

薄膜对可见光的透射率、对红外线的反射率和对紫外线的吸收率都很高[5,6].除了紫外带

间吸收和远红外的声子吸收,

Drude

理论与介电常数实际值符合得很好,说明自由电子对

ITO

薄膜的

光学性质有决定性作用.

晶体结构模型是基于

In2O3的结晶具有体心立方铁锰矿结构.按照此模型可以计算出

ITO

靶材中

锡含量的理论值.根据文献[8～10],其理论最佳值为

C

≈10.3114%

(

wt

)

,与用磁控溅射法制备的

ITO

薄膜,在陶瓷靶材中锡含量大约为10%

(

wt

)时,具有最高电导率符合的很好.同时可以计算出薄膜中氧

空位和外部锡掺杂同时存在的载流子浓度理论上限为

nITO,max=1.4749×1020cm-3.但是这个理论表达

式还只是一个唯象的经验表达式,其理论含义还不够清楚与正确,还有待进一步的研究.

关于

ITO

薄膜的导电机理一般可以归纳为三点:

a

)

.氧空位导电;

b

)

.

In3+格点被

Sn4+所置换形成

的杂质导电;

c

)

.晶格间存在填隙原子

In

而导电[10].

ITO

薄膜的生长机理则与镀膜方法有关.不同的镀膜方法对其性能影响很大.

3

ITO

薄膜的特性

ITO

薄膜在可见光(

400～800

nm

)范围内是透明的,其透射率可在90%以上,而其红外光区的反射

率也在85%以上.如此高的可见光区透射率和红外光区反射率同低电阻率相结合,使

ITO

薄膜成为典

型的透明导电薄膜材料.在一定意义上讲,将宽禁带的透明绝缘材料

In2O3通过掺锡和形成氧空位转变

为透明导电

ITO

薄膜,这是材料改性研究或功能设计的成功,无论在理论上还是在应用开发上都具有

重要意义.图1示出了

ITO

薄膜的透射光谱[4].图2反映的是

ITO

薄膜与透射率和反射率的关系[5].

图1

ITO

薄膜透射光谱

Fig

.1

ThetransmissivespectrumofITOfilm

ITO

薄膜的电学特性由测量其方块电阻

R□与厚度

d

而

得.掺

Sn

和形成氧空位使得

ITO

薄膜的载流子浓度很高(～

1020cm-3)

,而其电阻率相当低(～10-48.

cm)

,形成一种高度

简并的

n

型半导体,并表现出类金属性[10,11].对于简并半导

体,其载流子浓度基本上不随测量温度变化,而材料的电学性

质主要依赖于迁移率.迁移率的大小由载流子的散射机制所

决定.多晶结构的

ITO

透明导电薄膜,其散射机制主要有电

离杂质散射、中性杂质散射、晶格散射和晶粒间界散射.

不同的制备方法制得的

ITO

薄膜具有不同的特性.用

胶体法制备的

ITO

薄膜具有很好的气敏特性,实验证明它

图2

ITO

薄膜波长与透射

率和反射率的关系

Fig

.2

TherelationshipbetweenITOfilmwavelength

withpercentagetransmissionandreflection

在280℃下对乙醇和丙酮等有机气体有较高的灵敏度,而对

CO2气体没有灵敏度.但是它对

NO2气体的气敏反应与其

它常见气体正好相反.从这个意义上说,

ITO

薄膜对

NO2气

体和乙醇气体等具有一定的气敏选择性.

分析

ITO

薄膜典型的温度—电阻特性和温度—灵敏度

曲线(乙醇浓度为100×10-6mol

.

L-1)如图3所示,得出其

对气体敏感的特性主要有两种机理类型.一是表面吸附类

型,二是体敏感效应类型.由此看出,它的灵敏度几乎不受

掺杂的影响.实验还证明

ITO

薄膜的气敏特性具有较好的

稳定性[13].

ITO

薄膜的蚀刻主要分作湿法刻蚀和干法刻蚀两种.

由于

ITO

薄膜膜层非常牢固、坚硬、耐碱、耐热、耐潮湿且性

能稳定,唯独耐酸性较差,利用这一点可以用湿法刻蚀对其

进行酸刻,形成所需要的电极图案,制成像素电极.湿法刻蚀利用的是硝酸系、盐酸系、溴系、碘系等溶

011 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第36卷

图3

ITO

薄膜的

T

-

R

及

T

-

S

曲线[13]

Fig

.3

ThecurveT

2

RorT

2

SofITOfilm

液,操作简单、刻蚀速度快、成本低.由于湿法刻蚀对

ITO

薄膜的淀积条件十分敏感,对不同方法淀积的膜刻蚀速率

不同,容易导致器件表面金属离子污染.干法刻蚀包括等

离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子束刻蚀三种.它们基本上

是物理󰃗化学过程,具有各向异性和对光刻胶的选择性好

等优点.但与湿法刻蚀相比,其缺点是对反应条件的控制

要求比较高[13,14].

4

ITO

薄膜目前的应用状况

电子工业方面的应用:因为

ITO

薄膜具有良好的透

明性与导电性,同时还具有良好的刻蚀性,因而它被大量

地用于平面液晶显示(

LCD

)

,电致发光显示(

ELD

)

,电致

彩色显示(

ECD

)等.目前在各类显示器件中,如:通讯设

备、检测仪器及办公室自动化设备等,

LCD

产品的应用仅

次于显像管(

CRT

)

.随着液晶显示器件向大面积化、高等级化和彩色化方向发展,

ITO

产品将超过

CRT

成为显示器件领域中的主流产品.

交通工具方面的应用:

ITO

薄膜既导电又透明的特点,使其成为一种典型的透明表面发热器.这种

透明表面发热器可用于汽车、火车、电车、轮船、飞机等交通工具的玻璃视窗上,使其能够除雾防霜,美国

已在其主战坦克上安装了

ITO

玻璃作为其前置窗.

建筑工业方面的应用:将

ITO

薄膜用于高层建筑的视窗上,利用其高透光性和热效应,在冬季使热量

保存在一封闭的空间里而起到热屏蔽的作用.在高温季节,利用其红外区的高反射率,使外界热量难以辐

射入室内.利用其对可见光的选择性,自动调节室内光线的强弱.利用以上性能,可以使建筑物内暖气、冷

气和照明等能源消耗减少50%以上.日本、美国和西欧都投入大量人力、物力、财力来开发这种玻璃.

宇航和军事方面的应用:

ITO

薄膜有良好的微波屏蔽作用,能防静电,可用于屏蔽电磁波的地方,如计

算机房、雷达的屏蔽保护区、防雷达隐型飞机的涂层等[15,16].它还可以用于飞机和飞船的舷窗、坦克激光测

距仪、机载光学侦察仪、以及潜艇潜望镜的观察窗.

太阳能利用方面的应用:由于

ITO

薄膜所具有的折射率在1.8～1.9的范围内,以及它具有良好的

导电性,使它适合于硅太阳电池的减反射涂层和光生电流的收集.利用

ITO

薄膜具有对可见光的高透

过性和对红外光的高反射性,可以广泛用在光热转换器件领域.例如在太阳能的利用中,它可作为有效

利用太阳热的选择性透过膜,从而把热能有效地“捕获”到室内或太阳能收集器中.另外,它还可以用作

异质结型非晶硅太阳能电池的透明电极.

除上述用途外,

ITO

薄膜还可用于低压钠灯、滑水眼镜、冷冻箱显示器,烘箱炉门、以及医疗用喉镜等.

5

ITO

发展方向

机理与性能的研究:尽管20年来,人们对

ITO

的结构及各种性能的机理进行了积极的探索,但是,

由于

ITO

薄膜复杂的原胞结构(每个原胞含80个原子)和复杂的掺杂机制(氧缺位和

Sn4+对

In3+的替

换)

,导致了对薄膜基本性质(导电机制、能带结构等)的认识还存在着很大的差异.随着薄膜晶体管和液

晶显示等高新技术的不断发展,对

ITO

性能及结构的认识也在不断地深入.通过使用扫描电镜(

SEM

)、

透射电镜(

TEM

)和平面图像高分辨率电镜(

HREM

)

,对

ITO

薄膜的微结构取得了一些新认识,但尚未

完全掌握.尤其是随着复合膜技术的发展,采用

x

射线电子能谱(

XPS

)和变角

x

射线光电子能谱

(

ADXPS

)对其各种机理的研究还在不断地深入之中[17].

另外随着对以玻璃为衬底的

ITO

薄膜的广泛深入研究,人们对低温以至室温下制备柔性衬底

ITO

薄膜逐步地重视起来[18].因为柔性衬底导电膜具有可挠曲、重量轻、不易碎、易于大面积生产和便于运

输等优点.但是柔性衬底与

ITO

薄膜的结合机理还不很清楚,有待进一步研究.

111第1期袭著有等:

ITO

薄膜特性及发展方向

拓宽应用领域的研究:现在的应用范围只是利用了其良好性能的一部分,还有许多方面有待于进一步

去开发.例如:将热镜膜和普通黑色衬底相结合,就能获得对太阳辐射吸收率高而本身发射率低的选择性

吸收表面,因为它不需要低发射率的金属衬底,所以这是一种不同于普通的依靠膜层本身吸收太阳辐射和

要求衬底具有低发射率的选择性吸收表面.此外在核物理领域采用

ITO

薄膜与通道板构成位置灵敏探测

器具有较好的线性、探测效率及位置分辨率[18].由于

ITO

薄膜较容易制取,因而很适合作为阳极用在探测

系统中,相对于常规碳膜阳极它具有电阻均匀、线性及效率良好、成本低廉、便于自制等优点.此外,在

ITO

导电玻璃上制备自组装双层磷脂膜和经

C60修饰的双层磷脂膜,通过对天然光合成系统的基本组成—光活

性中心,电子给体和电子受体的模拟研究,可在双层磷脂膜和

LB

膜上设计出人工光电转换体系.以往人

们比较重视阴极材料的选择及相关金属与有机物界面的研究,而有关发光层或空穴传输层与阳极

ITO

薄

膜之间的界面结构及化学问题没有引起足够重视,现在已引起了人们的关注[20,21].

开发先进的工艺技术:直流磁控溅射技术虽已广泛应用,但是,最佳参数控制与国外比还有一定差

距,主要问题是铟材料损失比较严重.

PVD

、

CVD

、

Sol

—

Gel

、

MOCVD

、

PCVD

、

LCVD

,真空反应蒸发技

术,均处于实验室阶段.

综上所述,鉴于

ITO

薄膜的优异特性,有必要组织科研人员进行技术攻关.这不仅有利于

ITO

薄

膜的使用,更主要的一点是对

ITO

复杂结构及机理的研究,可以促进对其它氧化物薄膜的认识,充分合

理地利用我国的铟资源,抢占国际市场,为国家的经济发展和社会建设服务.

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