ITO在各種領域中的應用,均圍繞其透明和導電的優異特性。ITO薄膜的光學性質主要受兩方面的因素影響:光學禁帶寬度和等離子振蕩頻率。前者決定光譜吸收範圍,後者決定光譜反射範圍和強度。一般情況下,ITO在短波區吸收率較高,在長波長範圍反射率較高,可見光範圍透射率最高。以100nm ITO為例,400-900nm波長範圍平均透射率高達92.8%。
ITO薄膜的性能主要由製備工藝決定,熱處理常作為輔助優化的手段。為獲得導電性好,透射率高以及表面形貌平整的ITO薄膜,需選擇合適的沉積手段和優化工藝參數。常見的鍍膜方式包括電子束蒸發和磁控濺射。
電子束蒸發的主要原理:高真空環境下,通過電子槍發出的高能電子,在電場和磁場作用下,電子轟擊ITO靶材表面使動能轉化為熱能,靶材升溫,變成熔融狀態或者直接蒸發出去,在襯底表面沉積成ITO薄膜。
磁控濺射屬於輝光放電範疇,利用陰極濺射原理進行鍍膜。膜層粒子來源於輝光放電中,氬離子對陰極ITO靶材產生的陰極濺射作用。氬離子將靶材原子濺射下來後,沉積到襯底表面形成所需ITO膜層。
ITO上遊產業鏈是原材料靶材的製造技術,目的是為了獲得內部均勻和密度較高的坯體,提高成形技術是提高ITO靶材產品質量的關鍵步驟。ITO靶材成形技術一般分為幹法與溼法兩種。幹法成形本質上是一種模具壓制的成形方法,易於實現自動化生產,而且在壓力作用下批件的緻密度很高,通常不需要進行乾燥處理,ITO靶材的幹法成形工藝主要有冷等靜壓成形、衝壓成形、模壓成形及爆炸成形等。溼法成形是採用溶液、固液混合物、氣液混合物等原料進行反應,製備目標物質的過程。溼法工藝需要乾燥處理,變形收縮較大,氣孔較多,坯體緻密度較低,但可以生產大尺寸及形狀複雜的的靶材,通過合理的燒結工藝可以獲得高穩定性、高均勻性及高密度的ITO靶材。ITO靶材的溼法工藝主要有擠壓成形、凝膠注模成形及注漿成形等。
ITO下遊產業主要是平板顯示產業中的導電玻璃技術,即在鈉鈣基或矽硼基基片玻璃的基礎上,鍍上一層氧化銦錫膜加工製作成的。在平板顯示產業中應用在觸控螢幕和液晶面板領域。觸控螢幕領域應用的是TP-ITO導電玻璃,而液晶面板領域應用的是LCD-ITO導電玻璃,兩者的主要區別在LCD-ITO導電玻璃還會在鍍ITO層之前,鍍上一層二氧化矽阻擋層,以阻止基片玻璃上的鈉離子向盒內液晶裡擴散。
從國內外市場格局來看,日韓幾乎壟斷了透明導電膜市場,主要供應商有日東電工、尾池工業及帝人化成等。國內廠商逐漸向上遊延伸,國內工藝日趨成熟,長信科技、南玻、康達克、萊寶高科和歐菲光等企業均有自己完整的產業鏈。
採用Incopat工具對ITO技術專利進行檢索分析,得到該領域2000年至今的年申請量趨勢圖,各國ITO專利量分布,以及主要申請人申請數量排名。從圖中可以看出,近二十年的時間裡, ITO技術得到了飛速發展,相關的專利布局平均每年1000件以上的申請量,2013年達到了頂峰。與市場格局一致的是,日本仍舊佔據了ITO相關專利技術的最大份額。同時值得慶幸的是國內申請人申請量排名第二,國內在透明導電薄膜領域湧現出了大量優質企業和科研單位,韓國和美國分列三、四位。企業排名方面,老牌半導體企業松下電器,三星電子,精工愛普生,LG電子,日立,東芝排名居前。
相比於其他透明導電薄膜材料,ITO在諸多方面略有不足,如ZnO薄膜具有成本低、無毒性、無汙染的優勢,但是由於對ZnO的研究起步相對較晚,光電性能整體較ITO薄膜差,目前還不能大規模取代ITO薄膜,所以在工業生產中應用最為廣泛的仍是氧化銦基的 ITO 薄膜。
幾十年來,針對ITO薄膜的研究主要集中在兩方面:一種是ITO材料基礎理論研究,涉及晶格常數與ITO薄膜光電性能之間的關係,最佳摻雜的優化和材料載流子上限的計算,ITO禁帶寬度的改變等方向;另一方面,主要探索ITO製備方法,低成本的沉積技術有:溶膠-凝膠法、噴霧熱解法和化學氣相沉積,高質量的沉積技術包括:磁控濺射法、電子束蒸發法和脈衝雷射沉積法。
ITO技術的發展必須同時注重基礎科學研究和工業產業化,隨著我國液晶顯示和半導體器件的快速發展,ITO應用激增。擺在我們面前的任務是加快ITO技術的公關步伐,強化產業隊伍,嚴格制定並遵循行業質量標準,在一系列政策的的輔助下,加快ITO從靶材到設備再到ITO玻璃的國產化過程,使我國在透明導電領域立於不敗之地。
(作者:王青松)