TW202007785A

TW202007785A - 氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜

Info

Publication number: TW202007785A
Application number: TW107126607A
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: TWI664307B

Abstract

本發明係在提供一種氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，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，其設有第一氧化銦鋅（IZO）層，係濺鍍沉積於基板5分鐘；第二銅鋯（Cu：Zr）層，係濺鍍沉積於第一氧化銦鋅（IZO）層10秒鐘，該第二銅鋯（Cu：Zr）層之銅鋯比例係為銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20；第三氧化銦鋅（IZO）層，係濺鍍沉積於第二銅鋯（Cu：Zr）層5分鐘；如此，該基板為玻璃時，具有片電阻13.2Ω/□，透光率88%，光電指標1.68E^-02 Ω^-1 ，達到最佳耐腐蝕性、導電性及透光性。

Description

氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜

本發明係有關於一種氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，特別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，其設有：第一氧化銦鋅（IZO）層，係濺鍍沉積於基板5分鐘；第二銅鋯（Cu：Zr）層，係濺鍍沉積於第一氧化銦鋅（IZO）層10秒鐘，該第二銅鋯（Cu：Zr）層之銅鋯比例係為銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20；第三氧化銦鋅（IZO）層，係濺鍍沉積於第二銅鋯（Cu：Zr）層5分鐘；如此，該基板為玻璃時，具有片電阻13.2Ω/o，透光率88%，光電指標1.68E^-02 Ω^-1 ，達到最佳耐腐蝕性、導電性及透光性。

按，目前的電子業和光電業在快速發展之下，使得各項電子產品都朝著輕、薄、短、小的目標邁進，其中透明導電薄膜是光電產品中最重要的元件，透明導電薄膜的應用非常廣泛，例如：太陽能電池(Solar Cell)、液晶顯示器(LCD)、發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)及觸控式面板（Touch panel），一般來說透明導電膜是指在可見光範圍內(波長380~760nm)且需要有高的透光率(＞80％)和低的電阻率(10^-3 Ω-cm)，以及高濃度的自由載子(約10²⁰ /cm³ )，而製作透明導電膜的材料有很多種，大致上分為兩類：一類是金屬薄膜(例如：金、銀、銅、鉑…等)，另一類則為金屬氧化物半導體(ITO、GZO、AZO…等)；因金屬本身為一種良導體，但不具有透光性，若要成長為具有透光性之金屬薄膜，則薄膜厚度須在100Å以下 ( Å = 1×10^-10 m)，但薄膜愈薄愈可能形成不連續之島狀膜，使其導電率下降，故不適合用來做透明導電電極；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、導電性及透光性之氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜。

本發明之主要特徵係在：第一氧化銦鋅（IZO）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，該靶材與該基板距離為5公分，濺鍍功率為125瓦特；第二銅鋯（Cu：Zr）層，係直流（DC）磁控濺鍍沉積於該第一氧化銦鋅（IZO）層，濺鍍沉積時間為10秒鐘，該第二銅鋯（Cu：Zr）層之銅鋯比例係為銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20，該靶材與該基板距離為5公分，濺鍍功率為60瓦特；第三氧化銦鋅（IZO）層，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該第二銅鋯（Cu：Zr）層，濺鍍沉積時間為5分鐘，該靶材與該基板距離為5公分，濺鍍功率為125瓦特。

本發明氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材係為氧化銦鋅（IZO）陶瓷靶、鋯（Zr）金屬靶及銅（Cu）片所組成之合金靶，該靶材直徑係為3英吋，該靶材厚度係為6毫米。

本發明氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材濺鍍沉積於該基板之濺鍍氣體係為氬氣（Ar），該氬氣（Ar）之流量係為4.0sccm（氣體流量單位），該靶材濺鍍之底壓係為5×10^-5 Torr（托），該靶材濺鍍之製程壓力係為3mTorr（托）。

本發明氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，其中，該基板係為玻璃，具有片電阻13.2Ω/o，透光率88%，光電指標1.68E^-02 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係設有第一氧化銦鋅（IZO）層20（氧化銦鋅薄膜）、第二銅鋯（Cu：Zr）層21（銅鋯薄膜）及第三氧化銦鋅（IZO）層22（氧化銦鋅薄膜）所組成，其中該第一氧化銦鋅（IZO）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，該靶材與該基板1距離為5公分，濺鍍功率為125瓦特，該第一氧化銦鋅（IZO）層20係有助於該第二銅鋯（Cu：Zr）層21濺鍍沉積；該第二銅鋯（Cu：Zr）層21，係直流（DC）磁控濺鍍沉積於該第一氧化銦鋅（IZO）層20，濺鍍沉積時間為10秒鐘，該第二銅鋯（Cu：Zr）層21之銅鋯比例係為銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20，該靶材與該基板1距離為5公分，濺鍍功率為60瓦特；該第三氧化銦鋅（IZO）層22，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該第二銅鋯（Cu：Zr）層21，濺鍍沉積時間為5分鐘，該靶材與該基板1距離為5公分，濺鍍功率為125瓦特，該第三氧化銦鋅（IZO）層22係有助於該第二銅鋯（Cu：Zr）層21避免氧化；如此，該靶材係為氧化銦鋅（IZO）陶瓷靶、鋯（Zr）金屬靶及銅（Cu）片所組成之合金靶，該靶材直徑係為3英吋，該靶材厚度係為6毫米，該靶材濺鍍沉積於該基板1之濺鍍氣體係為氬氣（Ar），該氬氣（Ar）之流量係為4.0sccm（氣體流量單位），該靶材濺鍍之底壓係為5×10^-5 Torr（托），該靶材濺鍍之製程壓力係為3mTorr（托）。

本發明所使用之濺鍍設備，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；該電源供應器係為一組高周波射頻(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）。

本發明係以射頻（RF）磁控濺鍍沉積該第一氧化銦鋅（IZO）層20及該第三氧化銦鋅（IZO）層22，請參閱第二圖所示，其係為氧化銦鋅（IZO）薄膜濺鍍沉積時間Time（min）與厚度Thickness（nm）參考圖，由第二圖可知，當濺鍍沉積之時間為5分鐘（min），該第一氧化銦鋅（IZO）層20或該第三氧化銦鋅（IZO）層22之厚度約116（nm），另當濺鍍沉積之時間為20分鐘（min），該第一氧化銦鋅（IZO）層20或該第三氧化銦鋅（IZO）層22之厚度約326（nm），因此，隨著濺鍍沉積之時間從5分鐘、10分鐘、20分鐘的增加，經過吸附、擴散、成核、晶粒成長及晶粒聚結，即逐漸形成該第一氧化銦鋅（IZO）層20或該第三氧化銦鋅（IZO）層22。

本發明係以射頻（RF）磁控濺鍍沉積該第一氧化銦鋅（IZO）層20及該第三氧化銦鋅（IZO）層22，請參閱第三圖所示，其係為氧化銦鋅（IZO）薄膜濺鍍沉積時間Time（min）與片電阻Sheet Resistance（Ω/o）參考圖，由第三圖可知，當該基板為玻璃（glass）或塑膠（PC）時，皆隨著濺鍍沉積之時間從5分鐘、10分鐘、20分鐘的增加，片電阻的變化為下降後漸和緩，其原因是隨著時間增加促使濺鍍出的粒子在成膜時有更多的能量擴散至適當的位置和減少晶界的散射，使得薄膜的表面結晶性漸漸變好，所以才改善片電阻值。

本發明係以射頻（RF）磁控濺鍍沉積該第一氧化銦鋅（IZO）層20及該第三氧化銦鋅（IZO）層22，請參閱第四圖所示，其係為波長Wavelength（nm）與透光率Tansmittance（%T）參考圖（一），由第四圖可知，當該基板為玻璃（glass）時，濺鍍沉積時間5分鐘、10分鐘、20分鐘（厚度約116 nm到326 nm）的波長與透光率，平均透光率至少都在79%以上。

本發明係以射頻（RF）磁控濺鍍沉積該第一氧化銦鋅（IZO）層20及該第三氧化銦鋅（IZO）層22，請參閱第五圖所示，其係為氧化銦鋅（IZO）薄膜濺鍍沉積時間Time（min）與透光率Tansmittance（%T）參考圖，由第五圖可知，當該基板為玻璃（glass）時，濺鍍沉積時間5分鐘，透光率79%，光電指標1.38E^-03 Ω^-1 ；濺鍍沉積時間10分鐘，透光率86%，光電指標1.87E^-03 Ω^-1 ；濺鍍沉積時間20分鐘，透光率81%，光電指標1.74E^-02 Ω^-1 。

本發明係以直流（DC）磁控濺鍍沉積該第二銅鋯（Cu：Zr）層21，請參閱第六、七圖所示，第六圖係為波長Wavelength（nm）與透光率Tansmittance（%T）參考圖（二），第七圖係為鋯（Zr）比例Proportion（%）與透光率Tansmittance（%T）參考圖，由第六、七圖可得知，當濺鍍沉積該第一氧化銦鋅（IZO）層20及該第三氧化銦鋅（IZO）層22的厚度維持固定，濺鍍沉積時間皆為5分鐘，濺鍍功率皆為125瓦特，而該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的濺鍍沉積時間為20秒鐘，濺鍍功率為60瓦特，改變銅鋯比例可得知，當銅鋯比例銅（Cu）：鋯（Zr）＝90：10的片電阻為20.3Ω/o，透光率為75%，光電指標為2.77E^-03 Ω^-1 ；當銅鋯比例銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20的片電阻為8.5Ω/o，透光率為82%，光電指標為1.62E^-02 Ω^-1 ；當銅鋯比例銅（Cu）：鋯（Zr）＝70：30的片電阻為56.9Ω/o，透光率為77%，光電指標為1.29E^-03 Ω^-1 ；當銅鋯比例銅（Cu）：鋯（Zr）＝50：50的片電阻為111Ω/o，透光率為62%，光電指標為7.56E^-05 Ω^-1 ；因此，加入鋯（Zr）可保護銅（Cu）免於受到氧化，而使透光率有所提升；另由銅（Cu）：鋯（Zr）＝90：10之總膜厚為96.1nm，銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20之總膜厚為88.43 nm，銅（Cu）：鋯（Zr）＝70：30之總膜厚為96.27nm，銅（Cu）：鋯（Zr）＝50：50之總膜厚為113.3 nm，可得知隨著鋯（Zr）所佔面積的增加，成長速率也隨著上升，然因加入過多面積比例的鋯（Zr），金屬層薄膜厚度將增加，隨著鋯（Zr）金屬成份增加，鋯（Zr）對光的反射將比銅（Cu）高，使得透光率也相對降低。

本發明係以直流（DC）磁控濺鍍沉積該第二銅鋯（Cu：Zr）層21，請參閱第八圖所示，第八圖係為銅鋯（Cu：Zr）薄膜濺鍍沉積時間Time（sec）與片電阻Sheet Resistance（Ω/o）參考圖，由第八圖可得知，當該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的銅鋯比例銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20，該基板為玻璃（glass）或塑膠（PC）時，即表示銅鋯（Cu：Zr）薄膜濺鍍沉積時間增加，片電阻隨之減少，另請參閱第九、十圖所示，第九圖係為波長Wavelength（nm）與透光率Tansmittance（%T）參考圖（三），第十圖係為銅鋯（Cu：Zr）薄膜濺鍍沉積時間Time（sec）與透光率Tansmittance（%T）參考圖，由第八～十圖可得知，當該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的銅鋯比例銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20，濺鍍沉積該第一氧化銦鋅（IZO）層20及該第三氧化銦鋅（IZO）層22的厚度維持固定，濺鍍沉積時間皆為5分鐘，若該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的濺鍍沉積時間為10秒鐘，片電阻為13.2Ω/o，透光率為88%，光電指標為1.68E^-02 Ω^-1 ；若該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的濺鍍沉積時間為20秒鐘，片電阻為8.5Ω/o，透光率為83%，光電指標為1.62E^-02 Ω^-1 ；若該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的濺鍍沉積時間為30秒鐘，片電阻為5.7Ω/o，透光率為64%，光電指標為2.02E^-03 Ω^-1 ；若該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的濺鍍沉積時間為50秒鐘，片電阻為3.35Ω/o，透光率為47%，光電指標為1.57E^-04 Ω^-1 ；因此，可得知該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的濺鍍沉積時間不同，其透光率都有47%以上，然而隨著該第二銅鋯（Cu：Zr）層21的厚度增加，該透光率也會隨著下降；故，當片電阻13.2Ω/o，透光率88%，光電指標1.68E^-02 Ω^-1 ，可達到最佳耐腐蝕性、導電性及透光性。

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‧‧‧第一氧化銦鋅（IZO）層21‧‧‧第二銅鋯（Cu：Zr）層22‧‧‧第三氧化銦鋅（IZO）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氧化銦鋅薄膜濺鍍沉積時間與厚度參考圖。第三圖所示係為本發明實施例之氧化銦鋅薄膜濺鍍沉積時間與片電阻參考圖。第四圖所示係為本發明實施例之波長與透光率參考圖（一）。第五圖所示係為本發明實施例之氧化銦鋅薄膜濺鍍沉積時間與透光率參考圖。第六圖所示係為本發明實施例之波長與透光率參考圖（二）。第七圖所示係為本發明實施例之鋯比例與透光率參考圖。第八圖所示係為本發明實施例之銅鋯薄膜濺鍍沉積時間與片電阻參考圖。第九圖所示係為本發明實施例之波長與透光率參考圖（三）。第十圖所示係為本發明實施例之銅鋯薄膜濺鍍沉積時間與透光率參考圖。

1‧‧‧基板

2‧‧‧透明導電薄膜

20‧‧‧第一氧化銦鋅(IZO)層

21‧‧‧第二銅鋯(Cu：Zr)層

22‧‧‧第三氧化銦鋅(IZO)層

Claims

一種氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，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：第一氧化銦鋅（IZO）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，該靶材與該基板距離為5公分，濺鍍功率為125瓦特；第二銅鋯（Cu：Zr）層，係直流（DC）磁控濺鍍沉積於該第一氧化銦鋅（IZO）層，濺鍍沉積時間為10秒鐘，該第二銅鋯（Cu：Zr）層之銅鋯比例係為銅（Cu）：鋯（Zr）＝80：20，該靶材與該基板距離為5公分，濺鍍功率為60瓦特；第三氧化銦鋅（IZO）層，係射頻（RF）磁控濺鍍沉積於該第二銅鋯（Cu：Zr）層，濺鍍沉積時間為5分鐘，該靶材與該基板距離為5公分，濺鍍功率為125瓦特。
如申請專利範圍第1項所述之氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材係為氧化銦鋅（IZO）陶瓷靶、鋯（Zr）金屬靶及銅（Cu）片所組成之合金靶，該靶材直徑係為3英吋，該靶材厚度係為6毫米。
如申請專利範圍第1項所述之氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，其中，該靶材濺鍍沉積於該基板之濺鍍氣體係為氬氣（Ar），該氬氣（Ar）之流量係為4.0sccm（氣體流量單位），該靶材濺鍍之底壓係為5×10^-5 Torr（托），該靶材濺鍍之製程壓力係為3mTorr（托）。
如申請專利範圍第1項所述之氧化銦鋅/銅鋯/氧化銦鋅之透明導電薄膜，其中，該基板係為玻璃，具有片電阻13.2Ω/o，透光率88%，光電指標1.68E^-02 Ω^-1 。