TW202007784A

TW202007784A - 氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜

Info

Publication number: TW202007784A
Application number: TW107126606A
Authority: TW
Inventors: 林天財; 黃文昌
Original assignee: 崑山科技大學
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-02-16
Also published as: TWI664304B

Abstract

本發明係在提供一種氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，主要係將靶材濺鍍沉積於基板，該基板係為軟性塑膠，其設有第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係濺鍍沉積於該基板5分鐘；第二銅鉻（Cu：Cr）層，係濺鍍沉積於該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層30秒鐘，該第二銅鉻（Cu：Cr）層之銅鉻比例係為銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30；第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係濺鍍沉積於該第二銅鉻（Cu：Cr）層5分鐘；如此，具有片電阻231Ω/□，透光率74.67%，電阻率1.19 x 10^-3 Ω-cm，光電指標2.4 x 10^-4 Ω^-1 ，可達到最佳耐腐蝕性、導電性及透光性，更具有可撓性及防止龜裂的平滑表面。

Description

氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜

本發明係有關於一種氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，特別係將靶材濺鍍沉積於基板，該基板係為軟性塑膠，其設有第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係濺鍍沉積於該基板5分鐘；第二銅鉻（Cu：Cr）層，係濺鍍沉積於該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層30秒鐘，該第二銅鉻（Cu：Cr）層之銅鉻比例係為銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30；第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係濺鍍沉積於該第二銅鉻（Cu：Cr）層5分鐘；如此，具有片電阻231Ω/o，透光率74.67%，電阻率1.19 x 10^-3 Ω-cm，光電指標2.4 x 10^-4 Ω^-1 ，可達到最佳耐腐蝕性、導電性及透光性，更具有可撓性及防止龜裂的平滑表面。

按，最初透明導電薄膜主要係應用於飛機之擋風玻璃，而隨著半導體技術的快速發展，為了提供消費者對商品輕薄短小及視覺美感的需求，透明導電膜的應用也更加廣泛，如平面顯示器所應用的銦錫氧化物透明導電薄膜(Indium Tin Oxide，ITO)，儘管該銦錫氧化物透明導電薄膜(Indium Tin Oxide，ITO)之電阻值及光穿透率已達最佳的狀態，但在高溫的應用表現並不穩定，其靶材極貴且具毒性，當使用氧化物透明導電薄膜，因其在可見光區(400~800 nm)具有高的光穿透率，電阻率可達到10^-4 Ω-cm，但其光電特性中之穿透率與導電率受到摻雜物的含量與種類的影響很大，一般常見的透明導電薄膜有氧化銦摻雜錫(In₂ O₃ :Sn, ITO)、氧化鋅摻雜鋁(ZnO:Al ,AZO)、氧化鋅摻雜鎵(ZnO:Ga, GZO)，摻雜的離子須與取代的金屬離子之離子半徑相符，否則會造成晶格扭曲，使得薄膜結晶性較差，為因應未來透明導電薄膜需要非常平整光滑的表面，多種摻雜物的添加使薄膜形成非晶質的半導體材料逐漸被開發與應用；一般透明導電薄膜(TCO)的電阻率約在10^-3 ~2´10^-4 Ω-cm，若是電阻率能夠再降低，則可減少串聯電阻，增加電子傳輸效率，而且，在透明電極中薄膜的可撓性亦為重要，一般陶瓷氧化物的剛性高，不易彎曲，所以在玻璃上成膜之應用皆無問題，但是若應用於可撓性基板，膜厚則不能太厚，否則容易在彎曲中龜裂；而金屬薄膜(如：金、銀、銅等薄膜)具有極佳的導電性，但其透光率不良，如果要增加可見光範圍的穿透率，薄膜厚度必須小於100 Å，然而大部分的金屬薄膜在厚度小於100 Å 時，會形成島狀不連續膜，使薄膜電阻值增加，當島狀結構變大時，會產生繞射效應，使可見光穿透率降低；緣此，本發明人有鑑於習知存在有如上述之缺失，乃潛心研究、改良，遂得以首先發明本發明。

本發明之主要目的係在：達到最佳耐腐蝕性、導電性及透光性，更具有可撓性及防止龜裂的平滑表面之氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜。

本發明之主要特徵係在：第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該基板，濺鍍沉積時間為5分鐘，濺鍍功率為125瓦特；第二銅鉻（Cu：Cr）層，係直流（DC）磁控濺鍍沉積於該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層，濺鍍沉積時間為30秒鐘，該第二銅鉻（Cu：Cr）層之銅鉻比例係為銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30，濺鍍功率為110瓦特；第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該第二銅鉻（Cu：Cr）層，濺鍍沉積時間為5分鐘，濺鍍功率為125瓦特。

本發明氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材係為氧化銦鎵鋅（IGZO）陶瓷靶、鉻（Cr）金屬靶及銅（Cu）片所組成之合金靶，該合金靶係利用真空共濺鍍技術，以形成銅鉻（Cu：Cr）合金。

本發明氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材濺鍍沉積於該基板之濺鍍氣體係為氬氣（Ar）、氧氣（O₂ ）與氮氣（N₂ ）。

本發明氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，其中，該基板係為軟性塑膠，具有片電阻231Ω/o，透光率74.67%，電阻率1.19 x 10^-3 Ω-cm，光電指標2.4 x 10^-4 Ω^-1 。

有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：

本發明之實施例，請先參閱第一圖所示，主要係將靶材濺鍍沉積於基板1，濺鍍過程中該基板1採旋轉方式，使薄膜有充足時間進行熱傳遞，並提高該薄膜之均勻性，該薄膜係為透明導電薄膜2，該透明導電薄膜2係設有第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20（氧化銦鎵鋅薄膜）、第二銅鉻（Cu：Cr）層21（銅鉻薄膜）及第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22（氧化銦鎵鋅薄膜）所組成，該靶材濺鍍沉積於該基板1之濺鍍氣體係為氬氣（Ar）、氧氣（O₂ ）與氮氣（N₂ ），其中該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該基板1，濺鍍沉積時間為5分鐘，濺鍍功率為125瓦特，該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20係有助於該第二銅鉻（Cu：Cr）層21濺鍍沉積；該第二銅鉻（Cu：Cr）層21，係直流（DC）磁控濺鍍沉積於該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20，濺鍍沉積時間為30秒鐘，該第二銅鉻（Cu：Cr）層21之銅鋯比例係為銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30，濺鍍功率為110瓦特；該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該第二銅鉻（Cu：Cr）層21，濺鍍沉積時間為5分鐘，濺鍍功率為125瓦特，該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22係有助於該第二銅鉻（Cu：Cr）層21避免氧化；如此，該靶材係為氧化銦鎵鋅（IGZO）陶瓷靶、鉻（Cr）金屬靶及銅（Cu）片所組成之合金靶，該合金靶係利用真空共濺鍍技術，以形成銅鉻（Cu：Cr）合金；另該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20及該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22係為非晶材料結構，具有較為平滑的表面，而該第二銅鉻（Cu：Cr）層21係為中間之金屬層，可降低該透明導電薄膜2之電阻係數、增強可撓性及防止龜裂現象，此金屬層因包含有低電阻率的銅(Cu)，並加入鉻(Cr)，故可提高金屬層的耐腐蝕性。

本發明所使用之多槍共濺鍍真空設備，主要係具有真空腔體、氣體控制系統、真空幫浦系統、真空計、電源供應器，其中，該真空腔體係具有可放置三組濺鍍靶材位置、可旋轉基板、兩組鎢絲燈加熱器、一組旋轉檔盤；該氣體控制系統係具有三組流量控制器(Mass flow controller, MFC)來控制氣體（氬氣、氧氣及氮氣）流量；該真空幫浦系統包含油式機械幫浦(ALCATEL 2012A)與高真空油式擴散幫浦；該真空計係使用熱電偶真空計，當壓力在高真空中則是使用熱陰極離子真空計；該電源供應器係為二組高周波射頻(RF)電源供應器，另一組為直流（DC）電源供應器；當濺鍍時，該真空腔體先由該真空幫浦系統之油式機械幫浦(ALCATEL 2012A)抽至粗抽真空，再使用該真空幫浦系統之高真空油式擴散幫浦抽至高真空，以提升薄膜和氫電漿處理的品質；另可藉由紫外線-可見光分光光譜儀(Hitachi Ultraviolet-Visible 2008A Spectrophotometer)量測該透明導電薄膜2之平均透光率(Avg.Transmittance)，以及光電指標(Figure of merit, FOM)，如公式：

，四點探針（Four-Point Probe）可量測該透明導電薄膜2之片電阻（Sheet resistance），表面輪廓儀(Surface Profiler；α-step)可量測該透明導電薄膜2之厚度（Thickness），X-射線繞射分析（XRD）可作為非破壞性分析技術，用於偵測晶體材料的特性，掃描式電子顯微鏡（SEM）可作為樣品表面和近表面提供高解析度和長景深的圖像。

本發明利用磁控濺鍍法來成長薄膜，具有可連續性生產高品質薄膜的特性，其製程溫度較其他技術低，同時符合該基板1為軟性塑膠所需的低溫製程，因此，使用磁控的目的在增加鍍膜之沉積速率，濺鍍過程中，該基板1採旋轉方式，使濺鍍工作時間加長，讓薄膜在濺鍍時，有充足的時問進行散熱，雖然會使得濺鍍的時間較直接濺鍍慢，但卻讓薄膜更加具有均勻性，以提昇薄膜與該基板1之附著性；其主要係加入偏壓並通入氬氣與氧氣，達到電漿表面改質，使該基板1表面之疏水性改質為親水性，增加薄膜之附著性，再以磁控濺鍍法成長薄膜，並置於腔體內，維持負壓約2×10^-2 (PA)以下，再利用銅鉻（Cu：Cr）作為靶材，濺鍍形成銅鉻合金膜。

本發明該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20或該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22於該基板1之不同直流功率之XRD繞射圖，請參閱第二圖所示，橫軸係為衍射角度（Diffraction Angle（degree）），縱軸係為強度（lntensity（a.u.）），當室溫濺鍍該第一氧化銦鋅（IZO）層20或該第三氧化銦鋅（IZO）層22時，其沉積時間固定20分鐘，於不同直流功率（20W、40W、60W、80W、90W）沉積下，薄膜皆無任何結晶方位的產生，由此可判斷，該第一氧化銦鋅（IZO）層20及該第三氧化銦鋅（IZO）層22不會產生結晶相，皆以非晶結構存在，而非晶的薄膜對於非晶塑膠之該基板1則有最佳的附著性。

本發明該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20、該第二銅鉻（Cu：Cr）層21及該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22於該基板1之不同合金比例之XRD繞射圖，請參閱第三圖所示，橫軸係為衍射角度（Diffraction Angle（degree）），縱軸係為強度（lntensity（a.u.）），當固定該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20及該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22之沉積厚度，其濺鍍沉積時間為5分鐘，濺鍍功率為125瓦特，該第二銅鉻（Cu：Cr）層21之銅鉻比例為銅（Cu）：鉻（Cr）＝90：10、銅（Cu）：鉻（Cr）＝80：20、銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30，其濺鍍沉積時間為30秒鐘，濺鍍功率為110瓦特，並沒有明顯的繞射峰訊號出現，主要仍以非晶結構存在，此結果與單層之該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20或該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22相同，可知該第二銅鉻（Cu：Cr）層21之金屬膜層也為非晶結構，當該第二銅鉻（Cu：Cr）層21之銅鉻比例為銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30，改變金屬層的厚度，濺鍍沉積時間為20秒鐘，具有片電阻1.9KΩ/o，透光率76.04%，電阻率5.8 x 10^-2 Ω-cm，光電指標7.5 x 10^-6 Ω^-1 ，濺鍍沉積時間為30秒鐘，具有片電阻231Ω/o，透光率74.67%，電阻率1.19 x 10^-3 Ω-cm，光電指標2.4 x 10^-4 Ω^-1 ，故隨著該第二銅鉻（Cu：Cr）層21金屬層製程時間減少，電阻率隨之上升，即當該第二銅鉻（Cu：Cr）層21金屬層厚度增加，片電阻隨之減少。

本發明該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20、該第二銅鉻（Cu：Cr）層21及該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22之透光率對入射光波長之特性曲線圖，請參閱第四圖所示，橫軸係為波長（Wavelength（nm）），縱軸係為透光率（Transmittance（%）），當改變該第二銅鉻（Cu：Cr）層21沉積時間（10sec、20sec、30sec），得知該特性曲線之透光率都有75%以上，但隨著製程時間之增加，其透光率會隨著下降。

本發明該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20、該第二銅鉻（Cu：Cr）層21及該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22之表面形貌圖，請參閱第五圖所示，該第二銅鉻（Cu：Cr）層21之銅鋯比例為銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30，其係在低倍率(500倍)觀察下，並沒有發現任何的裂紋，不僅可提高導電性及FOM值，更可有效防止龜裂。

本發明該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20或該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22於厚度100nm之表面形貌圖，請參閱第六圖所示，其係在低倍率(500倍)觀察下，表面光滑並沒有發現任何的裂紋，主要係因該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20或該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22為非晶薄膜特性。

本發明透明導電薄膜之光電特性，可以光電指標(Figure of merit, FOM)因子評估，

，其中T為透光率，R_s 為片電阻，即R_s =1/st，s為導電率，t為膜厚，通常薄膜之厚度越厚，片電阻會越低，然而卻犧牲了透光性；因此，片電阻與透光性之間需要有一平衡值，藉由光電指標(Figure of merit, FOM)因子評估，可得到良好導電性及透光性之透明導電薄膜，本發明將銅（Cu）和鉻（Cr）利用真空共濺鍍技術，以形成銅鉻合金，該銅鉻合金將可大大改善銅（Cu）之耐腐蝕性，而以金屬層作為中間夾層的方式，可將延展性的金屬當作透明導電物的中間介層，不僅增加導電性也增加延展性，且軟性塑膠之該基板1不僅質輕、韌性高及耐撞擊，還可做成具有可撓性之電子元件，常用之塑膠材質有聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙醇酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 等，而本發明主要利用聚碳酸酯(PC)作為該基板1，係因聚碳酸酯(PC)之透光性佳，且取得容易；故，本發明該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層20、該第二銅鉻（Cu：Cr）層21及該第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層22形成透明導電薄膜2於該基板1，具有片電阻231Ω/o，透光率74.67%，電阻率1.19 x 10^-3 Ω-cm，光電指標2.4 x 10^-4 Ω^-1 ，可達到最佳耐腐蝕性、導電性及透光性，更具有可撓性及防止龜裂的平滑表面。

綜上所述，本發明實施例確實已能達到所預期之目的及使用功效，且未見有相同結構特徵公知、公用在先者，故本發明當能符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，懇請早日審結，並核賜專利，實深任感荷。

1‧‧‧基板2‧‧‧透明導電薄膜20‧‧‧第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層21‧‧‧第二銅鉻（Cu：Cr）層22‧‧‧第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層

第一圖所示係為本發明實施例之透明導電薄膜在基板上之示意圖。第二圖所示係為本發明實施例之不同直流功率之XRD繞射圖。第三圖所示係為本發明實施例之不同合金比例之XRD繞射圖。第四圖所示係為本發明實施例之透光率對入射光波長之特性曲線圖。第五圖所示係為本發明實施例之表面形貌圖（一）。第六圖所示係為本發明實施例之表面形貌圖（二）。

1‧‧‧基板

2‧‧‧透明導電薄膜

20‧‧‧第一氧化銦鎵鋅(IGZO)層

21‧‧‧第二銅鉻(Cu：Cr)層

22‧‧‧第三氧化銦鎵鋅(IGZO)層

Claims

一種氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，主要係將靶材濺鍍沉積於基板，濺鍍過程中該基板採旋轉方式，使薄膜有充足時間進行熱傳遞，並提高薄膜均勻性，其特徵係在：第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該基板，濺鍍沉積時間為5分鐘，濺鍍功率為125瓦特；第二銅鉻（Cu：Cr）層，係直流（DC）磁控濺鍍沉積於該第一氧化銦鎵鋅（IGZO）層，濺鍍沉積時間為30秒鐘，該第二銅鉻（Cu：Cr）層之銅鉻比例係為銅（Cu）：鉻（Cr）＝70：30，濺鍍功率為110瓦特；第三氧化銦鎵鋅（IGZO）層，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該第二銅鉻（Cu：Cr）層，濺鍍沉積時間為5分鐘，濺鍍功率為125瓦特。
如申請專利範圍第1項所述之氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材係為氧化銦鎵鋅（IGZO）陶瓷靶、鉻（Cr）金屬靶及銅（Cu）片所組成之合金靶，該合金靶係利用真空共濺鍍技術，以形成銅鉻（Cu：Cr）合金。
如申請專利範圍第1項所述之氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材濺鍍沉積於該基板之濺鍍氣體係為氬氣（Ar）、氧氣（O₂ ）與氮氣（N₂ ）。
如申請專利範圍第1項所述之氧化銦鎵鋅/銅鉻/氧化銦鎵鋅之透明導電薄膜，其中，該基板係為軟性塑膠，具有片電阻231Ω/o，透光率74.67%，電阻率1.19 x 10^-3 Ω-cm，光電指標2.4 x 10^-4 Ω^-1 。