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崑山科技大學

電機工程系

低溫成長氧化銦錫透明導電薄膜

於可撓式塑膠基板之研究

指導老師：林天財老師製作學生：王政堯 4930J092 黃文鋒 4930J037 戴宏達 4930J045 胡閔捷 4941J009

中華民國九十六年十二月

目錄

專題摘要…………………………………………………3

第一章前言…………………………………4

第二章研究方法…………………………………5

第三章研究內容…………………………………28

第四章實驗結果…………………………………31

第五章實驗成果展示……………………………35

第六章結論………………………………36

參考文獻………………………………………………37

2

專題摘要製作透明導電膜的材料主要分為兩類：一類為金屬薄膜，另一類為金

屬氧化物半導體薄膜。Au、Ag、Pt、Cu、Pd、Al、Cr 等金屬，在形成3~15nm

厚的薄膜時，都有某種程度的可見光透光性。因此在過去都曾被當作透明

電極來使用。但金屬薄膜對光的吸收性太大，硬度低且穩定性差，因此許

多研究團隊開始研究氧化物、氮化物、氟化物等透明導電薄膜的形成方法

及物性。其中，由金屬氧化物構成的透明導電材料，其在製程控制性、鍍

膜穩定性與機械硬度上皆較金屬薄膜優越，目前已成為透明導電膜應用之

主流。

可撓式基板在許多領域上應用極廣，有平面顯示器(FPD)皆利用電氣訊

號控制光之通過或截止，所以需要有一個透明度良好之導電電極來調控，

而塑膠基板主要用在可撓式顯示器、觸碰式顯示器、軟性電池，電子報等。

諸如元件常會在基板上製作電路或是電極，不過，由於基板本身不導電，

所以在基板上面鍍上一層透明導電膜 ITO，讓透明的塑膠基板導電。ITO

是 Indium Tin Oxide 氧化銦錫的縮寫，為了進一步提升 ITO 透明導電膜之

特性，改變濺鍍時的電壓、濺鍍時間，藉以控制 ITO 薄膜的厚度及品質。

3

第一章前言

現今的社會裡，3C 的產品總是離不開生活，人們總是會日益求精，要

求更好的生活，在軟體與硬體的需求下，開始追尋更好的材料來製作。像

手機與 FPD，常損壞螢幕，這一種事件一再的發生，所以利用塑膠的可撓性，

來取代玻璃，在上面鍍上一層透明的導電薄膜，來改善人們的生活。

導電透光膜氧化銦錫(Indium Tin Oxide)，其本身具有良好導電性及透

光性，因此被廣泛用於光電產業，如液晶顯示器、電漿顯示器、觸摸型顯

示器等，目前大部份仍鍍於玻璃基板上，再切割，製作成所需要的形狀及

尺寸；但玻璃具有易碎、重量大、大尺寸的基板製作不易，故現今有往塑

膠基板發展的趨勢。ITO 鍍在塑膠基板上，不但可大量生產，且質輕、耐

撞擊、可製作成各種尺寸、曲面形狀，降低 LCD 的厚度。

為導電可撓展示之一為導電可撓展示之二

圖 1 塑膠基板鍍透明導電膜之應用

玻璃與塑膠的特性不同，塑膠是聚合物，遇熱會彎曲或熔化，進而影

響薄膜沉積的均勻，造成薄膜導電性差。在不使 ITO 的特性降低，控制製

程時的溫度，為研究的主題。

4

第二章研究方法

專題內容：

2-1 光譜儀：

使用波長範圍為 380nm-800nm 的入射光，量測 ITO 薄膜的可見光穿透

率(Visible transmittance)，其工作原理：將同一道光源分為兩道能量相等的

光束，其中一道光束通過有鍍薄膜的基板，另一道光數通過路徑則放置未

鍍膜之基板作為基準，兩道光束經由接收器接收後，比較兩道光數的強度

變化，計算出薄膜的穿透率。藉由不同的穿透率可以進一步的分析 ITO 薄

膜的光學特性。

ITO 薄膜在可見光區有高的穿透率，薄膜對光的吸收與散射均很小，穿

透率 T 可用式(2-1-1)表示。

)exp()1( 2 dRT ⋅−−= α 2-1-1 上式中，R：reflectance d：film thickness

( ) 21EhvBhv −=α且 2-1-2 α：absorption coefficient

opt

上式中，B 為常數 hv 為光子能量 Eopt為 optical band gap

5

圖 2 光譜儀實體圖

圖 3 光譜儀之光線示意圖

圖 4 光譜儀內部實體圖

6

2-2 濺鍍機台：

本實驗使用 DC 濺鍍機，主要是固定濺鍍時的電壓，腔體壓力與調整

濺鍍時的時間，來控制塑膠基板上的 ITO 厚度，來得到最佳的光電特性。

圖 5 DC 濺鍍系統示意圖

圖 6 濺鍍時之示意圖

7

(1) 濺鍍電壓：

電壓越大 ITO 薄膜的沉積速度也相對提高，但相反的，塑膠基板不

耐原子的快速撞擊而產生變形，故本實驗使用較低的電壓來控制 ITO

沉積的速率，以 150 伏、180 伏、200 伏為所調整時之電壓，本實驗的

基準電壓以 180 伏為濺鍍電壓。

(2) 腔體壓力：

利用機械幫浦，抽至 1.8x10-3~1.5x10-3torr，再利用擴散幫浦，抽至

10-5torr 以下，利用離子真空計與真空計，可測量到粗抽與細抽的壓力。

(3) 濺鍍時間：

由於改變濺鍍時間可以控制薄膜厚度，藉由不同的時間點，3 分鐘、

7 分鐘、8 分鐘、9 分鐘、10 分鐘、15 分鐘、17 分鐘、20 分鐘，可以

得知薄膜在哪一點時間上會有最好的光電之特性表現。

(4) 基板溫度調整：

在塑膠基板不耐高溫下，在濺鍍時旋轉基板，一方面可以有短暫的

熱傳遞，另一方面可以有均勻薄膜厚度的效果。

8

2-3 四點探針：

四點探針是最常用於測量薄膜電性以及整體性電阻率的儀器。其原理

使用四根平行探針，探針間的距離為 S，其中外部兩根探針對試片通以固定

的電流 I，再以內部兩根探針測量其電壓 V，將所量得片電阻值 RS。

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ×= ..FC

IVRS (Ω/□) 2-3-1

將所求得之片電阻 RS乘上薄膜厚度 Tf，可得到薄膜電阻率 ρ。

fTSR ×=ρ (Ω‧cm) 2-3-2

式中 RS為片電阻(Ω/□) Tf為薄膜厚度(cm) ρ為薄膜電阻率(Ω‧cm)。 C.F.為探針的修正因子，為常數。

圖 7 四點探針實體圖

9

圖 8 四點探針模型圖

圖 9 四點探針實體圖

10

2-4 濺鍍原理：

濺鍍的方法來製作薄膜的技術已被廣泛應用，因為可以得到較薄較緊

密且表面平整的薄膜。在濺鍍的過程中，控制幾項重要的參數便會將會影

響到所濺鍍出來的薄膜的物理性質或化學性質，包括電漿的工作電壓、濺

鍍壓力、反應氣體、基板溫度和靶材-基板間的距離等。濺鍍出來的原子由

靶材飛行至基板，飛行距離中原子和高能量電漿相互碰撞，而改變薄膜的

沉積，因此，靶材與基板間的距離是一項重要的實驗參數。基板的種類與

基板溫度設定亦扮演著重要角色，因為基板和薄膜材料間的熱膨脹係數不

同，對於薄膜沉積的特性也有顯著的關係。

直流濺鍍常使用在導體材料的製程，因為通入的氣體不同，一般是通入

氧氣或氮氣來形成氧化物或氮化物，構成反應性濺鍍。

本文是利用直流濺鍍系統來製作 ITO 薄膜。原理如圖 10 所示，利用氬

氣(Ar)氣體原子的解離

2-4 −+ +→ eArAr

電子因為被加速至陽極，途中在產生新的解離，如此一來 Ar 離子被加

速至陰極撞擊靶材，靶材粒子及二次電子被擊出，前者到達基板表面進行

薄膜成長，而後者被加速至陽極途中促成更多解離。

11

圖 10 濺鍍原理

輝光放電：

濺鍍原理發現於輝光放電(glow discharge)的實驗，輝光放電為濺鍍的

基本。輝光放電視在氣體壓力 10~10-2torr 的真空內兩電極間施加高電壓時，

電極產生放電現象。

在此狀態下，陰極與陽極間充滿電子與正離子。陽極附近充滿了電子與

正離子共存之電性良導體，幾乎無電壓降低，最後則與陽極電位相等。陰

極吸引正離子，而飛來的電子則被此電場排斥，所以在陰極前面只形成只

有正離子的空間，構成離子層(ion sheath)，外觀暗淡，所以稱為陰極暗部。

到達離子層端之正離子被此電場加速，獲得動能而撞擊陰極。在此，

離子經動量交互而使靶材擊出，同時也獲得二次電子。二次電子因電場與

正離子逆向加速，擊入電漿中而將中性氣體分子電離。形成朝向陰極之正

12

離子，產生所謂負輝光(glow)。

離子衝撞陰極時釋放出的粒子，有靶材元素外，也有二次電子，光子，

X 光。這些粒子撞擊基板堆積薄膜，會造成基板溫度提高，基板上產生粒

子碰撞的損傷。本實驗中，調整電壓，以避免溫度過高以及沉積的速度，

來改善薄膜品質。

圖 11 輝光放電中陰極-陽極間之發光、電位分佈、電荷分佈

2-5 電漿原理：

氣體在特殊的環境條件的影響下，將氣分子解離為原子，在形成帶電

的離子與電子團，且維持在電中性的狀態下，此種氣體稱為電漿。除了在

及高溫的環境下會形成電漿之外，在一個真空低壓的系統環境中，利用直

流、交流、射頻電波或微波的放電以激發氣體分子離子化，也是一種常見

形成電漿的方法。此種利用放電形成電漿的溫度有別於高溫電漿，成為低

溫電漿或非平衡電漿。

13

當直流、交流、射頻電源供應器施加高壓電場於真空低壓系統中兩個

相對電極板上，此高壓電廠可加速存在於氣體中極微量的游離電子，如果

加速的游離電子具有足夠的能量，當其碰撞氣體分子或原子時便發生激發

或原子離子化作用的現象；而電極板將等效電容器，基板表面處於低壓系

統而不易吸附足夠的帶電粒子，帶正電離子將有機會轟擊負電極板；而電

子與氣體分子或原子發生碰撞後動能轉移使之產生離子或電子，再經電場

加速引發其他離子化作用，引此產生了大量的離子化氣體與電子，此種激

發狀態下之粒子並不穩定而部分會回到原始狀態，因為釋放能量而發光，

即所謂輝光放電。而電漿能持續輝光放電，就是維持離子化(Ionization)解離

(Dissociation)、激發(Excitation)、在結合(Recombination)、輻射(Radiation)

及電荷轉移(Charge transformation)等反應穩定持續的循環。

Ionization： 2-5-1 −+− +→+ eXXe 222

Dissociation： 2-5-2 −− +→+ eXXe 22

Excitation： (X*：Excitation state) 2-5-3 −∗− +→+ eXXe

Recombination： 2-5-4 hvXXe +→+∗+−

Radiation： 2-5-5 hvXX +→∗

Charge transformation： 2-5-6 YXXY +→+++

22

電漿獨特的輝光放電現象，必須在適當的氣壓和電壓的操作範圍內才

能發生；壓力太高，粒子平均自由路徑縮短，碰撞頻率增加，所以電子與

14

離子無法得到足夠的能量，電漿便無法產生；如果壓力過低，單位體積內

的電子與離子數量過少，造成沒有足夠的帶電粒子，所以電漿也無法產生，

因此，可以藉由電漿是否發光來簡單的檢視輝光放電現象。本實驗通入之

氣體為氬氣，因此輝光之顏色為紫色。

圖 12 輝光放電中電將之粒子

15

2-6 透明導電膜 ITO 之特性：

In2O3 中摻雜 Sn，使導電性更提高之材料。In2O3 的場合，自氧空缺釋

出之電子為所有的載子(carrier)，而 ITO(indium tin oxide)的場合，In 位置上

摻雜 Sn 之過剩電子由施子(donor level)項傳導帶釋出，對導電有貢獻。此為

半導體中價電子控制之考量方式，以 4 價 Sn 換 3 價 In 為位置(site)可增加

釋出載子之電子。

2-6-1 導電機制：

在半導體的晶體結構中，若含有些許的雜質或缺陷，則很容易造成 n

型半導體(donor bound level states)或 p 型半導體(accept bound level states)使

得半導體中的自由載子濃度和導電率增加。ITO 屬 n 型半導體，可能導電

機制有兩種，一種雜質摻雜機制，另一種則為氧空位(oxygen vacancy)機制。

在 n 型的 ITO 薄膜內，參與導電的載子可由下列兩式 2-6-1、2-6-2 說明：

2212 OeVO oo +′+→

∗∗ 2-6-1

222 212322 32 OeOsnOS In

OInn +′++⎯⎯ →⎯

2-6-2

式 2-6-1、2-6-2 中﹡和‵代表有效正電荷和負電荷 Vo﹡﹡意指帶兩正電荷的

氧空缺，符號 SnIn﹡表示正四價的錫取代正三價的銦進入 IN2O3晶格內。

ITO 本身結構上為易失去氧而產生空缺，由上式可知在生成 ITO 膜膜

的過程中會有許多氧逸失掉(可再生成過程中抑制氧逸失的量)，以使生成之

16

薄膜中存在有許多氧空缺，這一些氧空缺(VO)取代原先 O2離子的位置，一

但氧原子逸失後這一些位置便留下有負二價的靜電荷(2e-)，而產生施體，是

一般類似 ITO 金屬氧化物薄膜能夠導電的原因。另外 ITO 有 5~10wt%SnO2

的主要原因是當作摻雜質，式 3-6-1、3-6-2 中由於 In、Sn 原子大小、質量

均相近，故 Sn4+離子有機會取代 In2O3中的 In3+離子，取代厚多餘的一個外

圍電子變形成自由載子。故 ITO 薄膜的導電機制有上述兩種，其自由載子

濃度是由氧空缺極 Sn4+離子雜質所控制。

2-6-2 光學性質：

關於能隙(band gap)路徑之能帶(band)，Fan and Goodenough 推測 In3+之

5s 軌道形成傳導帶，O2-之 2p 軌道形成價電子帶，而且也由第一原理能帶

計算獲得證實。能隙附近之能帶模式如圖 13。由於純粹之能細微 3.75eV，

因此，350nm 以下紫外光區域之光吸收，可以用價電子帶之電子向傳導帶

之能帶間直接轉移來解釋。

17

圖 13 由 Fan and Goodenough 之 ITO 能隙模型圖

光學能隙隨載子密度增加而變大之現象，可由 Burstein-moss(B-M)效果

造成偏移(shift)來說明。所謂 BM shift 是指，生成的載子會佔據導帶的底部，

使帶有原來能隙能量的光無法將價帶的電子激發遷移到導帶的底部；要遷

移到導帶的的空位必須要有更高的能量。這種吸收端的能量朝高能量移動

的現象稱為 Burstein-Moss(BM) shift。當導帶的底部被佔據後，帶有原來能

隙能量 Ego 的光無法將價帶的電子激發到導帶的底部，必須有更高的能量

Eg 才能將電子激發到導帶，使得薄膜橫跨藍光區，紫外光區成為透明的理

由。

由圖 14 可以看出，當載子濃度固定時(斜線部分的面積固定時)，如果

導帶的曲率越大，則填滿斜線空位的邊界會越向高能量移動，這個移動對

載子濃度的依存性會越明顯。因此，導帶曲率越大的物質，亦即遷移率越

18

大的物質，其 BM shift 越顯著。

圖 14 Burstein Moss shift 效應示意圖

當載子密度縮至 1018cm-3以上時，自由電子進入傳導帶之底部，使得費

米能階(Fermi level)存在於傳導帶。因此，自價電子帶激發之電子，若不具

有比能隙高之能量的話，是不會產生能帶間轉移。由 B-M 轉移之能隙增加

量可由式 2-6-3 表示。

( ) 3200 62 eVCgggBMn

mgEEE π⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=−=Δ ∗ 2-6-3

式 3-6-3：為光學的能隙 0gE

Ego為未縮退場合之能隙

ne為載子密度

式 2-6-4 微價電子帶與傳導帶之電子有效質量、來計算。 ∗

vm∗

cm

19

∗∗∗ +=cvvc mmm

111 2-6-4

具有某種程度在子密度的 ITO 薄膜，在紅外光區具有高反射率。此種

行為與金屬相同，可由載子之電漿震動說明。自由電子的運動依古典 Drude

理論，某震動數 ω下之折射率 n 與衰減係數 k 可由式 2-6-6 描述。

22

222

γωωε+

−=− NOPTkn 2-6-5

222

2γω

ωωγ

+= Nnk

2-6-6

但是， 2

1

0

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∗

OPT

eN m

enε

ω 2-6-7

Pω 如式 2-6-8 所示。電漿震動數

21

2

0

221

22

02 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−== ∗ γεεγε

ωλ

πωOPTOPT

e

OPT

N

PP m

enC

2-6-8

式 3-6-8： C0為真空中光速

ne為載子密度

為學有效質量 ∗

OPTm

∗==OPTme

μτγ 1 (τ為緩和時間，μ為移動度) 2-6-9

0ε 在此為真空介電常數( 4π )

OPTε 為光學的比介電常數，也等於折射率的平方 n2

由上述理論可以計算反射光譜。

20

2-7 薄膜成長理論：

任何一種薄膜的成長過程，均需經過三個步驟：產生適當的原子、分子

或離子，然後傳輸至基板，最後以直接(物理)或經化學或電化學反應，沉積

於基板上形成薄膜。薄膜的形成細述如下：

(1) 分子撞擊基板，吸附並把動能轉移在基板上。

(2) 吸附的分子尚未和基板達熱平衡，可在基板上移動並和其他吸附分子

反應成更大的分子團。

(3) 分子團尚未穩定，可能脫離基板或結合，達到一個臨界尺寸後即穩定

下來，成為晶核，均勻的分散在基板上。

(4) 晶核密度成長至飽和，然後經由吸附分子平行擴散或垂直撞擊的聚合

而成長，逐漸長成一個小島。

(5) 小島互相聚結(Coalescence)以減少其表面積和表面能，分子的吸附亦可

增加大島的尺寸，即為晶粒的形成。

晶粒的結合會使薄膜不連續而產生間隙或針孔，成長速率、基板的溫度

和事後的處理等，均可彌補薄膜的不連續。圖 15 即說明上述薄膜的成長過

程。薄膜的形成主要可分為三個階段，即所謂的成核、成長和聚結三步驟。

21

圖 15 薄膜成長過程

2-7-1 成核：

撞擊上去的分子失去動能吸附在基板上，剛吸附上去的分子仍很活

潑，它們在基板表面上移動並聚合長成很多小晶核，呈均勻的分佈。吸附

力強則晶核密度大，反之則小。表示的臨界半徑附和一般的觀察，表面張

力大則容易潤濕，故值趨大；ΔGV 大則分子容易凝聚，故值趨小。臨界半

徑在常溫下一般約 0.5nm，亦即數個分子團的大小。

( ) VGr Δ+Γ=Δ 32 34r4G ππ 2-7-1

對式之 ΔG 取微分

22

( ) 0G =Δdr

d 2-7-2

分子團之臨界半徑∗r 為

2-7-3 VG

rΔ

Γ−=∗

2

式(2-7-1) ΔG為體材吉布斯自由能

Γ為表面自由能(Specific surface energy)，也為表面張力

當晶核成立之初，表面自由能比基材之自由能者大，此時小於臨界半

徑的分子團不穩定，因為 ΔG 值大於零，難以形成晶核。此亦蒸發而去。大

於臨界半徑的分子團，其表面積比率變小，總自由能隨著成長而減少並成

為負數，大於臨界半徑的分子團其自由能隨著成長而減少並成為負數，因

此逐漸穩定形成晶核。

由式 2-7-1 表示的臨界半徑附和一般的觀察，表面張力大則容易潤濕，

故 ∗r 值趨大；ΔGV 大則分子容易凝聚，故 ∗r 值趨小。臨界半徑在常溫下一

般約 0.5nm，亦即數個分子團的大小。吉布斯自由能和臨界半徑之關係可由

圖 16 表示。

23

圖 16 自由能與晶核半徑之關係

2-7-2 成長：

分子團的大小超過臨界尺寸後即穩定下來成為晶核，並開始成長。成

長的源頭有兩種，一是來自分子的直接撞擊。另依來源為吸附分子的表面

擴散，在晶核周邊距離的表面分子均有機會被其吸附而繼續成長。這一些

晶核逐漸成長為一個島嶼，此時已經不容許新的晶核生長。島嶼最大密度

一般在 1010~1012cm-1之間，每一島嶼約相當於 10~100 nm。

24

圖 17 島嶼的成長方式

2-7-3 聚結：

小島的聚結，終於成一連續的薄膜。聚結的方式大致可分為成熟、合

併和成長三種：

(1)成熟式由於小顆粒的蒸氣壓比大顆粒大，其蒸發的分子就有較大的機率

被大顆粒吸收，最後消失，而大顆粒成長的更大。

(2)合併乃因小島嶼仍具有相當的移動能力，當其和大島嶼相撞時，即可能

被其吸收而合併，大島嶼漲得更大。

(3)成長則以類似晶核成長，來自分子的直接撞擊和吸附分子的表面擴散，

填補島嶼之間的空隙和針孔，終於成一連續的薄膜。

晶粒的大小和晶核密度有直接的關係，當島嶼聚合成一連續薄膜之

後，晶粒即往上成長一柱狀。晶粒的大小受到基板溫度、熱處理、膜膜厚

度、和撞擊分子的動能有關，顆粒大小有一定的限度，新的顆粒會在大顆

粒上成長。

25

島嶼之間的接觸如果沒有合併，它們即會成長為往後的顆粒晶界。如果

顆粒夠大且隨意存在，薄膜即會成長為多晶態(Polycrystalline)；太小顆粒，

薄膜即會成長為非晶態(Amorphous)。沉積薄膜會有應力存在，其來源是：

(1) 薄膜和基板之間的晶格失配(Mismatch)。

(2) 薄膜和基板之間的熱膨脹係數差異。

(3) 晶界之間的互擠。

晶粒的大小(Grain size)和晶核密度有直接的關係，當島嶼聚合成一連續

薄膜之後，晶粒即往上成長一柱狀。晶粒的大小受到基板溫度、熱處理、

膜膜厚度、和撞擊分子的動能有關，其趨勢大致可由圖 18 表示。很明顯的，

顆粒大小有一定的限度，新的顆粒會由具存的大顆粒上成長。基板溫度與

事後的熱處理，對於成長較大的晶粒或磊晶有很大的幫助。

26

圖 18 影響晶粒大小的因素

27

第三章研究內容

準備尺寸為 2.0×2.0 ㎝，厚度為 0.3mm 的塑膠基板，除去保護基板的薄

膜，在置入 DC 濺鍍機內，用 ITO 為靶材，設定 DC 濺鍍機的參數，通入

氬氣，然後開始濺鍍。濺鍍電壓(180V)、腔體壓力(3m torr)、濺鍍時間(3 分

鐘、7 分鐘、8 分鐘、9 分鐘、10 分鐘、15 分鐘、17 分鐘、20 分鐘)，成長

ITO 薄膜，藉以改變塑膠基板上 ITO 的特性。濺鍍程序結束後，測量基板

在不同參數薄膜之導電性、透光性。

利用光譜儀量測薄膜在可見光區的穿透率；使用四點探針測量導電性。

預期實驗能得到 9×10-4Ω-㎝低電阻率，且透光率在可見光 380nm~800nm 間

有 90%以上。

3-1 製作方法及進行步驟：

實驗流程圖：

28

準備尺寸為 2.0×2.0 ㎝，厚度為 0.3mm 的塑膠(PC)基板

(一) 塑膠基板之清洗：

1. 基板表面保護膜的去除:塑膠基板的製作是由熱塑成型法所製成，一般

都會在基板表面加上一層保護膜，防止基板表面暴露在空氣中，而吸附

灰塵或讓空氣中的水氣進入，所以需要清洗。

2. 基板表面的清洗:由於塑膠基板本身阻隔水氧能力不佳，所以為了防止

水分破壞基板，在清洗時避免接觸到水或溶劑。最常使用的方法是利用

靜電吸附原理或是氮氣清潔法，將附著在基板表面的灰塵粒子去除。

(二) 在置入 DC 濺鍍機內，用 ITO 為靶材，設定 DC 濺渡機的參數，通入

氬氣，然後開始濺鍍。本研究使用 DC 濺鍍機，主要是固定濺鍍時的

電壓，腔體壓力與調整濺鍍時的時間，來控制塑膠機板上的 ITO 參

數，來得到最佳的光電特性。

1. 濺鍍電壓：

電壓越大 ITO 薄膜的沉積速度也相對提高，但相反的，塑膠基板不耐

原子的快速撞擊而產生變形，故本實驗使用較低的電壓來控制 ITO 沉

積的速率，本研究的基準電壓以 180 伏為濺鍍電壓。

29

2. 腔體壓力：

利用機械幫浦，抽至 1.8x10-3~1.5x10-3torr，再利用擴散幫浦，抽至 10-5torr

以下，利用粗略真空計與離子真空計，可測量到粗抽與細抽的壓力。

3. 濺鍍時間：

由於改變濺鍍時間可以控制薄膜厚度，藉由不同的時間點，3 分鐘、7

分鐘、8 分鐘、9 分鐘、10 分鐘、15 分鐘、17 分鐘、20 分鐘，可以得

知薄膜在哪一點時間上會有最好的光之特性表現。

4. 基板溫度調整：

在塑膠基板不耐高溫下，在濺鍍時旋轉基板，一方面可以有短暫的熱

傳遞，另一方面可以有均勻薄膜厚度的效果。

(三) 濺鍍完取出試片，用光譜儀測量，使用波長範圍為 380nm-800nm 的入

射光，量測 ITO 薄膜的可見光穿透率(Visible transmittance)，用四點探

針測量片電阻值並記錄起來。

30

第四章實驗結果

4-1 光譜儀

主要討論透明導電膜在可見光的範圍(380nm~800nm)的光穿透率，在

一般光電顯示器對於透明導電膜作為電極材料，其光穿透率最好都在 80%

以上。而一般 ITO 之能隙在 3.5eV~4.3eV 之間，光穿透率在 80%~90%左右，

本實驗討論在塑膠基板上鍍 ITO 的光穿透率。圖 19 就是各個濺鍍時間不同

的光穿透率曲線示意圖。

圖 19 固定電壓 180V，濺鍍不同的時間所得到之薄膜厚度 ITO 的光穿

透率曲線圖。

31

從圖 19 中在波長 λ=550nm 取出各個濺鍍時間的光穿透率作說明

圖 20 波長 λ=550nm 取出各個濺鍍時間的光穿透率

由式(2-1-1)所示，鍍膜之可見光穿透率應與薄膜厚度成一自然對數之關

係，所以在較厚的鍍膜中，其可見光穿透率會較低，而根據Kim[7]之研究

中指出，薄膜在較薄的厚度時，其結構主要為非晶質相，所以可見光穿透

率均非常高，而隨著薄膜厚度增加，結晶性越來越明顯，使得較厚的鍍膜

因晶粒較大的關係，其結晶性會越來越好，而在較大的晶粒中，其可見光

穿透率會較高，因此當鍍膜具有較佳的結晶性時，在可見光範圍內有部分

波段會具有較高的穿透率。

32

4-2 四點探針測量

圖 21 各個濺鍍時間之片電阻值

圖22 薄膜厚度與電阻率的關係

根據(沈積ITO透明導電膜於可撓式基板上之性質研究)所研究之薄膜

厚度與電阻率的關係如圖22，可知當薄膜厚度在非常薄與非常厚時，其電

阻率均不佳。

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薄膜在PC 基板上的電阻值急遽上升，其主要原因應為薄膜在基板上成

長時，累積的溫度過高，而導致基材有些微變形的現象所致或應力問題。

由於在塑膠基板上會造成薄膜的破裂或基板彎曲現象，在濺鍍反應

中，由於基板承受二次電子及濺射原子的轟擊加熱，使得基板溫度升高造

成薄膜與基板間的熱應力產生；根據下式其薄膜的殘存熱應力為：

)( SubFilmTh TE σσγσ −⋅Δ⋅= 4-2 其中， Thσ 為薄膜之熱應力

γE 為薄膜之楊氏係數

TΔ 為溫差

Filmσ 、 Subσ 各為薄膜和基材之熱膨脹係數由式(4-2)可知玻璃基板的熱膨脹係數與ITO 薄膜相差不大，但塑膠基

材則差異很大；因此當濺鍍條件相同時，因為熱膨脹係數的差異而使ITO 薄

膜沈積在塑膠基材上的殘留熱應力比玻璃上大的很多。為了成功將ITO 薄

膜濺鍍於塑性基材上，並克服熱應力的問題，所以(沈積ITO透明導電膜於

可撓式基板上之性質研究)採用基座旋轉的方法，鍍膜以間歇性方式成長，

使得鍍膜有足夠的時間散熱，而不至於有薄膜破裂與基板彎曲的現象。

本研究採取基板旋轉的方法但薄膜過厚散熱不足(溫差過高)在濺鍍15

分鐘、17分鐘、20分鐘仍有破裂情形。

34

第五章實體成果展示

圖23、圖24 是以9V乾電池驅動與未驅動薄膜成果展示圖，而成果展示

所用的薄膜是在濺鍍時間十分鐘所製成，在製程時塑膠基板中間不鍍ITO，

讓薄膜兩端呈現斷路狀態。之後在薄膜兩端接上LED燈，以判斷薄膜是否

具有導電性。

圖23 電池未接薄膜，LED燈無動作

圖 24 電池接薄膜，LED 燈發亮

由結果可知當薄膜接上電壓時，明顯可看出 LED 燈發亮，所以薄膜具

有導電性。

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第六章結論

藉由光譜儀的實驗中，可得到薄膜愈厚而光穿透愈佳的關係，另外藉

由四點探針實驗中可得最佳片電阻值，由以上的實驗參數發現，在濺鍍時

間 10 分鐘的薄膜呈現出片電阻值 29(Ω/□) ，光穿透率 81%為實驗參數最佳

的薄膜。

36

37

參考文獻

1. 白木靖寬/吉田貞史編著薄膜工程學全華科技圖書股份有限公司

印行 2004 年 8 月。

2. 柯賢文編著表面與薄膜處理技術全華科技圖書股份有限公司印行

2005 年 1 月。

3. 楊俊銘＂成長 ITO/金屬/ITO 多層透明導電膜之特性研究＂崑山科技大

學電機工程系碩士論文，2005 年 6 月。

4. R.V.STUART 編著賴耿陽翻譯薄膜製作工藝學復漢出版社印行

1987 年 4 月。

5. 郭俊頡 “利用RF濺鍍技術在室溫下將ITO成長在塑膠基板上之研究＂

國立中山大學光電工程研究所 2005 年 6 月。

6. 陳思成 “沉積 ITO 透明導電膜於可橈式基板之性質研究＂國立成功大

學材料科學與工程學系 2003 年 6 月。

7. H. Kim and C. Gilmore, A. Pique , J. S. Horwitz, H. Mattoussi,

H. Murate, Z. H. Kafafi, and D. B. Chrisey, “Electrical, optical,

and D. B. Chrisey ,“Electrical, optical, and structural properties of

indium-tin-oxide thin films for organic light-emitting

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8. 塑膠(PET、PC)導電透光膜(ITO)鍍膜技術工業技術研究院。

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