CN101328572A

CN101328572A - 高阻透明导电膜、透明导电膜基板及其制备方法

Info

Publication number: CN101328572A
Application number: CNA2007100751405A
Authority: CN
Inventors: 史辉琨; 金弼
Original assignee: CSG Holding Co Ltd
Current assignee: CSG Holding Co Ltd
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2008-12-24

Abstract

本发明公开了一种高阻透明导电膜及其制备方法，包括真空镀膜步骤，在所述真空镀膜步骤中充入含有氮元素的工作气体。所述真空镀膜步骤包括：A1、设置导电性靶材；B1、真空室抽真空；C1、将待镀膜的透明基板送入已抽真空或未抽真空的真空室内；D1、向已抽真空的真空室内充入含有氮元素的工作气体并达到规定的压力范围；E1、对透明基板进行真空镀膜。本发明因不需要更换靶材即可得到高电阻率的透明导电膜，从而降低了生产成本、简化了生产流程。

Description

高阻透明导电膜、透明导电膜基板及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种带有透明导电膜的透明基板，尤其涉及该透明导电膜基板上的高阻透明导电膜及其制备方法。

【背景技术】

液晶显示器(Liquid Crystal Display简称LCD)和有机发光显示器(Organic Light Emitting Diode简称OLED)，因其体积小、厚度薄、功耗低、无辐射等优点而广泛应用于各种信息显示中。触摸屏(Touch Panel简称TP)是置于显示器面板前面，通过触摸来实现代替键盘的输入功能的器件。以上三种器件都需要在其透明基板上形成一层透明导电膜，然后将透明导电膜制成透明电极。

透明导电膜有多种具体类型，其中目前最普遍的是所谓的ITO(IndiumTin Oxide)，更具体地讲是氧化铟(In₂O₃)中添加了氧化锡(SnO₂)的氧化铟锡的薄膜，它导电性良好、透过率高、各项性能满足使用要求，可大量工业生产。

ITO透明导电膜广泛应用于各种平板显示器，目前是液晶显示器和有机发光显示器的应用上综合性能最优秀的透明导电膜材料。在上述两种显示器的应用中ITO起一种透明电极作用，作为这种电极材料来说其导电性越高越好，换句话讲ITO膜的电阻率越低越好，目前典型的电阻率值是1.5×10^-4Ω.cm。

ITO透明导电膜的典型的制备方法是将ITO透明导电膜沉积于玻璃基板上，玻璃基板的厚度是0.4mm～1.1mm，沉积的ITO膜的厚度是纳米级，如12nm～400nm。我们把这种沉积的制程叫镀膜(Coating)，镀了ITO膜的产品在本文中称为ITO透明导电膜基板(ITO Substrate)。最常见的镀膜方法是所谓的真空磁控溅射法(Vacuum Magnetic Control Sputtering)，简称真空溅射法(Vacuum Sputtering)。真空溅射法的关键工艺要素是靶材、工作气体、气体压强、气体流量、电源等等。其中靶材是待沉积的物质，ITO靶材是沉积ITO膜需要的块状矩形材料；工作气体是在真空中形成等离子氛围所必须的媒介，等离子氛围把ITO靶材中的铟(In)锡(Sn)氧(O)元素溅射出来并把它们沉积于玻璃上形成ITO薄膜，常见的有氩(Ar)、氖(Ne)等惰性气体和氧(O₂)等反应性气体；工作气体的压强和流量是控制工艺的重要参数；电源是为等离子氛围的产生提供特殊波形电能的组件，有DC电源、RF电源、MF电源等。液晶显示器和有机发光显示器的应用为目的的典型的ITO制备工艺是：选用比例为In₂O₃∶SnO₂＝90∶10(W/W，即质量比)的通用ITO靶材，采用DC电源溅射，工作气体是Ar和O₂混合气体，要控制其比例和流量使气压达到0.1Pa～0.8Pa之间，这些参数的优化的一个重要原则是电阻率尽可能低，当然也照顾其它性能，目前大量生产的典型的电阻率值是1.5×10^-4Ω.cm。

继各种平板显示器之后，ITO透明导电膜在电阻式触摸屏中也得到应用。目前最普遍的电阻式触摸屏的种类是4线制和5线制的模拟式屏，制作这种屏所需要的ITO的典型厚度是12nm、面电阻阻值是400Ω/□～800Ω/□。我们知道，面电阻阻值与膜厚成反比、与电阻率成正比，据此可以推导出电阻率值1.5×10^-4Ω.cm、膜厚12nm的ITO膜的面电阻值是125Ω/□，显然与400Ω/□～800Ω/□的要求比小了很多。所以1.5×10^-4Ω.cm电阻率值对液晶显示器和有机发光显示器是合适的，但对4线制和5线制的模拟式触摸屏是不合适的，合适的值是4.8×10^-4Ω.cm～9.6×10^-4Ω.cm。一种有效的解决方案是提高ITO膜的电阻率，即提高到4.8×10^-4Ω.cm～9.6×10^-4Ω.cm，以保证在膜厚是12nm的前提下得到400Ω/□～800Ω/□的面电阻。

为了解决触摸屏应用中ITO的上述问题，已经提出了多种方法，其中改变靶材的成份是成功的例子，例如在通用的ITO靶材基础上添加少量的第四种元素的方法和更换成采用In₂O₃和SnO₂比例偏离通用值90∶10(W/W)的ITO靶材等。第一种方法是在靶材成分中加入不同于铟(In)、锡(Sn)、氧(O)的第四种元素，但靶材的主体成份仍然与通用ITO靶材一样，其特点是磁控溅射沉积透明导电膜的工艺与典型的ITO工艺一致，并且用此工艺制备的产品除电阻率提高外其它理化性能基本保留典型ITO的水准，是比较成功的方法。在提到的第二种方法里，In₂O₃和SnO₂比例有97∶3(W/W)、95∶5等，而目前工业领域里几十年的经验证实In₂O₃和SnO₂比例为90∶10(W/W)是电阻率最低的通用ITO靶材，显然偏离通用靶材所含的铟锡比例也可以提高电阻率。

上述两个方案是比较成功的，但是它们也有缺点。首先，用这两种方法生产时需要频繁更换靶材，增加了无效工作时间。一条ITO透明导电膜真空磁控溅射生产线，一般来说要兼顾多种领域应用的ITO膜的生产，例如要同时兼顾液晶显示器和触摸屏用ITO，如果两种应用的ITO的靶材不一样，就得根据生产定单的变更更换靶材，而更换靶必须打开真空设备才能进行，这段时间设备要停止工作，通常要耗费4～8小时时间，其结果是降低有效工作时间。其次，In₂O₃和SnO₂比例为90∶10(W/W)的通用靶材是广泛使用的标准品，价格相对便宜，而现有技术中提到的两种方案中使用的靶材都是不常用的靶材，价格相对贵，这对靶材成本在原材料成本中占重要比例的ITO产品是很不利的。以上两个缺点都会导致生产成本增加。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现有技术中存在的问题，提供一种高阻透明导电膜的制备方法和由该方法制备的高阻透明导电膜及透明导电膜基板，降低高电阻率透明导电膜的生产成本，该透明导电膜在制备时不需要更换通用靶材，只需更改工作气体，即可由LCD用ITO生产转向触摸屏用ITO的生产，使ITO的电阻率由低变高，满足触摸屏对透明导电膜的要求。

为实现上述目的，本发明提供一种高阻透明导电膜的制备方法，包括真空镀膜步骤，且在所述真空镀膜步骤中充入含有氮元素的工作气体以便在膜层成分中引入氮化物。

所述真空镀膜步骤包括：

A1、设置导电性靶材；

B1、真空室抽真空；

C1、将待镀膜的透明基板送入已抽真空或未抽真空的真空室内；

D1、向已抽真空的真空室内充入含有氮元素的工作气体并使真空室内的压力达到规定的压力范围；

E1、对透明基板进行真空镀膜。

其中，所述工作气体中含有氮气和氮化物气体中的至少一种。

在工作气体中所述氮气和氮化物气体的质量总和所占比例为1％～10％。

所述工作气体中还包含惰性气体或惰性气体和氧气的混合气体。

所述氮化物气体为N₂O气体，所述惰性气体为氩气或氖气。

所述导电性靶材为氧化铟锡(ITO)靶材，氧化铟(In₂O₃)和氧化锡(SnO₂)质量比为90∶10；所述工作气体为氩气和N₂O气体的混合气体，所述氩气和N₂O气体的质量比大于或等于95∶5。

所述真空室的背景真空度为小于6×10^-3Pa，充入工作气体后的气压为0.1～0.8Pa，真空度和充入工作气体后的气压与现有技术中的要求相同，在所述步骤B1之后、步骤C1之前还包括清洗透明基板的步骤，在所述步骤C1之后、步骤D1之前还包括将透明基板加热到200～400℃的步骤。

本发明同时提供了一种高阻透明导电膜，所述导电膜中包括氮元素，其含量(即在导电膜中的质量比)为0.01％～10％。

本发明同时还提供了一种透明导电膜基板，包括透明基板和附着于透明基板至少一侧表面上的透明导电膜，所述导电膜中包括氮元素，其含量(即在导电膜中的质量比)为0.01％～10％。

本发明的有益效果是：本发明在采用真空镀膜形成透明导电膜时，在工作气体中掺入含有氮元素的气体，从而在溅射沉积过程中，氮元素也被沉积并掺入到了溅射材料(例如ITO)中，由于ITO的既有成分已经实现了电阻率的最小化，掺入氮化物就会破坏其成分比，增加电阻率，从而满足触摸屏对透明导电膜的要求，并且不需要因此而更换靶材，靶材可使用通用的铟锡比为90∶10的ITO靶材，降低了成本，简化了生产工序。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明的制备流程图。

【具体实施方式】

根据本发明的透明导电膜的制备设备和原料包括：DC电源、真空设备、靶材、工作气体源、测量仪器，测量仪器包括四探针电阻仪(测量面电阻)、台阶仪(测量膜厚)、分光光度计(测量透过率)、AFM(测量表面形貌)、马弗炉(面电阻耐温实验)。

请参考图1，透明导电膜的制备流程包括以下步骤：

1、设置至少一个导电性靶材，导电性靶材可采用通用的ITO靶材或其它配比的ITO靶材，通用的ITO靶材配比为In₂O₃∶SnO₂＝90∶10(W/W)；

2、将真空室抽真空，使背景真空度小于6×10^-3Pa，本实施例中背景真空度达2×10^-3Pa；

3、将清洗干净的待镀膜的透明基板(例如玻璃基板)送入已抽真空的真空室内；

4、加热器保持玻璃基板温度为350℃以保证成膜的结晶度，从而获得稳定的膜层结构；

5、向已抽真空的真空室内充入含有氮元素的工作气体并达到规定的压力范围。工作气体包括含有氮元素的气体，例如笑气(N₂O)、氮气(N₂)等，工作气体还包括惰性气体或惰性气体和氧气的混合气体。工作气体中惰性气体是主体，含氮气体和氧气是反应气体，只占少量。在表1中具体说明了工作气体的几种组合，例如工作气体为氩气(Ar)、氩氧混合气体(其质量比为Ar∶O₂＝95∶5)、氩气和笑气混合气体(其质量比为Ar∶N₂O＝95∶5)的混合，即将氩气(Ar)、氩氧混合气体(Ar∶O₂＝95∶5)、氩气和笑气(N₂O)的混合气体(Ar∶N₂O＝95∶5)分别充入真空室内；充入工作气体的量使压力达到规定值，通常规定的充入工作气体后真空室的气压为0.1～0.8Pa；表1中，在只充入氩气和笑气(N₂O)的混合气体(Ar∶N₂O＝95∶5)时，氩气和笑气质量比为95∶5，即笑气(N₂O)在工作气体中占5％。在同时还冲入氩气后，在真空腔室中的工作气体中，氩气和笑气质量比大于95∶5，即笑气(N₂O)在工作气体中所占比例小于5％，最低可至1％，例如第四组中，笑气(N₂O)在工作气体中所占比例约为1％，第四组中，笑气(N₂O)在工作气体中所占比例为4％。笑气(N₂O)在工作气体中所占比例最高可至10％。

6、充入工作气体后，打开DC电源，预溅射靶材，去除靶材表面杂质，保证溅射稳定；

7、启动传动，对透明基板开始沉积ITO透明导电膜。

在镀膜完成后需要对ITO导电膜进行测量和评估。

表1是采用本发明的实施方式所制备的透明导电膜和采用常规方式所制备的透明导电膜(即对照组1、对照组2)的对比。其中充入的气体的量的单位为质量流量单位sccm，即标况毫升每分(standard-state cubiccentimeter per minute)。

数据分析与结论：

1.在总气量不变的情况下，随着Ar/N₂O混合气体比例的增加，电阻率上升趋势明显。在Ar/N₂O混合气体比例达到100％时，电阻率达到1033μΩ.cm。即厚度130

的ITO膜电阻能达到735Ω/□。

2.在全Ar/N₂O混合气体的氛围下，气压变化对电阻率增加影响不大。

3.ITO膜层的透过率几乎都能达到89％以上，符合要求。

4.能同时采用通用的铟锡比为90∶10的ITO靶材生产LCD用低阻和触摸屏用高阻产品，节约靶材购买成本。

5.在转换生产时无需换靶，减少换靶检修时间，提高生产效率。

6.TP-ITO比较理想的膜厚是100～130，本工艺可以在此厚度下实现需要的高阻值TP产品，电阻均匀性容易控制，产品可靠性增加，透过率有保障。

7.只要改变N₂O的含量就可调控电阻，工艺调整容易。

表1

从以上结果看出，随着工作气氛中N₂O比例的增加，电阻率逐渐上升，在12nm左右的ITO膜厚下可以得到400Ω/□～800Ω/□的面电阻。这样可以根据应用的需求，通过改变气氛轻易地达到400Ω/□～800Ω/□范围内的指定阻值，而不需要更换靶材，从而降低了高电阻率透明导电膜的生产成本。

当真空室的背景真空度小于6×10^-3Pa，在氮气、氮化物气体(例如笑气、二氧化氮)中选择一种或一种以上的气体，配合惰性气体或惰性气体和氧气的混合气体充入真空室内，使真空室的气压达到0.1～0.8Pa，且含有氮元素的气体的质量总和在工作气体中占有1％～10％，也有类似的效果。但含氮气体在工作气体中应为少数气体，因为氮化物太多会影响透过率。

在镀膜过程中，影响电阻率的因素很多，如ITO的厚度、温度、真空度、气流量等等。在其他镀膜条件无变化的情况下加入少量含氮气体可以提高ITO的电阻率，但超过一定量会对ITO其他性能如透过率产生不良影响。例如使用通用的铟锡比90∶10的ITO靶材，膜厚范围为100～140

，此膜厚范围为综合考虑TP用ITO玻璃基板的镀膜成本、膜层光学性能和理化性能之最佳选择，随含氮气体加入量的变化电阻率变化范围为2×10^-4Ω.cm～12×10^-4Ω.cm。

根据上述制备方法，由于在工作气体中加入了含有氮元素的气体，经过溅射后，会有部分氮元素和靶材材料一起沉积在基板上，即在膜层中掺入了氮元素，由于ITO的既有成分已经实现了电阻率的最小化，掺入氮化物就会破坏其成分比，增加电阻率。

经实验测量，根据本发明所制备的透明导电膜中氮的含量范围为0.01～10％，相应的，电阻率在2×10^-4Ω.cm～12×10^-4Ω.cm范围内变化，且基本上，通过增加导电膜中氮元素的含量，可提高导电膜的电阻率。

导电膜中氮元素的含量与制作过程中工作气体的组成、工作气体的压力有关。工作气体含有氮元素的气体的份量越多，其中含有的氮元素也越多，氮元素沉积到透明导电膜层中的机会也越多。工作气体的气压越高，充入的工作气体越多，其中含有的氮元素也越多，氮元素沉积到透明导电膜层中的机会也越多。

根据本发明制成的透明导电膜附着在透明基板上，即可制成具有高阻透明导电膜的基板。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高阻透明导电膜的制备方法，包括真空镀膜步骤，其特征在于：在所述真空镀膜步骤中充入含有氮元素的工作气体以便在膜层成分中引入氮化物。

2.如权利要求1所述的高阻透明导电膜的制备方法，其特征在于：所述真空镀膜步骤包括：

A1、设置导电性靶材；

B1、真空室抽真空；

E1、对透明基板进行真空镀膜。

3.如权利要求2所述的高阻透明导电膜的制备方法，其特征在于：所述工作气体中含有氮气和氮化物气体中的至少一种。

4.如权利要求3所述的高阻透明导电膜的制备方法，其特征在于：在工作气体中所述氮气和氮化物气体的质量总和为1％～10％。

5.如权利要求4所述的高阻透明导电膜的制备方法，其特征在于：所述工作气体中还包含惰性气体或惰性气体和氧气的混合气体。

6.如权利要求5所述的高阻透明导电膜的制备方法，其特征在于：所述氮化物气体为N₂O气体，所述惰性气体为氩气或氖气。

7.如权利要求4所述的高阻透明导电膜的制备方法，其特征在于：所述导电性靶材为氧化铟锡靶材，氧化铟和氧化锡质量比为90∶10；所述工作气体为氩气和N₂O气体的混合气体，所述氩气和N₂O气体的质量比大于或等于95∶5。

8.如权利要求1至7中任一项所述的高阻透明导电膜的制备方法，其特征在于：所述真空室的背景真空度为小于6×10^-3Pa，充入工作气体后的气压为0.1～0.8Pa，在所述步骤B1之后、步骤C1之前还包括清洗透明基板的步骤，在所述步骤C1之后、步骤D1之前还包括将透明基板加热到200～400℃的步骤。

9.一种高阻透明导电膜，其特征在于：所述导电膜中包括有氮元素，所述氮元素的含量为0.01％～10％。

10.一种透明导电膜基板，包括透明基板和附着于透明基板至少一侧表面上的透明导电膜，其特征在于：所述导电膜中包括具有氮元素，所述氮元素含量为0.01％～10％。