氧化銦錫(ITO)晶體結(jié)構(gòu)
氧化銦錫(ITO)是通過(guò)用錫摻雜In2O3而形成的n型半導(dǎo)體,晶體結(jié)構(gòu)是In2O3結(jié)構(gòu),其中In2O3結(jié)構(gòu)具有兩種形態(tài),一種是立方鐵錳礦結(jié)構(gòu),另一種是六方剛玉結(jié)構(gòu)。立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的In2O3結(jié)構(gòu),如圖1所示。當(dāng)將氧化錫摻雜到氧化銦中以形成氧化銦錫固溶體時(shí),一種高度簡(jiǎn)并的n型半導(dǎo)體得以產(chǎn)生,其中一定數(shù)量的In3+位置被Sn4+取代了,導(dǎo)致ITO晶格中出現(xiàn)大量點(diǎn)缺陷,同時(shí)產(chǎn)生大量自由電子,點(diǎn)缺陷和自由電子可充當(dāng)電場(chǎng)下的載流子,因此表現(xiàn)出了優(yōu)異的導(dǎo)電性能。
ITO 體心立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)
ITO靶材特點(diǎn)
ITO靶材是一種銦錫氧化物特殊功能陶瓷材料,它是金屬銦經(jīng)過(guò)深加工的高科技產(chǎn)品,主要用于生產(chǎn)ITO薄膜。作為n型半導(dǎo)體陶瓷膜,ITO薄膜具有良好的導(dǎo)電性;硬度高,耐磨、化學(xué)蝕刻性好;可見(jiàn)光透過(guò)率高;超過(guò)85%的紫外線吸收率,高于80%的紅外線的反射率;并且具有微波衰減率大于85%的特性。
ITO薄膜工藝
ITO在各種領(lǐng)域中的應(yīng)用,均圍繞其透明和導(dǎo)電的優(yōu)異特性。ITO薄膜的光學(xué)性質(zhì)主要受兩方面的因素影響:光學(xué)禁帶寬度和等離子振蕩頻率。前者決定光譜吸收范圍,后者決定光譜反射范圍和強(qiáng)度。一般情況下,ITO在短波區(qū)吸收率較高,在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍反射率較高,可見(jiàn)光范圍透射率較高。以100nm ITO為例,400-900nm波長(zhǎng)范圍平均透射率高達(dá)92.8%。
ITO薄膜的性能主要由制備工藝決定,熱處理常作為輔助優(yōu)化的手段。為獲得導(dǎo)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(yōu)化工藝參數(shù)。常見(jiàn)的鍍膜方式包括電子束蒸發(fā)和磁控濺射。
電子束蒸發(fā)的主要原理:高真空環(huán)境下,通過(guò)電子槍發(fā)出的高能電子,在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下,電子轟擊ITO靶材表面使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,靶材升溫,變成熔融狀態(tài)或者直接蒸發(fā)出去,在襯底表面沉積成ITO薄膜。
電子束蒸發(fā)鍍膜原理
磁控濺射屬于輝光放電范疇,利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜。膜層粒子來(lái)源于輝光放電中,氬離子對(duì)陰極ITO靶材產(chǎn)生的陰極濺射作用。氬離子將靶材原子濺射下來(lái)后,沉積到襯底表面形成所需ITO膜層。
磁控濺射原理圖
ITO應(yīng)用
ITO下游產(chǎn)業(yè)主要是平板顯示產(chǎn)業(yè)中的導(dǎo)電玻璃技術(shù),即在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎(chǔ)上,鍍上一層氧化銦錫膜加工制作成的。在平板顯示產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用在觸摸屏和液晶面板領(lǐng)域。觸摸屏領(lǐng)域應(yīng)用的是TP-ITO導(dǎo)電玻璃,而液晶面板領(lǐng)域應(yīng)用的是LCD-ITO導(dǎo)電玻璃,兩者的主要區(qū)別在LCD-ITO導(dǎo)電玻璃還會(huì)在鍍ITO層之前,鍍上一層二氧化硅阻擋層,以阻止基片玻璃上的鈉離子向盒內(nèi)液晶里擴(kuò)散。
液晶顯示器:
液晶顯示器主要使用ITO導(dǎo)電玻璃。
液晶顯示器之所以能顯示特定的圖形,主要是將導(dǎo)電玻璃上的透明電極蝕刻制成特定形狀的電極,在這些電極上加適當(dāng)電壓信號(hào)后,使具有偶極矩的液晶分子在電場(chǎng)作用下特定的方面排列,進(jìn)而顯示出與電極波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的圖形。目前液晶顯示器的透明電極以ITO的透光率和導(dǎo)電性能較佳,而且容易在酸液中蝕刻出微細(xì)圖形。
觸摸屏:
無(wú)論是電阻式觸摸屏還是電容式觸摸屏,工作面都是基于ITO涂層。
電阻式觸摸屏,當(dāng)表面被觸摸時(shí)向下彎曲,并使得下面隔開(kāi)的兩層ITO涂層能夠相互接觸并在該點(diǎn)連通電路,電阻發(fā)生變化,在X和Y兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào),然后送觸摸屏控制器。
表面電容觸摸屏只采用單層的ITO,當(dāng)手指觸摸屏表面時(shí),就會(huì)有一定量的電荷轉(zhuǎn)移到人體。為了恢復(fù)這些電荷損失,電荷從屏幕的四角補(bǔ)充進(jìn)來(lái),各方向補(bǔ)充的電荷量和觸摸點(diǎn)的距離成比例,由此推算出觸摸點(diǎn)的位置。
有IPHONE的投射電容觸摸屏采用多層ITO層,形成矩陣式分布,以X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣,當(dāng)手指觸碰屏幕時(shí),可通過(guò)X、Y軸的掃描,檢測(cè)到觸碰位置電容的變化,進(jìn)而計(jì)算出手指之所在。基于此種架構(gòu),投射電容可以做到多點(diǎn)觸控操作。
另外IIO薄膜在幕墻玻璃、太陽(yáng)能電池、航空航天飛機(jī)、汽車(chē)上的防霧玻璃、微波屏蔽和防護(hù)鏡、傳感器等眾多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。
ITO發(fā)展現(xiàn)狀
長(zhǎng)期以來(lái),ITO靶材的核心技術(shù)都被三井、東曹、日立、住友、JX、三星康寧、優(yōu)美科等大企業(yè)把持,他們所采用的常壓燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)較為成熟。
我國(guó)是ITO靶材大需求國(guó),需求量占25%。作為顯示面板的重要原料,盡管ITO靶材已經(jīng)進(jìn)入紅海市場(chǎng),但國(guó)產(chǎn)化率并不高,在2019年之前,約90%的ITO靶材需要依靠進(jìn)口。
國(guó)內(nèi)雖然有20多家靶材企業(yè),但進(jìn)展并不順利,普遍沒(méi)能做到批量供應(yīng)。直到2017年,國(guó)產(chǎn)ITO靶材產(chǎn)品和技術(shù)水平大幅提升,逐漸追上水平,國(guó)內(nèi)代表性企業(yè)有先導(dǎo)集團(tuán)、映日科技、晶聯(lián)光電、歐萊靶材。
隨著OLED取代LCD成為顯示技術(shù)的主流,ITO靶材市場(chǎng)需求或?qū)⒉辉俑咚僭鲩L(zhǎng),轉(zhuǎn)為平穩(wěn)發(fā)展趨勢(shì)。
另一方面,ITO靶材市場(chǎng)的價(jià)格戰(zhàn)已經(jīng)持續(xù)良久,盡管現(xiàn)階段市場(chǎng)有漲價(jià)趨勢(shì),但國(guó)內(nèi)布局ITO靶材業(yè)務(wù)的企業(yè)不在少數(shù),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力也將日趨激烈。