玻璃滑水鍍膜

第36卷 第1期

2004年3月

西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)

J1Xi’.&Tech.(

NaturalScienceEdition

)

Vol.36 No.1

Mar.2004

ITO

薄膜特性及發(fā)展方向

襲著有,許啟明,趙 鵬,田曉珍

(西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710055

)

摘 要:銦錫氧化物(

ITO

)具有一系列的獨特性能,近年來引起人門廣泛關(guān)注.為了把握這一發(fā)展趨勢,本文

結(jié)合國際發(fā)展背景,首先對近幾年來我國在

ITO

薄膜研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r從結(jié)構(gòu)與機理、薄膜特性以及應(yīng)用

三個方面給予回顧.其次,對今后的發(fā)展予以展望.

關(guān)鍵詞:

ITO

;薄膜;特性;綜述

中圖分類號:

O

484.4;

O

753 文獻標(biāo)識碼:

A

文章編號: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

銦錫氧化物(簡稱

ITO

)是

In2O3摻

Sn

的半導(dǎo)體材料,其薄膜由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和光學(xué)性能,

引起了人們的廣泛關(guān)注.隨著薄膜晶體管(

TFT

)

,液晶顯示(

LCD

)

,等離子顯示(

PCD

)等高新技術(shù)的不

斷發(fā)展,

ITO

薄膜的產(chǎn)量也在急劇增加,已經(jīng)形成了一定的市場規(guī)模.由于

ITO

薄膜制備技術(shù)科技含量

高,世界上僅有少數(shù)幾個發(fā)達國家能夠生產(chǎn),保密十分嚴(yán)格[1～4].正因為以上原因,

ITO

薄膜的特性研

究,近年來在我國發(fā)展很快.為了更好地把握這一發(fā)展趨勢,本文結(jié)合國際發(fā)展背景,首先對近幾年來我

國在

ITO

薄膜研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r從結(jié)構(gòu)與機理、薄膜特性以及應(yīng)用三個方面給予回顧.其次,對今后

的發(fā)展予以展望.

2

ITO

的結(jié)構(gòu)與機理

關(guān)于

ITO

的具體結(jié)構(gòu)方式目前尚無定論.二十多年來,人們進行了大量的研究,并建立了幾種模

型.最有代表性的兩種模型是能帶結(jié)構(gòu)模型和晶體結(jié)構(gòu)模型.

能帶結(jié)構(gòu)模型是基于拋物線能帶結(jié)構(gòu)假設(shè)的基礎(chǔ)上對

ITO

薄膜性能的理解.

ITO

薄膜性能的光學(xué)

Ξ收稿日期:2003211206

基金項目:西安市科技局重點項目(

25200217

)

作者簡介:襲著有(

19622)

,男,山東濟南人,碩士研究生,主要從事材料電磁性能研究.

性質(zhì)由

In2O3立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)中引入的缺陷決定.導(dǎo)電電子主要來源于氧空位和錫替代原子.不同條件

下制備的薄膜有不同的缺陷.由于

Burstein

-

Moss

效應(yīng),光學(xué)能隙加寬,實際吸收光譜向短波方向移

動,因而

ITO

薄膜對可見光的透射率、對紅外線的反射率和對紫外線的吸收率都很高[5,6].除了紫外帶

間吸收和遠紅外的聲子吸收,

Drude

理論與介電常數(shù)實際值符合得很好,說明自由電子對

ITO

薄膜的

光學(xué)性質(zhì)有決定性作用.

晶體結(jié)構(gòu)模型是基于

In2O3的結(jié)晶具有體心立方鐵錳礦結(jié)構(gòu).按照此模型可以計算出

ITO

靶材中

錫含量的理論值.根據(jù)文獻[8～10],其理論最佳值為

C

≈10.3114%

(

wt

)

,與用磁控濺射法制備的

ITO

薄膜,在陶瓷靶材中錫含量大約為10%

(

wt

)時,具有最高電導(dǎo)率符合的很好.同時可以計算出薄膜中氧

空位和外部錫摻雜同時存在的載流子濃度理論上限為

nITO,max=1.4749×1020cm-3.但是這個理論表達

式還只是一個唯象的經(jīng)驗表達式,其理論含義還不夠清楚與正確,還有待進一步的研究.

關(guān)于

ITO

薄膜的導(dǎo)電機理一般可以歸納為三點:

a

)

.氧空位導(dǎo)電;

b

)

.

In3+格點被

Sn4+所置換形成

的雜質(zhì)導(dǎo)電;

c

)

.晶格間存在填隙原子

In

而導(dǎo)電[10].

ITO

薄膜的生長機理則與鍍膜方法有關(guān).不同的鍍膜方法對其性能影響很大.

3

ITO

薄膜的特性

ITO

薄膜在可見光(

400～800

nm

)范圍內(nèi)是透明的,其透射率可在90%以上,而其紅外光區(qū)的反射

率也在85%以上.如此高的可見光區(qū)透射率和紅外光區(qū)反射率同低電阻率相結(jié)合,使

ITO

薄膜成為典

型的透明導(dǎo)電薄膜材料.在一定意義上講,將寬禁帶的透明絕緣材料

In2O3通過摻錫和形成氧空位轉(zhuǎn)變

為透明導(dǎo)電

ITO

薄膜,這是材料改性研究或功能設(shè)計的成功,無論在理論上還是在應(yīng)用開發(fā)上都具有

重要意義.圖1示出了

ITO

薄膜的透射光譜[4].圖2反映的是

ITO

薄膜與透射率和反射率的關(guān)系[5].

圖1

ITO

薄膜透射光譜

Fig

.1

ThetransmissivespectrumofITOfilm

ITO

薄膜的電學(xué)特性由測量其方塊電阻

R□與厚度

d

而

得.摻

Sn

和形成氧空位使得

ITO

薄膜的載流子濃度很高(～

1020cm-3)

,而其電阻率相當(dāng)?shù)?～10-48.

cm)

,形成一種高度

簡并的

n

型半導(dǎo)體,并表現(xiàn)出類金屬性[10,11].對于簡并半導(dǎo)

體,其載流子濃度基本上不隨測量溫度變化,而材料的電學(xué)性

質(zhì)主要依賴于遷移率.遷移率的大小由載流子的散射機制所

決定.多晶結(jié)構(gòu)的

ITO

透明導(dǎo)電薄膜,其散射機制主要有電

離雜質(zhì)散射、中性雜質(zhì)散射、晶格散射和晶粒間界散射.

不同的制備方法制得的

ITO

薄膜具有不同的特性.用

膠體法制備的

ITO

薄膜具有很好的氣敏特性,實驗證明它

圖2

ITO

薄膜波長與透射

率和反射率的關(guān)系

Fig

.2

TherelationshipbetweenITOfilmwavelength

withpercentagetransmissionandreflection

在280℃下對乙醇和丙酮等有機氣體有較高的靈敏度,而對

CO2氣體沒有靈敏度.但是它對

NO2氣體的氣敏反應(yīng)與其

它常見氣體正好相反.從這個意義上說,

ITO

薄膜對

NO2氣

體和乙醇氣體等具有一定的氣敏選擇性.

分析

ITO

薄膜典型的溫度—電阻特性和溫度—靈敏度

曲線(乙醇濃度為100×10-6mol

.

L-1)如圖3所示,得出其

對氣體敏感的特性主要有兩種機理類型.一是表面吸附類

型,二是體敏感效應(yīng)類型.由此看出,它的靈敏度幾乎不受

摻雜的影響.實驗還證明

ITO

薄膜的氣敏特性具有較好的

穩(wěn)定性[13].

ITO

薄膜的蝕刻主要分作濕法刻蝕和干法刻蝕兩種.

由于

ITO

薄膜膜層非常牢固、堅硬、耐堿、耐熱、耐潮濕且性

能穩(wěn)定,唯獨耐酸性較差,利用這一點可以用濕法刻蝕對其

進行酸刻,形成所需要的電極圖案,制成像素電極.濕法刻蝕利用的是硝酸系、鹽酸系、溴系、碘系等溶

011 西 安 建 筑 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(自然科學(xué)版) 第36卷

圖3

ITO

薄膜的

T

-

R

及

T

-

S

曲線[13]

Fig

.3

ThecurveT

2

RorT

2

SofITOfilm

液,操作簡單、刻蝕速度快、成本低.由于濕法刻蝕對

ITO

薄膜的淀積條件十分敏感,對不同方法淀積的膜刻蝕速率

不同,容易導(dǎo)致器件表面金屬離子污染.干法刻蝕包括等

離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕三種.它們基本上

是物理??化學(xué)過程,具有各向異性和對光刻膠的選擇性好

等優(yōu)點.但與濕法刻蝕相比,其缺點是對反應(yīng)條件的控制

要求比較高[13,14].

4

ITO

薄膜目前的應(yīng)用狀況

電子工業(yè)方面的應(yīng)用:因為

ITO

薄膜具有良好的透

明性與導(dǎo)電性,同時還具有良好的刻蝕性,因而它被大量

地用于平面液晶顯示(

LCD

)

,電致發(fā)光顯示(

ELD

)

,電致

彩色顯示(

ECD

)等.目前在各類顯示器件中,如:通訊設(shè)

備、檢測儀器及辦公室自動化設(shè)備等,

LCD

產(chǎn)品的應(yīng)用僅

次于顯像管(

CRT

)

.隨著液晶顯示器件向大面積化、高等級化和彩色化方向發(fā)展,

ITO

產(chǎn)品將超過

CRT

成為顯示器件領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品.

交通工具方面的應(yīng)用:

ITO

薄膜既導(dǎo)電又透明的特點,使其成為一種典型的透明表面發(fā)熱器.這種

透明表面發(fā)熱器可用于汽車、火車、電車、輪船、飛機等交通工具的玻璃視窗上,使其能夠除霧防霜,美國

已在其主戰(zhàn)坦克上安裝了

ITO

玻璃作為其前置窗.

建筑工業(yè)方面的應(yīng)用:將

ITO

薄膜用于高層建筑的視窗上,利用其高透光性和熱效應(yīng),在冬季使熱量

保存在一封閉的空間里而起到熱屏蔽的作用.在高溫季節(jié),利用其紅外區(qū)的高反射率,使外界熱量難以輻

射入室內(nèi).利用其對可見光的選擇性,自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光線的強弱.利用以上性能,可以使建筑物內(nèi)暖氣、冷

氣和照明等能源消耗減少50%以上.日本、美國和西歐都投入大量人力、物力、財力來開發(fā)這種玻璃.

宇航和軍事方面的應(yīng)用:

ITO

薄膜有良好的微波屏蔽作用,能防靜電,可用于屏蔽電磁波的地方,如計

算機房、雷達的屏蔽保護區(qū)、防雷達隱型飛機的涂層等[15,16].它還可以用于飛機和飛船的舷窗、坦克激光測

距儀、機載光學(xué)偵察儀、以及潛艇潛望鏡的觀察窗.

太陽能利用方面的應(yīng)用:由于

ITO

薄膜所具有的折射率在1.8～1.9的范圍內(nèi),以及它具有良好的

導(dǎo)電性,使它適合于硅太陽電池的減反射涂層和光生電流的收集.利用

ITO

薄膜具有對可見光的高透

過性和對紅外光的高反射性,可以廣泛用在光熱轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域.例如在太陽能的利用中,它可作為有效

利用太陽熱的選擇性透過膜,從而把熱能有效地“捕獲”到室內(nèi)或太陽能收集器中.另外,它還可以用作

異質(zhì)結(jié)型非晶硅太陽能電池的透明電極.

除上述用途外,

ITO

薄膜還可用于低壓鈉燈、滑水眼鏡、冷凍箱顯示器,烘箱爐門、以及醫(yī)療用喉鏡等.

5

ITO

發(fā)展方向

機理與性能的研究:盡管20年來,人們對

ITO

的結(jié)構(gòu)及各種性能的機理進行了積極的探索,但是,

由于

ITO

薄膜復(fù)雜的原胞結(jié)構(gòu)(每個原胞含80個原子)和復(fù)雜的摻雜機制(氧缺位和

Sn4+對

In3+的替

換)

,導(dǎo)致了對薄膜基本性質(zhì)(導(dǎo)電機制、能帶結(jié)構(gòu)等)的認識還存在著很大的差異.隨著薄膜晶體管和液

晶顯示等高新技術(shù)的不斷發(fā)展,對

ITO

性能及結(jié)構(gòu)的認識也在不斷地深入.通過使用掃描電鏡(

SEM

)、

透射電鏡(

TEM

)和平面圖像高分辨率電鏡(

HREM

)

,對

ITO

薄膜的微結(jié)構(gòu)取得了一些新認識,但尚未

完全掌握.尤其是隨著復(fù)合膜技術(shù)的發(fā)展,采用

x

射線電子能譜(

XPS

)和變角

x

射線光電子能譜

(

ADXPS

)對其各種機理的研究還在不斷地深入之中[17].

另外隨著對以玻璃為襯底的

ITO

薄膜的廣泛深入研究,人們對低溫以至室溫下制備柔性襯底

ITO

薄膜逐步地重視起來[18].因為柔性襯底導(dǎo)電膜具有可撓曲、重量輕、不易碎、易于大面積生產(chǎn)和便于運

輸?shù)葍?yōu)點.但是柔性襯底與

ITO

薄膜的結(jié)合機理還不很清楚,有待進一步研究.

111第1期襲著有等:

ITO

薄膜特性及發(fā)展方向

拓寬應(yīng)用領(lǐng)域的研究:現(xiàn)在的應(yīng)用范圍只是利用了其良好性能的一部分,還有許多方面有待于進一步

去開發(fā).例如:將熱鏡膜和普通黑色襯底相結(jié)合,就能獲得對太陽輻射吸收率高而本身發(fā)射率低的選擇性

吸收表面,因為它不需要低發(fā)射率的金屬襯底,所以這是一種不同于普通的依靠膜層本身吸收太陽輻射和

要求襯底具有低發(fā)射率的選擇性吸收表面.此外在核物理領(lǐng)域采用

ITO

薄膜與通道板構(gòu)成位置靈敏探測

器具有較好的線性、探測效率及位置分辨率[18].由于

ITO

薄膜較容易制取,因而很適合作為陽極用在探測

系統(tǒng)中,相對于常規(guī)碳膜陽極它具有電阻均勻、線性及效率良好、成本低廉、便于自制等優(yōu)點.此外,在

ITO

導(dǎo)電玻璃上制備自組裝雙層磷脂膜和經(jīng)

C60修飾的雙層磷脂膜,通過對天然光合成系統(tǒng)的基本組成—光活

性中心,電子給體和電子受體的模擬研究,可在雙層磷脂膜和

LB

膜上設(shè)計出人工光電轉(zhuǎn)換體系.以往人

們比較重視陰極材料的選擇及相關(guān)金屬與有機物界面的研究,而有關(guān)發(fā)光層或空穴傳輸層與陽極

ITO

薄

膜之間的界面結(jié)構(gòu)及化學(xué)問題沒有引起足夠重視,現(xiàn)在已引起了人們的關(guān)注[20,21].

開發(fā)先進的工藝技術(shù):直流磁控濺射技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用,但是,最佳參數(shù)控制與國外比還有一定差

距,主要問題是銦材料損失比較嚴(yán)重.

PVD

、

CVD

、

Sol

—

Gel

、

MOCVD

、

PCVD

、

LCVD

,真空反應(yīng)蒸發(fā)技

術(shù),均處于實驗室階段.

綜上所述,鑒于

ITO

薄膜的優(yōu)異特性,有必要組織科研人員進行技術(shù)攻關(guān).這不僅有利于

ITO

薄

膜的使用,更主要的一點是對

ITO

復(fù)雜結(jié)構(gòu)及機理的研究,可以促進對其它氧化物薄膜的認識,充分合

理地利用我國的銦資源,搶占國際市場,為國家的經(jīng)濟發(fā)展和社會建設(shè)服務(wù).

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211 西 安 建 筑 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(自然科學(xué)版) 第36卷