76、铟锡氧化物（ITO）溅射沉积工艺及成本分析

铟锡氧化物（ITO）溅射沉积工艺及成本分析

1. ITO在不同显示技术中的应用

1.1 PM - LCD中的ITO

在PM - LCD中，由于使用的玻璃比AM - LCD中的特殊玻璃便宜很多，钠会从玻璃中扩散，因此需要在ITO和玻璃之间设置钠屏障。通常使用厚度为15 - 20 nm的SiO₂涂层作为屏障，它可以通过使用石英靶的平面磁控管进行RF溅射，或者在使用MF - AC的反应过程中从掺杂的Si平面靶溅射得到。PM - LCD主要在早期的沉积线上生产（最高到第5代），这些LCD线的基板最大尺寸为1.5 m，所以RF技术仍可用于SiO₂沉积。

1.2 PDP中的ITO

等离子显示面板（PDP）由两块涂有电极、磷光体和电介质的玻璃板组成，中间由气隙（通常为100 mm）隔开。每块板每个像素定义三个腔室，可在其中产生气体等离子体。PDP的前玻璃板涂有ITO，经过图案化（ITO电极之间的间隙通常为70 mm）形成显示电极（也称为共面电极）。这些电极通常宽度小于200 mm，但长度等于整个显示器的宽度（可达1 m或更长）。为了降低整体电极电阻，会在ITO上沉积更窄的金属电极（称为总线电极）。背板上带有磷光体的电极，即数据电极，是金属的。通常，ITO厚度约为100 nm，在高于200°C的温度下沉积，显示电极的最终方块电阻约为20欧姆/平方。最近，一些银“栅栏电极”结构开始被使用，这些结构不需要ITO，但PDP的ITO靶材市场仍占整个显示用ITO靶材市场的约25%。

1.3 TP中的ITO

在触摸屏（TP）中，电阻式触摸屏同时使用涂有ITO的玻璃和涂有ITO的聚合物基板（如PET薄膜），一些电容式触摸屏也使用涂有ITO的玻璃。电阻式触摸屏中玻璃上的ITO涂层厚度大多为10 - 20 nm，在550 nm处的透光率为89 - 93%，方块电阻在200 - 650欧姆/平方之间，涂层在室温下沉积在玻璃上，电阻率在500 - 750 mΩ·cm之间。由于使用了便宜的钠钙玻璃（厚度0.21 - 2.8 mm），需要在ITO涂层下方设置20 nm的SiO₂钠屏障，该屏障可通过石英（RF技术）或掺杂Si靶（MF - AC反应过程）溅射沉积。大多数电阻式触摸屏还使用涂有ITO的PET基板，这种聚合物薄膜在卷对卷真空镀膜机（也称为卷材镀膜机）中使用磁控溅射技术进行涂层。薄膜在沉积过程中通过冷却鼓传输（通常在室温或更低温度下），ITO涂层的典型方块电阻为250欧姆/平方，总透光率为85 - 88%，电阻率通常在400 - 600 mΩ·cm范围内，这意味着最小涂层厚度在15 - 25 nm之间就足够了。

2. ITO溅射沉积的新技术

2.1 旋转磁控管和旋转陶瓷ITO靶

旋转磁控管使用圆柱形管状靶，在溅射过程中绕其轴旋转。磁体阵列固定在靶内部，圆柱形靶本身通过一对端块固定在溅射磁控管源中。冷却水和电源通过其中一个端块进入，冷却水在靶或靶背衬管内流动，并分别与靶或靶背衬管的内表面直接接触。与平面磁控管一样，旋转磁控管可以水平或垂直安装在镀膜机中，水平磁控管也有悬臂式版本，例如用于卷材镀膜机。

2.2 旋转磁控管的优点

与平面磁控管相比，旋转磁控管有许多优点：
- 更高的靶材利用率 ：几乎整个靶材表面都会被侵蚀，靶材利用率（TU）定义为溅射侵蚀的靶材重量与初始靶材重量的比值乘以100%。平面靶材的TU通常在20% - 45%之间，实际中不高于40%，很多情况下接近35%。而旋转靶材的绝对最小TU为70%，ITO的旋转靶材甚至有高达90%的利用率报告。
- 准无结节溅射 ：旋转靶材表面超过90%会被侵蚀，且溅射表面在通过等离子体前方时的再沉积非常有限，加上更好的冷却使靶材温度更低，因此旋转ITO靶材溅射时几乎无结节。这导致涂层的针孔密度更低，并且由于避免了频繁的靶材表面机械清洁，生产率显著提高。
- 其他优点 ：每个靶材的总材料可用性更高，即减少了靶材更换的频率；旋转靶材通常在较低的靶材温度下运行，因此可以更靠近基板放置，提高了收集效率；旋转靶材允许比平面靶材更高的功率负载（功率基本上“分散”在更大的表面积上）；旋转靶材更换比平面靶材更快。

不过，旋转技术也有一些缺点：旋转溅射源比平面磁控管更复杂（它们有移动部件）；旋转靶材的每千克成本通常比平面靶材高。但总体而言，旋转靶材的优点远远超过缺点，预计旋转磁控管技术在未来几年将在显示行业得到广泛应用。

3. 显示行业中ITO沉积的成本分析

3.1 CF - ITO的成本分析

对在第8.5代生产线（基板尺寸2.2×2.6 m）上生产CF - ITO的平面和旋转ITO靶材技术进行了成本比较。考虑了三种情况：平面技术（情况1）、保守的旋转技术（情况2）和优化的旋转技术（情况3）。具体的边界条件如下表所示：
| 条件 | 情况1：平面 | 情况2：旋转，保守 | 情况3：旋转，优化 |
| — | — | — | — |
| 靶材尺寸（m） | 8×0.23×2.7 | 8×0.147（外径）×2.7（长度） | 8×0.155（外径）×2.7（长度） |
| 靶材厚度（mm） | 9 | 6 | 10 |
| 相对靶材成本（€/kg） | 1 | 2.5 | 1.7 |
| 靶材利用率（%） | 34 | 82.5 | 87.5 |
| 基板收集效率（%） | 50 | 60 | 65 |
| 最大靶材功率（kW/m） | 7 | 10 | 12 |
| 动态沉积速率（nm·m/min） | 58.33 | 100 | 130 |
| 基板良率（%） | 96 | 98 | 98 |
| 镀膜机清洁间隔时间（h） | 80 | 134.4 | 121.3 |
| 维护间隔持续时间（4名操作员，包括排气和抽真空）（h） | 12 | 10 | 10 |
| 安装新靶材组（4名操作员）（h） | 6 | 4 | 4 |
| 每个靶材可用的ITO重量（kg） | 39.74 | 51.02 | 87.45 |
| 一套8个靶材生产的第8.5代基板单元数量（#） | 8,767 | 33,461 | 65,896 |

计算结果表明，旋转技术可实现显著的成本节约，沉积CF - ITO的成本通常可降低22% - 52%。材料成本在每单位CF - 基板的ITO沉积总成本中占很大比例，平面技术为79%，旋转技术在82% - 86%之间（取决于旋转靶材的使用条件）。每花费1000 €在溅射靶材上，旋转靶材的生产率即使在保守情况下也比平面靶材高得多。

mermaid图展示成本比较流程：

graph LR
    A[确定边界条件] --> B[计算平面技术成本]
    A --> C[计算保守旋转技术成本]
    A --> D[计算优化旋转技术成本]
    B --> E[比较三种技术成本]
    C --> E
    D --> E
    E --> F[得出成本节约结论]

3.2 ITO在TP（PET薄膜）中的成本分析

对在卷材镀膜机中使用单个沉积源沉积25 nm ITO进行了比较计算，卷材镀膜机的最大基板长度为1000 m，基板宽度为1.4 m。边界条件与CF - ITO的情况类似，具体如下表所示：
| 条件 | 情况1：平面 | 情况2：旋转，保守 | 情况3：旋转，优化 |
| — | — | — | — |
| 靶材尺寸（m） | 1.6×0.2 | 0.147（外径）×1.6（长度） | 0.159（外径）×1.6（长度） |
| 靶材利用率（%） | 20 | 80 | 87.5 |
| 最大靶材功率（kW/m） | 7 | 10 | 10 |
| 动态沉积速率（nm·m/min） | 58.3 | 100 | 108.3 |
| 镀膜机清洁间隔时间（h） | 48 | 80.6 | 87.4 |
| 靶材更换持续时间（2名操作员，不包括抽真空）（h） | 1.5 | 1 | 1 |
| 屏蔽更换时清洁靶材的额外停机时间（h） | 1 | 0 | 0 |
| 每个靶材可用的ITO重量（kg） | 20.48 | 30.23 | 51.82 |
| 一个靶材的产量（m²） | 10,640 | 82,320 | 167,384 |

计算结果显示，旋转技术再次导致涂层成本显著降低。材料成本在总涂层成本中的占比明显低于CF - ITO的情况，平面技术为46%，旋转技术分别为38%和27.5%（情况2和情况3）。每花费1000 €在溅射靶材上，旋转技术的产量比平面技术高得多，保守情况下高110%，乐观情况下高265%。

综上所述，DC磁控溅射的ITO，使用陶瓷靶材，仍然是显示技术（LCD、PDP和TP）中大多数应用的首选透明导电氧化物。旋转磁控管技术用于ITO沉积可以在工艺稳定性、产品良率和涂层成本方面带来优势，预计该技术将在显示行业得到广泛应用。

铟锡氧化物（ITO）溅射沉积工艺及成本分析

4. 旋转磁控管技术的综合优势与应用前景

旋转磁控管技术在ITO溅射沉积中展现出了多方面的综合优势，这些优势不仅体现在成本和性能上，还对整个显示行业的发展产生了积极影响。

从成本角度来看，无论是CF - ITO还是ITO在TP（PET薄膜）中的应用，旋转磁控管技术都能带来显著的成本节约。在CF - ITO的生产中，旋转技术可使成本降低22% - 52%；在ITO在TP（PET薄膜）的应用中，旋转技术同样能大幅降低涂层成本。虽然旋转靶材每千克成本较高，但由于其高靶材利用率和其他优势，使得整体成本得到有效控制。

在性能方面，旋转磁控管技术具有准无结节溅射的特点，这使得涂层的针孔密度更低，产品质量得到提升。同时，旋转靶材可在更低温度下运行，能更靠近基板放置，提高了收集效率，并且允许更高的功率负载，进一步提升了生产效率。

随着显示行业的不断发展，对显示器件的性能和成本要求越来越高。旋转磁控管技术凭借其在成本和性能上的优势，有望在未来几年内逐渐取代平面沉积技术，成为显示行业ITO溅射沉积的主流技术。目前，一些涂层生产线已经采用或改造为使用旋转磁控管技术，这也预示着该技术的广泛应用前景。

5. 不同应用场景下ITO的性能要求对比

不同的显示应用场景对ITO的性能要求存在差异，以下是对PM - LCD、PDP和TP中ITO性能要求的对比表格：
| 应用场景 | 涂层厚度 | 透光率 | 方块电阻 | 电阻率 | 沉积温度 |
| — | — | — | — | — | — |
| PM - LCD | 未提及 | 未提及 | 未提及 | 未提及 | 未提及 |
| PDP | 约100 nm | 未提及 | 约20欧姆/平方 | 未提及 | 高于200°C |
| TP（电阻式触摸屏玻璃） | 10 - 20 nm | 89 - 93%（550 nm） | 200 - 650欧姆/平方 | 500 - 750 mΩ·cm | 室温 |
| TP（电阻式触摸屏PET基板） | 15 - 25 nm | 85 - 88% | 250欧姆/平方 | 400 - 600 mΩ·cm | 室温或更低 |

从表格中可以看出，不同应用场景下ITO的涂层厚度、透光率、方块电阻、电阻率和沉积温度等性能要求各不相同。这些差异是由不同显示器件的工作原理和使用需求决定的。例如，PDP需要较高的沉积温度来保证ITO的性能；而TP中电阻式触摸屏玻璃和PET基板由于使用环境和要求不同，对ITO的性能要求也有所差异。

6. 未来发展趋势与挑战

未来，显示行业将朝着更高分辨率、更大尺寸、更轻薄和更低成本的方向发展。在这样的趋势下，ITO溅射沉积技术也将面临新的挑战和机遇。

旋转磁控管技术作为一种具有潜力的技术，有望在未来得到更广泛的应用。然而，该技术也面临一些挑战。例如，旋转溅射源结构复杂，有移动部件，这可能会增加设备的维护难度和成本；同时，旋转靶材的制造工艺也需要进一步优化，以降低成本和提高质量。

此外，随着显示技术的不断创新，可能会出现新的透明导电材料来替代ITO。虽然目前ITO仍然是主流的透明导电氧化物，但研发人员一直在寻找性能更优、成本更低的替代材料。例如，碳纳米管网络作为一种潜在的替代材料，具有良好的机械、光学和电学性能，已经在一些显示应用中得到了验证。

为了应对这些挑战和抓住机遇，相关企业和研究机构需要加强技术研发和创新。一方面，要不断优化旋转磁控管技术，提高设备的稳定性和可靠性，降低成本；另一方面，要积极探索新的透明导电材料，为显示行业的发展提供更多的选择。

mermaid图展示未来发展趋势与应对策略：

graph LR
    A[显示行业发展趋势] --> B[旋转磁控管技术挑战]
    A --> C[寻找替代材料需求]
    B --> D[优化旋转磁控管技术]
    C --> E[探索新透明导电材料]
    D --> F[提高设备稳定性和可靠性]
    D --> G[降低成本]
    E --> H[研发性能更优材料]
    E --> I[降低材料成本]

7. 总结

铟锡氧化物（ITO）溅射沉积技术在显示行业中具有重要地位。目前，DC磁控溅射的ITO，使用陶瓷靶材，仍然是大多数显示应用的首选透明导电氧化物。旋转磁控管技术作为一种新兴技术，在ITO溅射沉积中展现出了多方面的优势，包括高靶材利用率、准无结节溅射、更好的性能和更低的成本等。通过成本分析可以看出，旋转磁控管技术在CF - ITO和ITO在TP（PET薄膜）的应用中都能带来显著的成本节约。

不同的显示应用场景对ITO的性能要求存在差异，这需要根据具体需求进行调整和优化。未来，显示行业的发展将对ITO溅射沉积技术提出更高的要求，旋转磁控管技术有望成为主流技术，但也面临一些挑战。同时，寻找新的透明导电材料也是行业发展的一个重要方向。

总之，显示行业的发展离不开ITO溅射沉积技术的支持，而旋转磁控管技术等新技术的应用将为行业带来新的发展机遇。相关企业和研究机构应积极应对挑战，加强技术创新，推动显示行业不断向前发展。