TWI546397B

TWI546397B - 透明導電膜的製造方法

Info

Publication number: TWI546397B
Application number: TW103126706A
Authority: TW
Inventors: 戈卡尓普貝拉默戈魯; 朱浚學; 楊貴寶; 王燕儒
Original assignee: 宸鴻科技（廈門）有限公司
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-08-21
Also published as: TW201518524A; CN104630723A

Description

透明導電膜的製造方法

本發明係有關於濺鍍靶、使用所述濺鍍靶成膜的透明導電膜及其製造方法，以及具有所述濺鍍靶所製成之感測層的觸控面板。

觸控面板(Touch Panel)已大量運用於消費、通訊、電腦等電子產品上，例如目前廣泛使用的遊戲機、智慧手機、平板電腦等，作為眾多電子產品的輸入介面。這些電子產品的顯示部分一般都是由觸控面板與顯示面板整合而成，可供使用者用手指或觸控筆依照顯示畫面上的功能選項點選輸入所要執行的動作，藉此可在無需其它傳統類型的輸入裝置(如，按鈕、鍵盤、或操作桿)操作下進行輸入，大幅提高了輸入的便利性。

目前常採用的觸控面板大多以氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)作為其電極材料。ITO是一種銦氧化物(In2O3)和錫氧化物(SnO2)的混合氧化物，因In在自然界的存量很少，使得ITO生產成本很高。

有鑑於此，目前需針對現有的電極材料進行改善，研發一種具有與ITO相當的導電性能，且價格更為低廉的電極材料。

本發明使用氧化鋅鋁(Aluminum-doped Zinc Oxide，AZO)做為主成分，並且摻雜雜原子來降低電子激發能以製成濺鍍靶。此外，使用所述的濺鍍靶來製作得以應用於觸控面板的透明導電膜。

本發明提供一種濺鍍靶，其特徵在於，為摻雜雜原子之氧化鋅鋁所成的濺鍍靶，其中所述雜原子為第2族元素、第5族元素、第10族元素或上述之組合，且所述雜原子之摻雜比例為0.5重量%至20重量%。

本發明更提供一種透明導電膜的製造方法，其特徵在於，使用上述之濺鍍靶，並在一基板上沈積形成薄膜。

本發明又提供一種觸控面板，包括一基板；一感測層，為使用上述之濺鍍靶沈積於該基板上並經蝕刻所製得者；以及複數條導線，設於所述基板上，且電性連接所述感測層。

本發明提供的摻雜雜原子的氧化鋅鋁之材料、由所述材料製成的透明導電膜以及由所述導電膜製程的觸控面具有良好的透光度、導電性能及高電阻溫度係數，提高了應用於觸控面板時對溫度變化的反應敏感性，增加在觸控領域的應用範圍，並且製備過程簡單，價格相對低廉，可作為一種良好的ITO替代材料來製成透明導電膜並應用於觸控面板。

為讓本發明之上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

20，20’‧‧‧觸控面板

100‧‧‧基板

104‧‧‧感測單元

106‧‧‧導線

106a‧‧‧輸入導線

106b‧‧‧輸出導線

108‧‧‧感測層

112‧‧‧遮罩層

第1圖係根據本發明實施例所繪製之觸控面板之上視圖；第2圖係根據本發明第一實施例沿第1圖線段I-I所繪製之觸控面板的剖面圖；第3圖係根據本發明第二實施例沿第1圖線段I-I所繪製之觸控面板的剖面圖；第4圖係摻雜鎂之氧化鋅鋁膜之溫度係數分析圖；第5圖係摻雜鎂之氧化鋅鋁膜於觸碰後之電阻變化圖；第6圖係摻雜鎂之氧化鋅鋁膜之透光率分析圖；第7圖係摻雜鎳之氧化鋅鋁膜於觸碰後之電阻變化圖；第8圖係摻雜鎳之氧化鋅鋁膜之透光率分析圖；第9圖係摻雜釩之氧化鋅鋁膜之透光率分析圖。

以下針對本發明之濺鍍靶、透明導電膜及以透明導電膜的製造方法與實際製成之觸控面板作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式儘為方便描述本發明。當然，這些僅用以舉例而非本發明之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸之情形。或者，亦可能間隔有一或更多其它材料層之情形，在此情形中，第一材料層與第二材料層之間可能不直接接觸。

此外，「約」、「大約」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內。在此給定的數量為大約的數量，表示在沒有特定說明的情況下，其可隱含「約」、「大約」之用語。

本發明的一實施例提供一種摻雜雜原子之氧化鋅鋁所製成的濺鍍靶。其中所述的雜原子為第2族元素、第5族元素及第10族元素中的任一元素或組合，且所述雜原子的摻雜比例為0.5重量%至20重量%。所謂的摻雜比例是指雜原子相對於整個濺鍍靶的重量比，也就是雜原子佔整個濺鍍靶重量的0.5重量%至20重量%。此外，前述的第2族元素、第5族元素及第10族元素中較佳更是選自鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鎳(Ni)、鈀(Pd)及鉑(Pt)的任一或組合。

進一步的，在一實施例中，前述的摻雜雜原子之氧化鋅鋁的濺鍍靶可例如是用來製作觸控面板的透明導電膜的靶材。具體使用摻雜雜原子之氧化鋅鋁的濺鍍靶來製造透明導電膜的方法如下所述：

首先提供一基板。接著利用摻雜雜原子之氧化鋅鋁的濺鍍靶來在基板上沈積成薄膜，以形成所需的透明導電膜。其中，所述沈積薄膜的方法包括溶膠凝膠法、分子束外延、電子束縛蒸發鍍膜(濺鍍法)、化學氣相沈積、有機金屬化學氣相沈積、物理氣相沈積、原子層沈積或脈衝雷射沈積或其它任何適合之方法。此外，在製造透明導電膜的方法步驟中，更可先將基板升溫到約20℃至400℃，較佳約為25℃至250℃，藉以提昇形成之透明導電膜的品質。

在一實施例中，以濺鍍法來舉例說明，濺鍍法使用之功率密度，也就是濺射功率與靶材正對面積之比可約為0.1W/cm²至10W/cm²，假設使用之靶材的正對面尺寸為直徑4英寸(10.16cm)，則濺射功率約為100W至約350W。此外，沈積步驟是在真空度小於10^-2帕下進行，較佳是小於10^-3帕。再者，沈積時間可依所需膜厚及濺射功率調整，在一實施例中，濺射功率200W搭配約5分鐘至300分鐘的沈積時間可沈積出厚度約50nm至2000nm的薄膜，也就是可用來形成厚度約50nm至2000nm的透明導電膜。

於前述沈積步驟完成後，亦可進一步選擇性地進行退火步驟，此退火步驟之溫度可約為300℃至600℃，較佳約為400℃至500℃。退火步驟之時間可約為30分鐘至5小時，較佳約為1小時至3小時。此退火步驟可減少透明導電膜結晶之缺陷，增加透明導電膜結晶之品質。另外，亦可選擇性地進行淬火(quenching)步驟，此淬火步驟可減少透明導電膜結晶之內應力，因此可減少透明導電膜破裂並增加透明導電膜之品質及製程良率。

補充說明的是，透明導電膜的厚度、雜原子的摻雜種類及摻雜濃度皆可能影響透光率，若透明導電膜的厚度太厚，則其導熱性會變差，且透光率降低，影響電阻變化速率；反之，若透明導電膜的厚度太薄，雖然透光率較佳，但其機械強度較低，較容易產生破裂。此外，雜原子的摻雜濃度越高，則透明導電膜的透光率也會越低。因此，在透光率方面，根據本實施例之沈積厚度、雜原子的摻雜種類及摻雜濃度所製成的透明導電膜的透光率是大於80%，以便應用於觸控面板。當然，透明導電膜的厚度、雜原子的摻雜種類及摻雜濃度並非為本實施例所限制，具體設計可以根據實際需求來調整。

此外，在溫度係數(temperature coefficient)方面，所謂的溫度係數是表示當改變1單位溫度時(亦即改變1K)，其電阻之改變量與溫度變化前電阻的比值，本實施例所製成的透明導電膜在約-30℃至70℃的溫度區間內之溫度係數的絕對值為0.5%/K至3%/K。值得一提的是，溫度係數可為正值或負值。當溫度係數為正值時，其代表電阻會隨著溫度的增加而增加；反之，當溫度係數為負值時，其代表電阻會隨著溫度的增加而降低。另外，溫度係數之絕對值越大時，表示當改變1單位溫度時，電阻改變量與溫度變化前電阻的比值越大。因此，溫度係數之絕對值的大小可用來衡量感應溫度變化之能力，溫度係數越大表示對於溫度的變化越為敏感。

在電阻變化率方面，本實施例所製成的透明導電膜在約20℃至40℃的電阻變化速率大於5%/秒。其中，電阻變化率越高表示在單位時間內透明導電膜的電阻變化越高，換言之，透明導電膜之電阻變化率越高時，其所製得之觸控面板對於觸碰之反應速率及靈敏性亦相對較高，較不會發生遲滯之現象。

接下來，本發明利用摻雜雜原子之氧化鋅鋁濺鍍靶所製成的透明導電膜(摻雜雜原子之氧化鋅鋁膜)在實際設計上可應用於不同種類的觸控面板，例如：電容式觸控面板、電阻式觸控面板、溫感式觸控面板等，用來作為觸控面板中的感測層。以溫感式觸控面板舉例來講，溫感式觸控面板是利用透明導電膜所製成的感測層的電阻會隨溫度變化而改變之特性來偵測觸碰之位置，也就是溫感式觸控面板可根據溫度變化來判斷觸碰點的位置，具體來講，當有觸碰物(如手指或專用的熱觸控筆)觸碰觸控面板時，感測層相應於觸碰點之處的電阻會因為溫度改變而發生變化，因此觸控面板即可根據感測層所感測的前後信號之差異來確定觸碰點的位置。

為了進一步地說明溫感式觸控面板的具體架構，請參見第1圖及第2圖，分別是根據本發明實施例所繪製之觸控面板之上視圖及根據本發明第一實施例沿第1圖線段I-I所繪製之觸控面板的剖面圖。如圖所示，本實施例的觸控面板20包括基板100、感測層108及導線106。其中，感測層108是使用前述實施例所述的摻雜雜原子之氧化鋅鋁濺鍍靶沈積於基板100上並經蝕刻所製得。本實施例的感測層108包括複數個彼此間隔排列的感測單元104，並且感測層108是屬於單層結構以形成如矩陣排列的架構。導線106設於基板100上，並且與感測層108位於基板100的同一表面，此外導線106電性連接感測層108及外部的控制器(圖未示)，用以傳遞感測層108及控制器之間的信號。

進一步的，為配合溫感式觸控原理，在設計上，本實施例的感測層108的感測單元104包括第一端及第二端，並且導線106進一步區分有輸入導線106a及輸出導線106b，讓感測單元104的第一端對應電性連接輸入導線106a，並且讓感測單元104的第二端對應電性連接輸出導線106b。其中，感測單元104的第一端及第二端並無限制是屬於相鄰或相對的兩端，實際是依感測單元104的形狀及整體走線佈局來決定，不同的感測單元104之間的第一端及第二端也可以是位於相異的位置，第1圖之實施例是簡單以設於矩形的感測單元104的相對兩端來舉例說明。

此外，由於本實施例的感測單元104是採用矩陣方式排列，因此電性連接感測單元104的導線106可例如設計走線於感測單元104之間的間隔中(如第1圖所示)，當然導線106的實際佈局方式也並非為本實施例所限制。再者，在本實施例中，同一列(Row)的感測單元104的第一端是採共接架構之設計，換言之，在同一列的所有感測單元104的第一端是共接於同一條輸入導線106a，藉此讓整體的走線數量得以較為簡化。當然，在另一實施例中，每一感測單元104亦可個別通過一條輸入導線106a來與控制器電性連接。

更具體來講，本實施例的感測單元104的第一端所電性連接的輸入導線106a是例如電性連接於控制器的電源供應單元或其他適合之電子元件，用以接收來自控制器的輸入信號(如：恆定電流)；而感測單元104的第二端所電性連接的輸出導線106b則可例如是電性連接至控制器的多工器(Multiplexer)，讓控制器通過多工器來依序接收各個感測單元104所產生的輸出信號(如：電壓)。由於本實施例的感測單元104受到觸碰物(如手指或專用的熱觸控筆)觸碰之後會因溫度改變而產生電阻變化，藉此根據公式：電壓(V)=電流(I)×電阻(R)，控制器得以根據每個感測單元104在觸碰前後的電壓差異來判斷出實際的觸碰點位置。當然，在實際操作上，一個觸碰點可能同時影響多個感測單元104發生電阻改變，對此控制器可例如是設計根據受影響的每一感測單元104的電壓變化的幅度大小來計算出中心點(電壓變化幅度最大)，進而據以判斷出觸碰點的位置。

以上所舉例的溫感式觸控面板是根據溫度變化來判斷觸碰點位置，既能偵測導電物體也能偵測非導電物體在觸控面板的觸摸位置。此外，溫感式觸控面板的感測層的結構簡單，在製程及控制器的設計上也相對簡單。

以下進一步針對材料及製程方面來說明，本實施例的基板100可為剛性基板(rigid substrate)或可撓式基板(flexible substrate)。其中，剛性基板可例如是經強化過後的基板。更具體來講，基板100的材質可為玻璃、塑膠、合成樹脂或其它任何適合的透明材料，在一實施例中，基板100可為聚醯亞胺(PI)、壓克力(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、上述之組合或其它適合之材料。

此外，感測層108可例如是經過微影製程、乾/濕蝕刻及光阻剝除等圖案化製程來形成矩陣排列的感測單元104。在一實施例中，微影製程包括光阻圖案化，此光阻圖案化更包括光阻塗佈、軟烤、光罩對準、曝光圖案、後曝烤(post-exposure baking)、光阻顯影及硬烤等製程步驟。也可以其它方法來實施或取代微影圖案化，例如無光罩微影技術(maskless photolithography)、電子束微影、離子束微影及分子模印(molecular imprint)。再者，感測單元104的形狀可為菱形、正六邊形、正方形、圓形、矩形、上述之組合或其它任何適合的形狀。

導線106可為金屬、導電高分子、氧化銦錫、碳納米管、奈米銀線、上述之組合或其它任何適合之導電材料。形成導線106之步驟可藉由沈積及圖案化步驟完成。例如，先以溶膠凝膠法、分子束外延、電子束縛蒸發鍍膜(濺鍍法)、化學氣相沈積、有機金屬化學氣相沈積、物理氣相沈積、原子層沈積或脈衝雷射沈積或其它任何適合之方法形成一導電材料層，再進行圖案化(patterned)形成輸入導線。

本發明的一實施例更可將上述第2圖所示的觸控面板20與一顯示面板(圖未示)貼合來形成一觸控顯示器。其中，基板100是採用經強化過的剛性基板，讓本實施例的基板100不僅是用來承載感測層108及導線106等相關元件之外，更是對整個觸控顯示器提供保護的功能，並且讓基板100在形成有感測層108之面的相對表面是提供給使用者觸碰操作之表面。

參見第3圖，是根據本發明第二實施例沿第1圖線段I-I所繪製之觸控面板的剖面圖。本實施例之觸控面板20’與第2圖之實施例的差異點在於，本實施例的觸控面板20’更包括遮罩層112。其中，遮罩層112是例如設於感測層108上，並且通過光學膠(圖未示)來與感測層108貼合。遮罩層112的材料可為玻璃、塑膠、合成樹脂或其它任何適合的透明材料經強化過後而成的剛性基材。

在本發明的另一實施例中，更可將上述第3圖所示的觸控面板20’與一顯示面板(圖未示)貼合來形成觸控顯示器。其中，遮罩層112是用來對整個觸控顯示器提供保護的功能，並且讓遮罩層112在貼合於感測層108之面的相對表面是提供給使用者觸碰操作之表面。

除了前述實施例具體地描述出溫感式觸控面板的架構外，本發明利用摻雜雜原子之氧化鋅鋁濺鍍靶所製成的透明導電膜(摻雜雜原子之氧化鋅鋁膜)在應用於其他如電容式觸控面板及電阻式觸控面板時，摻雜雜原子之氧化鋅鋁膜所形成的感測層的架構是本領域技術人員根據目前技術可以了解並加以實現，在此就不再加以贅述。

附帶一提的是，前述各種實施例之觸控面板更可進一步在提供給使用者觸碰操作之表面上選擇性地形成其它膜層，例如屏蔽層、保護層、抗眩層、抗菌層等任一或組合，在此並無加以限制。值得說明的是，加入屏蔽層的用意在於，當觸控面板設計為溫感式觸控面板時，屏蔽層可屏蔽觸碰物與感測層之間耦合所產生的電容效應，降低電容效應對溫感式觸控感測的干擾，進一步提高溫感式觸控面板的感測準確度。

綜上所述，由於本發明之觸控面板使用摻雜雜原子之氧化鋅鋁材料來作為感測層，其具有透光度佳、導電性高及電阻溫度係數高等特性，讓觸控面板具有觸碰反應迅速且靈敏的優點。此外，由於氧化鋅鋁的材料較為豐富且製備過程簡單，更可大幅地降低成本，因此是作為一種良好的透明導電膜的材料來應用於觸控面板。

以下內容是進一步分別以摻雜鎂(Mg)、鎳(Ni)及釩(V)之氧化鋅鋁膜來舉例說明各項實驗數據：

首先，以摻雜鎂之氧化鋅鋁膜來舉例說明。在本實施例中，摻雜鎂之氧化鋅鋁膜是藉由真空濺鍍沈積而成，其中靶材為摻雜鎂之氧化鋅鋁，靶材的正對面尺寸為直徑10.16cm，靶材的摻雜比例為Mg：(Al2O3/ZnO)=9重量%：91重量%，其中Al2O3：ZnO=5重量%：95重量%。在參數方面，此真空濺鍍沈積的濺射功率為250W，基板溫度為250℃，沈積時間為90分鐘，藉以製得厚度為300nm的摻雜鎂之氧化鋅鋁膜。於沈積步驟後，進行退火步驟，其退火時間為1小時，退火溫度為400℃。

承上述之參數，由第4圖所繪的摻雜鎂之氧化鋅鋁膜之溫度係數分析圖可知，本實施例的摻雜鎂之氧化鋅鋁膜在-30℃至70℃的溫度區間內之溫度係數約為-0.5%/K至-3%/K另外，由第5圖所繪的摻雜鎂之氧化鋅鋁膜於觸碰後之電阻變化圖可知，摻雜鎂之氧化鋅鋁膜在以手指(溫度約為30℃)觸碰1秒內的電阻變化率約為15%/秒。其中，此電阻變化率為(觸摸後的電阻-觸摸前的電阻)/(觸摸前電阻×觸摸時間)之絕對值。再者，由第6圖所繪的摻雜鎂之氧化鋅鋁膜之透光率分析圖可知，摻雜鎂之氧化鋅鋁膜之透光率在400nm至800nm之透光率約為80%。

接下來，以摻雜鎳之氧化鋅鋁膜來舉例說明。在本實施例中，摻雜鎳之氧化鋅鋁膜是藉由真空濺鍍沈積而成，其中靶材為摻雜鎳之氧化鋅鋁，靶材的正對面尺寸為直徑10.16cm，靶材的摻雜比例為Ni：(Al2O3/ZnO)=5重量%：95重量%，其中Al2O3：ZnO=5重量%：95重量%。在參數方面，此真空濺鍍沈積的濺射功率為250W，基板溫度為250℃，沈積時間為90分鐘，藉以製得厚度為300nm的摻雜鎳之氧化鋅鋁膜。於沈積步驟後，進行退火步驟，其退火時間為1小時，退火溫度為400℃。如此一來，由第7圖所繪的摻雜鎳之氧化鋅鋁膜於觸碰後之電阻變化圖可知，摻雜鎳之氧化鋅鋁膜在以手指(溫度約為30℃)觸碰1秒內的電阻變化率約為14%/秒。另外，若分析透光率的話，本實施例之摻雜鎳之氧化鋅鋁膜之透光率在400nm至800nm之透光率約為85%，如第8圖所示。

摻雜釩之氧化鋅鋁膜是藉由真空濺鍍沈積而成，其中靶材為摻雜釩之氧化鋅鋁，靶材的正對面尺寸為直徑10.16cm，靶材的摻雜比例為V：(Al2O3/ZnO)=4重量%：96重量%，其中Al2O3：ZnO=5重量%：95重量%。再參數方面，此真空濺鍍沈積的濺射功率為250W，基板溫度為250℃，沈積時間為90分鐘，藉以製得厚度為300nm的摻雜釩之氧化鋅鋁膜。於沈積步驟後，進行退火步驟，其退火時間為1小時，退火溫度為400℃。如此一來，摻雜釩之氧化鋅鋁膜在以手指(溫度約為30 ℃)觸碰1秒內的電阻變化速率約為9%/秒。另外，若分析透光率的話，本實施例之摻雜釩之氧化鋅鋁膜之透光率在400nm至800nm之透光率約為83%，如第9圖所示。

綜上所述，本發明提供的摻雜雜原子的氧化鋅鋁之材料、使用所述材料所製成的透明導電膜以及使用所述透明導電膜所製成的觸控面板具有良好的透光度、導電性能及高電阻溫度係數，可以作為良好的ITO替代材料來應用於觸控面板。

雖然本發明的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的內容，只要可以實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本發明使用。

20‧‧‧觸控面板

100‧‧‧基板

104‧‧‧感測單元

106‧‧‧導線

106a‧‧‧輸入導線

106b‧‧‧輸出導線

Claims

一種透明導電膜的製造方法，其特徵在於，使用一濺鍍靶，並在一基板上沈積形成薄膜，其中該濺鍍靶為摻雜雜原子之氧化鋅鋁所成的濺鍍靶，其中所述雜原子為第2族元素、第5族元素、第10族元素或上述之組合，且所述雜原子之摻雜比例為0.5重量%至20重量%，其中該透明導電膜的製造方法更包括一淬火步驟。
如申請專利範圍第1項所述之透明導電膜的製造方法，其中所述雜原子為鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、釩、鈮、鉭、鎳、鈀、鉑或上述之組合。
如申請專利範圍第1或2項所述之透明導電膜的製造方法，還包括升溫該基板至20℃至400℃。
如申請專利範圍第1或2項所述之透明導電膜的製造方法，其中所述沈積步驟是在真空度小於10^-2帕下進行。
如申請專利範圍第1或2項所述之透明導電膜的製造方法，還包含一退火步驟。
如申請專利範圍第5項所述之透明導電膜的製造方法，其中所述退火步驟之溫度為300℃至600℃。
如申請專利範圍第5項所述之透明導電膜的製造方法，其中所述退火步驟之退火時間為30分鐘至5小時。