ITO薄膜的制备方法与应用

ITO

第24卷　第6期　2004年12月

桂　林　电　子　工　业　学　院　学　报

JOURNALOFGUILINUNIVERSITYOFELECTRONICTECHNOLOGY

.24,No.6Vol

Dec.2004　

ITO薄膜的制备方法与应用

职利,周怀营

Ξ

(桂林电子工业学院信息材料科学与工程系,广西桂林　541004)

摘　要:ITO薄膜具有优越的光电性能,在高科技领域中有着重要的用途,如液晶显示、太阳能电池等。磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)法、喷雾热分解法、溶胶-凝胶法是目前制备ITO薄膜常用的方法。水热法制备薄膜是近年来发展起来的一种很有潜力的液相制膜技术,具有成膜大面积化、成本低且易于产业化等优点,该法的应用将极大地推动国内制膜技术的发展。关键词:ITO薄膜;制备方法;应用

中图分类号:TN304.055　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:100127437(2004)2　　随着液晶显示的发展,用于透明电极的铟锡氧化

物(ITO)薄膜的需求量急剧增加。,日本、美国、膜材料。,,对,、建筑用节能视窗、太阳能电池、轿车风挡等方面获得日益广泛的应用,成为高技术领域新材料中的一支奇葩。

靶正好能克服IT靶的上述缺点。ITO靶材逐渐代替IT靶材而成为靶材的主流。但ITO靶材亦存在一些问题,例如沉降速率低、靶材表面严重飞弧、溅射过程中靶材表面很容易结瘤,而进一步降低溅射速率、靶材制作技术难度大、成本高,且回收比较困难等。实践证明,在基片温度低和溅射速率高时可以获得质量较好的氧化物薄膜。M.Libra等[8]用IT靶(成分90%In+10%Sn,尺寸127×336mm)在Ar+O2气氛中于玻璃基体(尺寸200×200mm)上沉积薄膜,靶材距基体表面距离52mm,沉积温度680K,溅射膜经热处理后变成ITO薄膜。

1.2　化学气相沉积(CVD)法

1　主要制备方法

ITO导电薄膜是用物理的或化学的方法在基体

表面上沉积得到的。基体材料一般采用玻璃,如采用低温溅射工艺制备这种薄膜,基体也可以采用塑料等聚合物材料。基体的热膨胀系数对膜的性质有较大影响,所以选择基体时应考虑基体和膜的热膨胀系数的匹配问题[1]。1.1　磁控溅射法

锡的有机盐气化,然后在CVD法首先是将铟、

N2或Ar的载气气氛中与O2,H2O或H2O2等反应而

得到ITO薄膜。

[9]

ToshiroMaruyama等用CVD法制备出优良的ITO薄膜。所用原料为二乙基己酸铟(In(C7H15

～5)。二乙COO)3)和四氯化锡(SnCl4 xH2O,x=4

磁控溅射法是利用惰性气体离子轰击靶材(一般

为高密度的铟锡氧化物靶材),轰击下来的原子沉积到衬底上形成薄膜。关于这方面的研究论文很多[2～7]。

磁控溅射法采用的靶材有IT靶和ITO靶两种。IT靶存在一系列缺点,例如由于放电后滞现象而难于控制溅射过程、膜的重复性差、膜电阻对溅射过程

Ξ

基己酸铟置于温度为280℃的容器内,四氯化锡保持

在320℃的容器内,它们的蒸气作为反应气体由N2载体引入反应室内。基体材料为硼硅玻璃板,置于反应室内,由外置电炉加热。反应温度为400℃.膜的成

收稿日期:2004-10-12

基金项目:国家863计划(2003AA32X140)

作者简介:职利(19772),女,陕西西安人,桂林电子工业学院信息材料科学与工程系硕士研究生,助教,目前主要研究方向为薄膜材料等

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第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　职利等:ITO

薄膜的制备方法与应用　　　　　　　　　　　　　　　　　　55

分由X射线光电谱仪测定,膜的晶型用XRD方法分析,膜电阻用四探针法测定,膜透光率由光谱仪测定。他们还以醋酸铟和醋酸锡为原料用低温大气压CVD法制取了ITO薄膜[10]。选择反应温度300℃,不需加入额外氧作催化剂,采用硼硅玻璃为基板。沉积1h后得到的多晶薄膜厚度为260nm,膜电阻率为6.93×10-38 cm,在大多数可见光波长范围内(450～700nm)的光透过率大于90%.1.3　喷雾热分解法

胶体后成膜,亦可先成膜再热分解。不过,由于无机盐的水解、聚合(两者被认为是溶胶-凝胶法的基本而又最重要的两个过程)性能远远不如有机醇盐的,往往要在溶胶中加入成膜剂。成膜剂的加入引起了膜成分的偏差,因此成膜剂的选择也是很重要的。此外,无机盐成膜在基体表面的附着力较差,无机盐的热分解往往带来由NOx,SOx等产生的环境污染。1.5　水热法

喷雾热分解法是将铟和锡的金属盐溶液雾化后喷在处于高温区域的衬底上,经过液滴的干燥、热分解过程在基体表面得到ITO薄膜。

自从1960年ChamLerlin和Skarman在用喷雾热分解法制取薄膜[11]方面做了开创性工作以来,该方法已用于ZnO,ITO,ZnS:Mn等透明薄膜、

[11,12][12]

。YBaCuO超导薄膜等的制备上V.Vasu等用

目前薄膜的制备方法也取得了一些新的进展,水

热法制备薄膜是近年来发展起来的一种很有潜力的液相制膜技术,它一般以廉价的无机盐或氢氧化物水溶液或悬浮液为前驱体,以单晶片、金属片、玻璃片、甚至塑料等为衬底,器(高压釜)里,,创造了一个高温300,最终在衬底。Shi等人[16]用沉积Ti的Si片为衬底,以Ba(OH)2溶液为反应介质,在180℃水热条件下处理24h,得到结晶完好、单一钙钛矿相的钛酸钡薄膜(目前用水热法制备BaTiO3薄膜的研究最多);

[17]

ChenQianWang等人用水热法制备的TiO2薄膜

喷雾热分解法制取了ITO薄膜。无水氯化锡(,InCl3和SnCl～cm3min-1所得薄膜电导率为3×1058-1 cm-1,可见光透过率90%.并研究了ITO薄膜的光电性质与锡掺杂浓度、基体温度、喷嘴-基体距离的关系,以及薄膜形成的反应动力学。

研究表明,ITO薄膜中锡掺杂浓度可能偏离于喷雾热分解前溶液中的掺锡浓度。J.CManifacter等[13]观察到,如用硼硅玻璃基板,则薄膜中掺锡浓度高于溶液中掺锡浓度;如用硅基板,则二者浓度相同。对这种浓度偏离与基板材料之间的关系尚未找到合适的解释。1.4　溶胶-凝胶法

为锐钛矿相,致密、光滑、均一,厚度为15Λm,薄膜呈现高度的(112)取向;黄晖等人[18]以硫酸钛、尿素水溶液为前驱物,采用水热法制备出了均匀、致密的锐钛矿型TiO2薄膜;ChenQianWang等人[19]在水热处理氧化锌溶胶,在硅(100)衬底上制备了ZnO膜;

[20]

ChenQW等人制得铁氧体薄膜;ChenQW等人[21]在硅(111)和(100)衬底上制得Α2Fe2O3膜;ChenQianWang

溶胶-凝胶法首先得到氢氧化铟锡溶胶,然后通过浸涂、煅烧等后续工艺得到薄膜。

[14]

D.M.Mattox将异丙醇铟(In(OC3H7)3)和异丙醇锡(Sn(OC3H7)4)溶于无水酒精中,超声混合后在60℃下加热16h,然后用甩膜法(SpinCoating)在抛光玻璃表面上制膜。甩盘转速1000r min,甩膜时间20s.膜中的溶剂在高速空气中蒸发排除。所得膜的性能与用溅射法和喷雾热分解法制得的相近。

为了克服采用有机醇盐成本高的缺点,现在更多采用无机盐溶胶-凝胶法,例如采用铟锡的硝酸盐、氯化物[15]为原物质制取ITO薄膜,也有采用硫酸盐的。如果采用无机盐,则可以先通过热分解制成粒子

等人用水热法在Si(100)上制得

了超细SnO2多晶薄膜,所制备的薄膜具有良好的气敏性。该研究小组还在多晶氧化铝衬底上制得超细单斜相ZrO2薄膜[23];HanKS等人[24]用水热—电化学法直接在镍金属衬底上制备了锂充电微电池的锂镍氧化物薄膜电极。国内外资料目前还没有用水热法直接制备ITO薄膜,但鉴于其在制膜方面的优点,将成为制备ITO薄膜的一种理想的方法。

[22]

2　ITO薄膜的应用

ITO薄膜具有优良的光电性能,对可见光的透

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