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AZO透明导电薄膜技术AZO透明导电薄膜技术2010-11-19 08：50近年来随著液晶显示器与太阳能电池的发展，使得透明导电薄膜成为关键性材料之一。因此，如何降低透明导电薄膜材料成本与提高薄膜材料的性能为目前的首要目标。所以在美国、欧洲与亚洲的研究学者都急欲发展出新一世代的透明导电薄膜材料。目前有几种因素在加速驱动这新世代透明导电薄膜的诞生。首先是由于目前所常用的ITO透明导电薄膜材料其主要是应用在液晶显示器与太阳能电池上，但近年来液晶显示器与太阳能电池的需求大增。此外，触控面板的成长性亦相当可观。富士总研估计触控面板2006年全球产值25.4亿美金，2007年已达27亿美金。此一新兴电子产业的发展亦助长了ITO薄膜的使用，因而造成铟的价格在过去的三年中大幅成长，目前铟的价钱已经超过600 USD/kg。因此开发具透光、导电特性之非铟材料，或许是解决铟供给不足的方法之一。这些因素促使发展新型之透明导电薄膜技术与材料，成为近年来众多研究学者所欲突破的目标。AZO(氧化铝锌)透明导电薄膜特性氧化锌(Zinc Oxide,ZnO)属于N型-族半导体材料，其结构为Wurzite hexagonal structure，属于六方最密堆积。氧化锌具有高熔点(1975)和极佳热稳定性，能溶于酸碱，但不溶于水及酒精。氧化锌光学能隙约为3.3 eV，大于可见光的能量，因此于可见光范围内具有高穿透率。氧化锌电阻值高，具有压电效应，传统应用于压电材料上，另外亦可应用于表面声波元件或是UV光发射器材料等。氧化锌其电子传导是由化学剂量比的偏差所产生的，由氧空缺(oxygen vacancies)及间隙型锌原子(interstitial znic)之浅层受体能阶(shallow donor levels)提供，氧化锌的电阻较高，因此一般于透明导电薄膜的应用上，则会将其掺杂族元素(铝、镓、铟等)，使其导电特性提高，同时也增加其高温稳定性。因此提供适当量掺杂量的铝，能够使氧化锌的导电性变佳。由于AZO透明导电薄膜其价格较为低廉，且不具毒性。因此在发展上具相当之优异性。因此，沉积AZO薄膜技术的发展也相当多元化，目前沉积此薄膜主要有下列几种技术：脉冲雷射蒸镀(Pulsed Laser Deposition；PLD)一般在镀制ITO透明导电薄膜时，其最佳之靶材比例为5-10%的SnO2掺杂至In2O3。但在AZO薄膜材料中其最佳之铝之掺杂比例5%，因此就AZO薄膜而言，所掺杂金属元素的含量控制是相当重要的。PLD之实验技术可确保薄膜成分与靶材成分比例的一致性。因此，将靶材比例控制在2-5%(Al：ZnO)来成长AZO薄膜，其薄膜的制程温度为400，真空腔体的氧分压为10-3 Torr。不同铝含量下，AZO薄膜之电阻率与载子浓度之关析图(Ref：J.Crystal Growth 294(2006)427)图一显示在不同铝含量下，AZO薄膜的电阻率与载子浓度之关析图。相较于只有ZnO时，载子浓度随著Al含量的加入而增加至少两个级数以上。但随著铝的含量增加超过2%以上，其载子浓度之大小又随之下降。在2%铝的掺杂中其载子浓度之最大值为81020 cm-3。但在电阻率之特性方面受到两种机制之影响，载子浓度(掺杂离子浓度)与霍尔移动率(氧的缺陷)。但此研究的氧分压为一固定值，因此在霍尔移动率对电阻率的影响应该是有限的。在不同铝含量时，AZO薄膜之最低电阻率610-4-cm也出现在铝含量2%时。超过2%的铝含量时，反而造成其电阻率的上升，其原因是过多的铝造成其电子的传递被限制住了，亦或是过多的铝含量造成AZO薄膜结构的缺陷，而使的铝的化学剂量比并非以氧化铝的方式存在，因而造成此AZO薄膜电阻率的增加，而在光穿透率方面其AZO薄膜在可见光区约是80%。RF磁控式溅镀法在制作AZO薄膜方面，以磁控式溅镀还是较有机会达到量产规模。因此，众多研究学者均在评估其大面积镀膜之可行性，但其结果发觉在AZO薄膜电阻率的分布会与位置有极大的关析。因此，造成薄膜电阻率之分布不均。靶材位置与基材电性之关析图(Ref：Jpn.J.Appl.Phys.45(2006)L409)在靶材为直径10 cm时，其薄膜电阻率分布与靶材之关析图。其结果显示在靶材中央的位置其电阻率在制程温度是200的电阻率是510-4-cm，但在靶材两侧其电阻率就随之增高，其电阻率之最大值为210-3-cm，其薄膜电阻率的分布是不均匀的，此结果会造成AZO薄膜在应用时受到限制。但当在制程中加入氢气可以有效的降低的薄膜之电阻率与提高薄膜电阻率之均匀性。高能离子电浆法高能离子电浆的制程是使用阴极电弧(Cathodic arc)技术将欲镀的AZO材料，从靶源蒸发出来，并经由靶源前方的高密度电浆区，将蒸发出来未解离的中性原子解离，而在基材表面形成AZO薄膜。靶源所使用的电源输出为低电压(20 V)与电流从数十安培至一百安培左右。因此，阴极弧斑所产生之电浆会快速地扩散至真空腔体内，其电浆所产生之离子速率约可达到1-2104 m/s，也就是所产生之电浆粒子具备高能量之特性，使得利用阴极电弧离子之技术所成长之薄膜具备不同的特性。此高能离子电浆技术可产生高动能离子与完全游离化之优点。高离子动能可降低薄膜形成结晶化时所须之高沉积温度；高离化率之电浆可避免薄膜组成与靶材成分产生偏析。此高能量之离子电浆可使解离的粒子产生1045 eV的离子动能。因此有机会降低薄膜制程温度与提高薄膜的沉积速率与大面积制程之可行性。目前本实验室在AZO薄膜的研究方面已可在制程温度在100，得到电阻率约110-3-cm，而光穿透率在可见光区为80%之透明导电薄膜材料(图三)。在这样的制程温度下，对于一些软性电子元件的应用是相当具有潜力的。高能离子电浆技术沈积AZO薄膜之光穿透率比较图未来发展与应用对于AZO薄膜材料与其制程技术的研发，目前引起大家广泛之重视，虽然目前AZO薄膜之特性上仍然与ITO薄膜有些差距，但若能寻找出AZO薄膜可应用之产品，方面不仅可降低制造成本，更可降低对ITO薄膜的依赖。因此，在目前新兴的产业中，以AZO薄膜取代ITO薄膜材料在触控面板与太阳能电池上最具潜力。在触控面板的应用上，其目前所需求之透明导电薄膜的片电阻约为300700/，以AZO薄膜之特性而言，并不难达到此规格要求。另外，在薄膜太阳能电池CI