崑 山 科 技 大 學 -...
Post on 08-Feb-2020
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
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
-
1
-
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。
33
-
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。
35
-
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
devices",J.Appl.Phys.,V.86﹝11 12﹞(1999)pp.6451-6461。
8. 塑膠(PET、PC)導電透光膜(ITO)鍍膜技術 工業技術研究院。
top related