TW201303061A - 導電薄膜製作方法 - Google Patents

Abstract

一種導電薄膜製作方法，係包含：一電漿生成步驟，於一真空腔室內通入一電漿生成氣體，使該電漿生成氣體於該真空腔室內解離，而形成富含高能離子之電漿態；及一轟擊步驟，係以該電漿態中的高能離子，同時轟擊一摻鋁之氧化鋅靶材及一氟化鋅靶材，使得該二靶材中的鋁原子、氟原子、鋅原子及氧原子同時受濺射溢出靶材表面，以共同沉積於一基板，而獲得共摻有鋁及氟的一氧化鋅導電薄膜；其中，係以一擋板控制該氟化鋅靶材受轟擊後，該氟原子濺射溢出而沉積至該基板之含量。

Description

導電薄膜製作方法

本發明係關於一種導電薄膜製作方法，特別是一種具有高載子遷移率而可提高電導率及透光度之導電薄膜製作方法。

由於氧化鋅具有寬能隙的特性，能夠於可見光範圍具有較高穿透率，因此近幾年來，以氧化鋅作為透明導電薄膜廣泛應用於光電半導體產業，如平面顯示器、太陽能電池等相關領域。

然該氧化鋅薄膜之電阻率通常介於1至100歐姆之間，故多數業者為求提高該氧化鋅導電薄膜的導電性，通常係於該氧化鋅薄膜中另摻雜有其他金屬(如鋁、鎵或銦等)，以期望降低該氧化鋅導電薄膜之電阻率，而可以在不影響該氧化鋅導電薄膜光學特性之情況下，達到增強該氧化鋅導電薄膜導電性之目的。

傳統上多以陽離子摻雜於該氧化鋅導電薄膜中，然由半導體物理概念得知，由-1價之陰離子取代-2價之氧離子，同樣可以提高氧化鋅導電薄膜的導電性，尤其係以離子半徑與氧離子相似之氟離子摻雜最受矚目。以往多用化學噴霧法沉積摻雜有氟之氧化鋅薄膜，然所獲得之導電薄膜係存在有導電性不足之困擾，故陸續有研究使用真空電弧電漿蒸鍍、磁控共濺鍍法等，以期望成長具有高品質及較佳導電性的氧化鋅導電薄膜。

如Choi等人於2005年所發表之研究指出，利用磁控共濺鍍法，以摻有鋁之氧化鋅靶材與摻有氟之氧化鋅靶材進行共濺鍍，在基板上成形共摻有鋁及氟的一氧化鋅導電薄膜，且於10^-6托耳之高真空環境下，經300℃退火2小時後，該共摻有鋁及氟之氧化鋅導電薄膜係可以具有較低的電阻率，證實氟摻雜可以增強摻鋁氧化鋅導電薄膜之導電性。

然而，以上述摻有氟之氧化鋅靶材進行共濺鍍時，必須於含氟之氧化鋅靶材燒結之前，便決定其中的氟摻雜量，以致於進行共濺鍍的過程，無法依需求改變該氟離子於基板的沉積濃度，往往必須重新燒結一個新的靶材，才能製備出摻雜有不同氟離子含量之氧化鋅導電薄膜，故上述研究所揭露之手段係無法透過氟離子的沉積濃度變化，而徹底達到改變該氧化鋅導電薄膜之電阻率，以具有較佳導電性之功效。

再者，由於鋁摻雜主要是取代鋅原子，然而鋁離子半徑和鋅離子半徑差異較大，因此鋁摻雜雖可提高載子濃度，但卻容易使晶格變形，造成載子在移動時發生散射，導致載子遷移率降低；相反地，氟原子摻雜主要是取代氧原子，然而氟離子半徑和氧離子半徑差異不大，因此氟摻雜除可提高載子濃度之外，相較鋁摻雜亦可有效提高載子遷移率。由於濺鍍過程中氟容易自基板上薄膜表面溢散而被抽氣系統抽除，導致該含氟靶材之氟含量無法充份沉積於該基板表面，使得該氧化鋅導電薄膜內所摻雜之氟含量不足；故上述研究所揭露之手段僅能透過鋁摻雜，而提高該氧化鋅導電薄膜內的載子濃度，無法有效利用氟摻雜的優勢。

有鑑於此，確實有必要發展一種導電薄膜製作方法，以期望解決如上所述之問題，而獲得具有較佳透光度及導電性的導電薄膜。

本發明之主要目的乃改良上述缺點，以提供一種導電薄膜製作方法，其係能夠任意調配摻雜於該導電薄膜中的氟含量，以提升該導電薄膜的載子遷移率而降低其電阻率。

本發明之次一目的係提供一種導電薄膜製作方法，係能夠以鋁摻雜穩定該導電薄膜的載子濃度，以維持該導電薄膜之透光度，且同時提升其導電性。

為達到前述發明目的，本發明之導電薄膜製作方法，係包含：一電漿生成步驟，於一真空腔室內通入一電漿生成氣體，使該電漿生成氣體於該真空腔室內解離，而形成富含高能離子之電漿態；及一轟擊步驟，係以該電漿態中的高能離子，同時轟擊一摻鋁之氧化鋅靶材及一氟化鋅靶材，使得該二靶材中的鋁原子、氟原子、鋅原子及氧原子同時受濺射溢出靶材表面，以共同沉積於一基板，而獲得共摻有鋁及氟的一氧化鋅導電薄膜；其中，係以一擋板控制該氟化鋅靶材受轟擊後，該氟原子濺射溢出而沉積至該基板之含量。

本發明之導電薄膜製作方法還可以於該轟擊步驟後另操作一後處理步驟，係將該共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜，進行熱退火處理，使得該氧化鋅導電薄膜的晶格重新排列，其中該熱退火處理之溫度為400~600℃。

再且，於本發明之導電薄膜製作過程中，係將該摻鋁的氧化鋅靶材係置於一直流濺鍍鎗，且於該直流濺鍍鎗內通入5~30瓦之直流功率，另將該氟化鋅靶材係置於一射頻濺鍍鎗，且於該射頻濺鍍鎗通入50~150瓦之射頻功率。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係一反應式磁控共濺鍍機台1，該反應式磁控共濺鍍機台1係於一腔室10內設有二濺鍍鎗11、12，且該二濺鍍鎗11、12各位於陰極處，以供給其一濺鍍鎗11適當之直流功率，及供給另一濺鍍鎗12適當之射頻功率，且於該陽極處另設有一基板13，用以沉積本發明之導電薄膜。其中，該反應式磁控共濺鍍機台1之設計，係為所屬技術領域具有通常知識者可輕易思及，且非本發明欲強調之特徵，此處僅為初略說明，以供於下詳述本發明之導電薄膜製作方法的步驟之用，故不加以贅述，更不以此機台為限。

請參照第1及2圖所示，其為本發明一較佳實施例，以上述反應式磁控共濺鍍機台1進行操作，該導電薄膜製作方法係包含一電漿生成步驟S1及一轟擊步驟S2。

該電漿生成步驟S1係於一真空腔室10內通入一電漿生成氣體，使該電漿生成氣體於該真空腔室10內解離，而形成富含高能離子之電漿態。更詳言之，係以一幫浦14對該腔室10抽氣，使得該腔室10形成真空狀態，以確保該腔室10內不存在有任何外界之氣體，形成該真空腔室10後通入該電漿生成氣體G(如第3a圖所示)，再緩慢提升該二濺鍍鎗11、12的直流及射頻功率，以於該真空腔室10內產生反應所需之電場，透過游離電子撞擊該電漿生成氣體，以破壞該電漿生成氣體原子或分子間的鍵結，而解離形成電漿態。其中，該幫浦14係可以選擇機械幫浦或冷凝幫浦，且該電漿生成氣體G可以為氬氣、氮氣、氫氣或氧氣等。

舉例而言，本發明係先以該幫浦14抽氣至該腔室10之壓力為2×10^-6托耳，確保該腔室10係為絕對真空狀態後，通入氧氣混摻氬氣，且以流量控制器15限定其氧氣流量分率為10~20%，使得該真空腔室10內的壓力值維持5×10^-3托耳之工作壓力，以維持較佳的電漿生成率；再於該二濺鍍鎗11、12之電極間各別輸入5~30瓦之直流功率及50~150瓦之射頻功率，使得該真空腔室10內可以產生適當的電場，以由該電場所產生的高能游離電子撞擊該氬氣，而破壞該氬氣的分子鍵結而形成電漿態。本實施例較佳之直流功率係為10瓦，且較佳之射頻功率係為90瓦，藉此產生較適當的電漿生成電場，且可以於後續該轟擊步驟S2時，達到較佳的靶材轟擊效果。

請再配合3b及3c圖所示，該轟擊步驟S2係以該電漿態中的高能離子G，同時轟擊一摻鋁之氧化鋅靶材T1及一氟化鋅靶材T2，使得該二靶材中的鋁原子A、氟原子F、鋅原子及氧原子同時受濺射溢出靶材表面，以共同沉積於一基板13，而獲得共摻有鋁及氟的一氧化鋅導電薄膜M。其中，係以一擋板121控制該氟化鋅靶材T1受轟擊後，該氟原子F濺射溢出而沉積至該基板13之含量。更詳言之，為提升傳統氧化鋅導電薄膜的導電率，且同時維持該氧化鋅導電薄膜的透明度，本發明係選擇以該摻鋁的氧化鋅靶材T1及氟化鋅靶材T2進行共濺鍍，以將該摻鋁的氧化鋅靶材T1置於該直流濺鍍鎗11，且將該氟化鋅靶材T2置於該射頻濺鍍鎗12，藉此避免通入直流電源產生電漿高能離子G轟擊該氟化鋅靶材T1時，產生正電荷累積於該氟化鋅靶材T2所衍生的問題；再且，本發明以氟化鋅作為其一濺鍍靶材T2時，係可以隨意改變該氟化鋅靶材T2受轟擊，而沉積於該基板13上的氟含量，以藉由該氟離子與氧離子相接近之離子半徑，取代該氧化鋅導電薄膜中的氧；更可以透過摻有鋁之氧化鋅靶材T1，同時於該基板13上沉積鋁離子，以穩定該氧化鋅導電薄膜的氟摻雜濃度，達到提升載子遷移率而增加薄膜導電率之功效。

舉例而言，本發明係於工作壓力為5×10^-3托耳之真空腔室10內置入該基板13，使得該基板13位於陽極處，且以該擋板121限制該氟化鋅靶材T2之氟離子F受濺射溢出，而沉積於該基板13之含量，本實施例係控制該氟化鋅靶材T2的擋板121開啟時間，係佔該導電薄膜總製程時間的25%、50%、75%及100%。以於該些時間內，透過該電漿所生成之高能離子G同時轟擊該摻鋁之氧化鋅靶材T1及氟化鋅靶材T2，使得該高能離子G之能量可以傳遞至該二靶材T1、T2表面，以自該二靶材T1、T2表面各濺射出該鋁原子A、氟原子F、鋅原子及氧原子而沉積於該基板13上，而能夠獲得不同鋁及氟含量共摻之氧化鋅導電薄膜。其中，該摻鋁之氧化鋅靶材T1及氟化鋅靶材T2的純度皆為99.99%，且該二靶材T1、T2的直徑皆為3吋，而可以自該二靶材T1、T2獲得品質較佳的氧化鋅導電薄膜；該基板13係可以選擇為玻璃基板，且控制該基板13之溫度維持於150~250℃，藉以增加該鋁、氟、鋅及氧原子或鋁、氟鋅及氧離子沉積於該基板13的均勻度。

此外，請參照第4圖所示，於該轟擊步驟S2後還可以另操作一後處理步驟S3，該後處理步驟S3係將該共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜，進行熱退火處理，使得該氧化鋅導電薄膜的晶格重新排列。更詳言之，係於該真空腔室10內抽氣至壓力為1×10^-3托耳，升高該真空腔室10之溫度為400~600℃，本實施例較佳係控制該真空腔室10之溫度為500℃，以對該共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜進行熱退火處理，且以每秒升溫6℃之速率，持續退火時間為10~20分鐘。藉此，係可以改變該共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜之光電特性，以獲得具有較佳透光度及導電性的氧化鋅導電薄膜。

再且，請再參照第4圖所示，本發明亦可以於該電漿生成步驟S1之前另操作一前置步驟S01，該前置步驟S01係洗去該基板13表面之附著物。更詳言之，本實施例係將該基板13浸於丙酮中，進行超音波震動5~10分鐘，以完成第一次清洗；接著，再將該基板13置於甲醇溶液中，以重複超音波震動5~10分鐘，以完成第二次清洗；最後，再將該基板13移至去離子水中，進行第三次的超音波震盪5~10分鐘，於此徹底去除附著於該基板13表面之髒汙、灰塵或油漬等，再以高壓氮氣烘乾，放置於120℃之精密烤箱烘烤1小時，以去除該基板13表面之水氣，藉此維持該基板13表面所生成之氧化鋅導電薄膜的品質。甚至，於該電漿生成步驟S1中還可以透過預濺鍍之手段，以去除該二靶材T1、T2上的污染源，達到穩定後續鍍膜製程之較佳功效。

經由上述得知，本發明之導電薄膜製作方法，不僅可以透過該摻鋁的氧化鋅靶材T1濺射出鋁原子或鋁離子，更可以藉由該氟化鋅靶材T2濺射出足量的氟原子或氟離子，而形成共摻有鋁及氟之氧化鋅導電薄膜；由於氟離子半徑和氧離子半徑差異不大，因此藉由充分的氟摻雜，除了可提高載子濃度之外，並可提升載子遷移率。根據霍爾效應量測原理得知，該電阻率係與載子遷移率及載子濃度的乘積呈現負相關，故本發明於電子濃度維持穩定之情況下，係能夠經由該載子遷移率的提升，降低該共摻有鋁及氟之氧化鋅導電薄膜的電阻率，以於不改變該氧化鋅導電薄膜透光度的同時，達到提升該氧化鋅導電薄膜導電率之功效。甚至，本發明係可以隨意改變該氟化鋅靶材濺射至該基板表面的氟含量，不須重新製作新的含氟靶材，便可以調整於該氧化鋅導電薄膜中的較佳氟含量，以方便取得共摻鋁及氟的較佳比例，而省去含氟靶材再次購買或製備所需耗費的時間及成本。

為證實本發明之導電薄膜可以透過摻鋁之氧化鋅靶材與氟化鋅靶材共濺鍍之方法，而於該基板上沉積出共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜，且本發明之導電薄膜係具有較佳的導電性及光穿透效率。於此，係針對沉積有不同濃度氟原子之氧化鋅導電薄膜進行分析，以獲得載子濃度、載子遷移率、電阻率及光穿透率之量測數值，結果詳見於第5及8圖。

請參照第5圖所示，其係為本發明之導電薄膜載子濃度，與該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比分析圖。其中，該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比，可代表該氟化鋅靶材受該高能電漿離子轟擊後，該氟原子自該氟化鋅靶材濺射溢出而沉積於基板之含量。由第5圖的結果得知，不論該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比為何，該共摻有鋁及氟之氧化鋅導電薄膜的載子濃度約於3.34×10²⁰/cm³至3.62×10²⁰/cm³之間，其顯示於該基板上的不同的氟原子沉積濃度，並不足以影響本發明導電薄膜的載子濃度。

請參照第6圖所示，其係為本發明之導電薄膜載子遷移率，與該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比分析圖。其中，該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比，即代表該氟化鋅靶材受該高能電漿離子轟擊後，該氟原子自該氟化鋅靶材濺射溢出而沉積於基板之含量。由第6圖的結果得知，未開啟該氟化鋅靶材的擋板時，其氧化鋅導電薄膜的載子遷移率僅為18.3cm²/V-s，隨著該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比增加，該共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜之載子遷移率明顯逐漸提升，且於該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比達75%時，係可以獲得高達30.3 cm²/V-s之載子遷移率。

請參照第7圖所示，其係為本發明之導電薄膜電阻率，與該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比分析圖。其中，該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比，即代表該氟化鋅靶材受該高能電漿離子轟擊後，該氟原子自該氟化鋅靶材濺射溢出而沉積於基板之含量。由第7圖的結果得知，未開啟該氟化鋅靶材的擋板時，其氧化鋅導電薄膜的電阻率僅為1.02×10^-3Ω-cm，隨著該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比增加，該共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜之電阻率明顯逐漸降低，且於該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比達75%時，係可以獲得低於5.69×10^-4Ω-cm之電阻率。

藉此顯示，根據霍爾效應量測原理得知，該電阻率係與載子遷移率及載子濃度的乘積呈現負相關之情況下，證實本發明共摻有鋁及氟之氧化鋅導電薄膜，係可以透過氟原子的摻雜提升該導電薄膜之載子遷移率，且配合鋁原子的摻雜穩定該導電薄膜之載子濃度，以此降低該導電薄膜之電阻率，達到有效提升該導電薄膜導電率之功效。

請參照第8圖所示，其係為本發明之導電薄膜光穿透率，與該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比分析圖。其中，該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比，即代表該氟化鋅靶材受該高能電漿離子轟擊後，該氟原子自該氟化鋅靶材濺射溢出而沉積於基板之含量。由第8圖的結果得知，不論該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比為何，於該光波長為360奈米時，皆呈現有明顯的吸收邊界，且該吸收邊界處的能量係與氟化鋅3.3 eV之能隙相近似，故本發明之導電薄膜的吸收邊界係為氧化鋅直接能隙吸收所造成之結果。再且，於光波長為300~900奈米處，不論該氟化鋅靶材的擋板開啟時間百分比為何，其平均光穿透率均維持於93%以上，藉此證實該共摻有鋁及氟之氧化鋅導電薄膜係具有較佳的光穿透效率。

本發明之導電薄膜製作方法，其係能夠任意調配摻雜於該導電薄膜中的氟含量，以提升該導電薄膜的載子遷移率，達到降低該導電薄膜電阻率之功效。

本發明之導電薄膜製作方法，係能夠以鋁摻雜穩定該導電薄膜的載子濃度，以維持該導電薄膜之透光度，且同時達到提升其導電性之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

S1．．．電漿生成步驟

S2．．．轟擊步驟

S3．．．後處理步驟

S01．．．前置步驟

1．．．直流反應式磁控共濺鍍機台

10．．．腔室

11．．．濺鍍鎗

111．．．擋板

12．．．濺鍍鎗

121．．．擋板

13．．．基板

14．．．幫浦

15．．．流量控制器

T1．．．摻鋁之氧化鋅靶材

T2．．．氟化鋅靶材

G．．．電漿生成氣體/電漿態高能粒子

A．．．鋁原子

F．．．氟原子

M．．．導電薄膜

第1圖：本發明使用之直流反應式磁控共濺鍍機台示意圖。

第2圖：本發明之操作流程圖。

第3a-3c圖：本發明之操作流程示意圖。

第4圖：本發明之操作流程圖又一。

第5圖：本發明之導電薄膜載子濃度分析圖。

第6圖：本發明之導電薄膜載子遷移率分析圖。

第7圖：本發明之導電薄膜電阻率分析圖。

第8圖：本發明之導電薄膜透光率分析圖。

S1．．．電漿生成步驟

S2．．．轟擊步驟

Claims (10)

1. 一種導電薄膜製作方法，係包含：一電漿生成步驟，於一真空腔室內通入一電漿生成氣體，使該電漿生成氣體於該真空腔室內解離，而形成富含高能離子之電漿態；及一轟擊步驟，係以該電漿態中的高能離子，同時轟擊一摻鋁之氧化鋅靶材及一氟化鋅靶材，使得該二靶材中的鋁原子A、氟原子F、鋅原子及氧原子同時受濺射溢出靶材表面，以共同沉積於一基板，而獲得共摻有鋁及氟的一氧化鋅導電薄膜；其中，係以一擋板控制該氟化鋅靶材受轟擊後，該氟原子濺射溢出而沉積至該基板之含量。
2. 依申請專利範圍第1項所述之導電薄膜製作方法，於該轟擊步驟後另操作一後處理步驟，係將該共摻有鋁及氟的氧化鋅導電薄膜，進行熱退火處理，使得該氧化鋅導電薄膜的晶格重新排列。
3. 依申請專利範圍第2項所述之導電薄膜製作方法，其中該熱退火處理之溫度係為400~600℃。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之導電薄膜製作方法，其中該摻鋁的氧化鋅靶材係置於一直流濺鍍鎗，且於該直流濺鍍鎗內通入5~30瓦之直流功率，該氟化鋅靶材係置於一射頻濺鍍鎗，且於該射頻濺鍍鎗通入50~150瓦之射頻功率。
5. 依申請專利範圍第1或2項所述之導電薄膜製作方法，其中該摻鋁的氧化鋅靶材之純度為99.99%，且該摻鋁的氧化鋅靶材之直徑為3吋。
6. 依申請專利範圍第1或2項所述之導電薄膜製作方法，其中該氟化鋅靶材之純度為99.99%，且該氟化鋅靶材之直徑為3吋。
7. 依申請專利範圍第1或2項所述之導電薄膜製作方法，其中該真空腔室內的壓力值係為5×10^-3托耳。
8. 依申請專利範圍第1或2項所述之導電薄膜製作方法，其中該基板之溫度維持於150~250℃。
9. 依申請專利範圍第1或2項所述之導電薄膜製作方法，於該電漿生成步驟中另透過預濺鍍之手段，以去除靶材上的污染源且穩定後續之轟擊步驟。
10. 依申請專利範圍第1或2項所述之導電薄膜製作方法，於該電漿生成步驟之前另操作一前置步驟，該前置步驟係洗去該基板表面之附著物。