TW201422835A - 濺鍍靶材及導電金屬氧化物薄膜 - Google Patents

Abstract

一種濺鍍靶材，包含銦、第一金屬、第二金屬，及氧，基於銦、第一金屬及第二金屬的原子總含量以100at.%計，銦的原子含量範圍為10至20at.%，第一金屬的原子含量範圍為60至80at.%，第二金屬的原子含量範圍為10至20at.%，其中，第一金屬選自鋅、錫，及此等之組合，第二金屬選自鋁、鈦，及此等之組合。本發明還提供利用該濺鍍靶材經濺鍍所形成的導電金屬氧化物薄膜，該導電金屬氧化物薄膜的電阻率高，進而維持該導電金屬氧化物薄膜的預定厚度不被縮減且不易破損，有效提高該導電金屬氧化物薄膜應用於光電元件的良率。

Description

濺鍍靶材及導電金屬氧化物薄膜

本發明是有關於一種濺鍍靶材及導電金屬氧化物薄膜，特別是指一種經濺鍍而形成電阻率高之導電金屬氧化物薄膜的濺鍍靶材及高電阻率導電金屬氧化物薄膜。

一導電金屬氧化物薄膜通常是利用濺鍍製程沉積而得，可利用金屬或金屬合金靶材以反應式濺鍍的方式製得，也可經濺鍍一個成分相同的金屬氧化物濺鍍靶材而形成該導電金屬氧化物薄膜。

其中，由於一銦錫氧化物薄膜(下稱ITO薄膜)具備優良的導電特性(也就是電阻率低)，且在可見光的照射下透明度也高，所以是發展最為成熟的導電金屬氧化物薄膜，亦是光電產業中應用最廣泛的導電金屬氧化物薄膜，特別是應用作為光電元件的電極層或電流擴散層。

之後，有學者發現，當該銦錫氧化物薄膜中還含有鋅，而形成一銦鋅錫氧化物薄膜時，除了維持高導電率的特性之外，還可在短波長範圍之光線的照射下具備更高的透光率。因此，銦鋅錫氧化物薄膜也是一種可能被應用作為透明導電薄膜(transparent conducting oxide)的導電金屬氧化物薄膜。

隨著市面上所需之產品日異多元化，對於導電金屬氧化物薄膜之特性的需求也不如以往一味地要求提升導電率，例如，應用於觸控面板時，反而需要電阻值相對較高的 導電金屬氧化物薄膜。而一般主要的做法是薄化ITO薄膜，以提升薄膜的電阻值；然而，一味地減低ITO薄膜厚度的做法，容易產生以下缺點(side effect)，例如，薄膜過薄導致破損，或薄膜的厚度不均勻，其將致使電性不穩定，且所製得之光電元件的良率低落。

因此，有研究提出：以改變金屬元素或組成比例的做法，以相異之導電金屬氧化物薄膜取代傳統ITO薄膜，而該做法需考慮許多議題，除了該薄膜與其他元件間的相容性是否類似於ITO薄膜與其他元件間的相容性外，還需考慮製程設備、製程參數及廢料回收流程變更等問題，故此也成為業界研究的目標。

根據前述，發明人努力研究如何利用類似於目前製作ITO薄膜的濺鍍製程，以一濺鍍靶材經濺鍍形成一製程良率高、品質優良，電阻率高的導電金屬氧化物薄膜，且不需變更目前製程設備與流程。

因此，本發明之目的，即在提供一種經濺鍍而形成高電阻率金屬氧化物的濺鍍靶材。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種高電阻率的金屬氧化物。

於是，本發明濺鍍靶材，包含銦、一第一金屬、一第二金屬，及氧。

基於銦、該第一金屬及該第二金屬的原子總含量100at.%計，銦的原子含量範圍為10至20at.%，該第一金屬 的子含量範圍為60至80at.%，該第二金屬的原子含量範圍為10至20at.%，其中，該第一金屬選自鋅、錫，及此等之組合，該第二金屬選自鋁、鈦，及此等之組合。

較佳地，銦的原子含量範圍為12至18at.%，該第一金屬的原子含量範圍為64至76at.%，該第二金屬的含量範圍為12至18at.%。

較佳地，該第一金屬為錫及鋅，該第二金屬為鋁。

較佳地，該第一金屬中錫的原子含量範圍為10至20at.%。

較佳地，該第一金屬中鋅的原子含量範圍為10至20at.%。

較佳地，該濺鍍靶材包含一成多晶相結構的主成份，及一晶相結構異於該主成份的副成份，且該主成份與該副成份皆具有銦、該第一金屬，及該第二金屬。

較佳地，該副成份中鋁的原子含量百分比大於該主成份中鋁的原子含量百分比。

較佳地，藉由X射線繞射測定，於繞射角為33.0°~35.0°之位置具有繞射波峰。

較佳地，該濺鍍靶材的電阻率大於5×10^-3 Ω-cm，且小於10^-1 Ω-cm。

較佳地，該濺鍍靶材的絕對密度大於6g/cm^-3。

於是，本發明導電金屬氧化物薄膜，由上述的濺鍍靶材經濺鍍所形成。

較佳地，該導電金屬氧化物薄膜在膜厚為100nm時之 電阻值大於10⁶ Ω。

較佳地，該導電金屬氧化物薄膜之電阻率介於0.1 Ω-cm至1 Ω-cm之間。

較佳地，該導電金屬氧化物薄膜之透光率大於85%。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明濺鍍靶材之較佳實施例包含銦、一第一金屬、一第二金屬，及氧，基於銦、該第一金屬及該第二金屬的原子總含量以100at.%計，銦的原子含量範圍為10至20at.%，該第一金屬的原子含量範圍為60至80at.%，該第二金屬的原子含量範圍為10至20at.%，其中，該第一金屬選自鋅、錫，及此等之組合，該第二金屬選自鋁、鈦，及此等之組合，且該第二金屬之氧化物的電阻率高於該第一金屬之氧化物的電阻率。

將該較佳實施例在一濺鍍機台的腔體中經濺鍍而形成一導電金屬氧化物薄膜時，由於濺鍍是以物理性沉積原理為主的方式形成薄膜，則含有銦、該第一金屬、該第二金屬，及氧的該濺鍍靶材所形成之該導電金屬氧化物薄膜也含有銦、該第一金屬、該第二金屬，及氧。

在此還需說明的是，雖然，導電金屬氧化物薄膜的特 性除了受靶材成分組成的影響之外，亦會受濺鍍環境及參數值設定的影響。例如，當於濺鍍的過程中還通入氧氣至該濺鍍機台的腔體中時，氧氣也會視環境(例如腔體的溫度或腔體的壓力或腔體中的氧氣含量)而與該濺鍍靶材的金屬成份反應，進而影響導電金屬氧化物薄膜的特性。但濺鍍環境及參數值設定對導電金屬氧化物薄膜電阻率的影響通常限制在一範圍之內，並沒有辦法在適當的濺鍍條件下得到穩定的高電阻值ITO薄膜或銦鋅錫氧化物薄膜。因此，較佳的方式仍然必須採用適當成份及組成比例之金屬氧化物靶材以得到高電阻率之導電金屬氧化物薄膜。

該較佳實施例之該第二金屬的原子含量為10至20at.%，則經濺鍍製程後所形成的導電金屬氧化物薄膜的成份也含有該第二金屬，且該導電金屬氧化物薄膜的電阻值大於相同厚度之ITO薄膜的片電阻，也大於相同厚度之銦鋅錫氧化物薄膜的片電阻；再者，其透光率仍與目前銦鋅錫氧化物薄膜之透光率相當。具體地說，當該導電金屬氧化物薄膜在膜厚為100nm時，其電阻值大於10⁶ Ω，且平均透光率大於85%。

且還需提出來說明的是，該較佳實施例所形成之導電金屬氧化物薄膜的電阻率大於銦鋅錫氧化物薄膜的電阻率的其中一個原因為：加入預定濃度的鋁原子或鈦原子與銦鋅錫形成電阻率較高的化合物，因而降低電子移動率，而提升電阻率。

特別的是，若該較佳實施例之該第二金屬的原子含量 小於10at.%，則經濺鍍製程後易形成該第二金屬的原子含量過低的導電金屬氧化物薄膜；以鋁作為該第二金屬舉例作說明，當一導電金屬氧化物薄膜中的鋁含量過低時，鋁原子佔據原鋅或銦的晶格位置而產生取代效應，因而增加氧化物中的載子濃度，導致導電金屬氧化物薄膜之導電率上升。

除此之外，若該較佳實施例之該第二金屬的原子含量大於20at.%，其材料中絕緣性高的氧化鋁或氧化鈦含量過高，將致使經濺鍍所形成之導電金屬氧化物薄膜的電阻值過高而導電能力不足。

更精確地，該較佳實施例之銦的含量範圍為12至18at.%，該第一金屬的原子含量範圍為64至76at.%，該第二金屬的原子含量範圍為12至18at.%。

且較佳地，該第一金屬為錫及鋅，該第二金屬為鋁，且鋅的原子含量範圍為10至20at.%，或錫的原子含量範圍為10至20at.%，皆進而可使經濺鍍而形成之導電金屬氧化物薄膜在膜厚為100nm時之電阻值大於5×10⁶ Ω，且在波長範圍為300至1300nm的光線照射時之透光率大於87%。

更佳地，該較佳實施例含有一主成份，及一晶格結構異於該主成份的副成份，該主成份與該副成份皆含有銦、該第一金屬，及該第二金屬。該副成份中該第二金屬的原子含量百分比大於該主成份中該第二金屬的原子含量百分比，推測該副成份中含有電阻率較高的化合物；此處所稱之原子含量百分比亦分別基於主成份或副成份中的銦、該 第一金屬，及該第二金屬的原子總含量以100at.%計。

較佳地，該濺鍍靶材的電阻率大於5×10^-3 Ω-cm，且小於10^-1 Ω-cm，以確保濺鍍製程可以在直流濺鍍下進行。

以下，將以第一金屬為錫及鋅，且第二金屬為鋁，詳細說明本發明濺鍍靶材之較佳實施例的製作方法。

首先，分別準備純度大於99.9%的一氧化銦粉末、一氧化鋅粉末、一氧化錫粉末，及一氧化鋁粉末。

接著，進行一球磨步驟，先將該氧化銦粉末、該氧化鋅粉末、該氧化錫粉末，及該氧化鋁粉末混合而成一混合粉末，並置入一球磨機中，再於該球磨機中加入多數個氧化鋯球，而後，令該等氧化鋯球與該混合粉末連續球磨8小時以上，再將球磨後的混合粉末與該等氧化鋯球分離。

再來，進行一造粒步驟，以噴霧乾燥的方式將球磨後的混合粉末形成粒徑範圍為20至100μm的一造粒粉。

繼續，進行一成型步驟，準備一塗有一脫膜劑的模具，並置入該造粒粉，再於一壓力範圍為200至1200kg/cm³，且溫度範圍為30至50℃的環境壓製，而得到一相對密度範圍為50至65%的生胚靶材。

接著，進行一燒結步驟，將該生胚靶材置於一通入有氧氣的高溫燒結爐中，再以範圍為1300至1600℃的溫度燒結形成本發明濺鍍靶材之該較佳實施例。

最後，還可視需求進行一整型步驟，對該較佳實施例進行切割，而成預定的尺寸，並進行表面研磨，使表面光滑且平整。

接下來，為本發明濺鍍靶材的具體例與比較例，及其所形成之導電金屬氧化物薄膜的成份比例及特性之量測與分析。

《量測與分析》 [具體例1]

該具體例1以上述該較佳實施例之製作方法所製得，採用19.2克純度大於99.9%的氧化銦粉末、11.3克氧化鋅粉末、62.5克氧化錫粉末，及7.0克氧化鋁粉末。當以銦、鋅、錫、鋁的原子含量為100at.%計，該具體例1之銦的原子含量為16.7at.%，鋅的原子含量為16.7at.%，錫的原子含量為50at.%，且鋁的原子含量為16.7at.%。(上述是分別將原子含量值四捨五入至小數點以下第1位表示)

繼續，將該具體例1作為濺鍍製程用之靶材，於功率密度為3W/cm²、溫度控制在室溫、通入流速實質為70sccm的氬氣及流速實質為4sccm的氧氣，及工作壓力為3.5mTorr的腔體環境，在一與該靶材間隔之基板上濺鍍形成一薄膜，並再濺鍍後以200℃回火，而製得一由該具體例1所形成之導電金屬氧化物薄膜。

[具體例2]

該具體例2以類似該具體例1之製作方法所製得，採用23.7克純度大於99.9%的氧化銦粉末約、41.8克氧化鋅粉末、25.8克氧化錫粉末，及8.7克氧化鋁粉末。當以銦、鋅、錫、鋁的原子含量為100at.%計，該具體例1之銦的原子含量為16.7at.%，鋅的原子含量為50at.%，錫的原子含量 為16.7at.%，且鋁的原子含量為16.7at.%。(上述是分別將原子含量值四捨五入至小數點以下第1位表示)

繼續，將該具體例2作為濺鍍製程用之靶材，經類似於該具體例1所經之濺鍍製程，而形成一薄膜，並再濺鍍後以280℃回火，而製得一由該具體例2所形成之導電金屬氧化物薄膜。

[比較例1]

該比較例1以類似該具體例1之製作方法所製得，其不同處在於是分別準備73.2克純度大於99.9%的氧化銦粉末、9.8克氧化鋅粉末，及17.0克氧化錫粉末。

繼續，將該比較例1作為濺鍍製程用之靶材，經類似於該具體例1所經之濺鍍製程，而形成一薄膜，並再濺鍍後以280℃回火，而製得一由該比較例1所形成之導電金屬氧化物薄膜。

[比較例2]

該比較例2以類似該具體例1之製作方法所製得，其不同處在於是分別準備90克純度大於99.9%的氧化銦粉末10克氧化錫粉末。

繼續，將該比較例2作為濺鍍製程用之靶材，經類似於該具體例1所經之濺鍍製程，而形成一薄膜，並再濺鍍後以280℃回火，而製得一由該比較例2所形成之導電金屬氧化物薄膜(也就是ITO薄膜)。

[比較例3]

該比較例3以類似該具體例1之製作方法所製得，其 不同處在於是分別準備98克純度大於99.9%的氧化鋅粉末，及2克氧化鋁粉末。

繼續，將該比較例3作為濺鍍製程用之靶材，經類似於該具體例1所經之濺鍍製程，而形成一薄膜，並再濺鍍後以170℃回火，而製得一由該比較例3所形成之導電金屬氧化物薄膜(也就是AZO薄膜)。

有關成份比例與特性之量測結果，分別列示如表1。

需先敘明的是，表1中電阻的量測條件是固定具體例與比較例之膜厚皆為100nm；再者，具體例1及具體例2電阻值較高，已超過四點探針之電阻量測方式的量測範圍，而無法以四點探針量測薄膜之電阻，故採用高阻計量測。此外，由於表1所列之電阻是在膜厚100nm的條件下量測，電阻率則是將電阻之量測值乘以薄膜厚度換算而得；透光率是在膜厚100nm且受波長範圍為300至1300nm的光 線照射時量測得到的結果。

首先，由具體例1與具體例2形成之導電金屬氧化物薄膜的電阻值可以瞭解，當該濺鍍靶材的第一金屬為鋅與錫，該第二金屬為鋁時，所形成之導電金屬氧化物薄膜的電阻值遠高於僅由銦鋅錫氧化物靶材、銦錫氧化物靶材，及鋅鋁氧化物靶材(即分別為比較例1、2及3)所形成之導電金屬氧化物薄膜的片電阻；此表示當銦的原子含量範圍在12至18at.%，該第一金屬的原子含量範圍在64至76at.%，且該第二金屬的原子含量範圍在12至18at.%時，特別可將該濺鍍靶材所形成之導電金屬氧化物薄膜的電阻率提升至一預定範圍。且由比較例3的量測結果可以瞭解，該濺鍍靶材中之鋁的原子含量小於10at.%，則其所形成之導電金屬氧化物薄膜的鋁的原子含量也太低，無法有效提升電阻率；再由比較例1與比較例2可以瞭解，該濺鍍靶材僅有銦、鋅及/或錫時，即便調整銦及該第一金屬間的比例關係，仍無法形成電阻率高之導電金屬氧化物薄膜。

其次，由表1可以瞭解，本發明具體例1與具體例2經濺鍍所形成之導電金屬氧化物薄膜的透光率仍大於85%，而與比較例1、2、3經濺鍍所形成之導電金屬氧化物薄膜的透光率相當。

參閱圖1、圖2，為具體例1濺鍍靶材以掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，以下簡稱SEM)進行電子束掃描該較佳實施例的表面並分析背向散射電子所產生的訊號圖(back-scattering electron，以下簡稱BSE)，由 圖式可以瞭解，具體例1同時包括一主成份(淺色處)，及一晶相結構異於該主成份的副成份(深色處)。

參閱圖3，由能量散射光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，以下簡稱EDS)分析圖可以瞭解，基於具體例1的主成份之銦、鋅、錫及鋁之原子含量以100at.%計，銦的原子含量為18.58at.%，鋅的原子含量為14.82at.%，錫的原子含量為61.6at.%，且鋁的原子含量為5.00at.%，也就是該主成份之第一金屬的原子含量為76.42at.%，且該第二金屬的原子含量為5.00at.%；基於具體例1的副成份之銦、鋅、錫及鋁之原子含量以100at.%計，銦的原子含量為3.4at.%，鋅的原子含量為31.12at.%，錫的原子含量為6.03at.%，且鋁的原子含量為59.45at.%，也就是該副成份之第一金屬的原子含量為37.15at.%，且該第二金屬的原子含量為6.03at.%。

參閱圖4，由EDS分析圖可以瞭解，基於具體例2的主成份之銦、鋅、錫及鋁之原子含量以100at.%計，銦的原子含量為18.42at.%，鋅的原子含量為57.89at.%，錫的原子含量為19.01at.%，且鋁的原子含量為4.68at.%，也就是該主成份之第一金屬的原子含量為76.9at.%，且該第二金屬的原子含量為4.68at.%；基於具體例2的副成份之銦、鋅、錫及鋁之原子含量以100at.%計，銦的原子含量為9.02at.%，鋅的原子含量為42.82at.%，錫的原子含量為9.03at.%，且鋁的原子含量為38.86at.%，也就是該副成份之第一金屬的原子含量為52.12at.%，且該第二金屬的原子含量為 38.86at.%。

參閱圖5，由X射線繞射儀(X-ray diffraction，以下簡稱XRD)量測圖可以瞭解，具體例1為多晶相結構，且分別於繞射角為25.5°至26.5°、30.5°至31.5°、33.0°至34.0°，及51.0°至52.0°時可以觀測到繞射波峰。

參閱圖6，由XRD量測圖可以瞭解，具體例2為多晶相結構，且分別於繞射角為16°至18°、28.5°至29.5°、33.5°至34.5°、35.5°至36.5°、41°至42°、54.5°至55.5°，及60°至61°時可以觀測到繞射波峰。

綜上所述，本發明濺鍍靶材含有銦、該第一金屬、該第二金屬，及氧，且該第二金屬的原子含量為10至20at.%，而供經濺鍍所形成之導電金屬氧化物薄膜在膜厚等同於現有之ITO薄膜或銦鋅錫氧化物薄膜之膜厚，其電阻率高於ITO薄膜或銦鋅錫氧化物薄膜之電阻率，且透光率仍高於85%，適合應用於光電元件，例如觸控面板與觸控感測器，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

圖1是具體例1濺鍍靶材以掃瞄式電子顯微鏡進行電子束掃描該較佳實施例的表面並分析背向散射電子所產生的訊號圖； 圖2為圖1的局部放大圖；圖3是一具體例1的能量散射光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，以下簡稱EDS)分析圖；圖4是一具體例2的EDS分析圖；圖5是一具體例1的X射線繞射儀(X-ray diffraction，以下簡稱XRD)量測圖；及圖6是一具體例2的XRD量測圖。

Claims (13)

1. 一種濺鍍靶材，包含：銦、一第一金屬、一第二金屬，及氧，基於銦、該第一金屬及該第二金屬的原子總含量以100at.%計，銦的原子含量範圍為10至20at.%，該第一金屬的原子含量範圍為60至80at.%，該第二金屬的原子含量範圍為10至20at.%，其中，該第一金屬選自鋅、錫，及此等之組合，該第二金屬選自鋁、鈦，及此等之組合。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之濺鍍靶材，其中，銦的原子含量範圍為12至18at.%，該第一金屬的原子含量範圍為64至76at.%，該第二金屬的原子含量範圍為12至18at.%。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之濺鍍靶材，其中，該第一金屬為錫及鋅，該第二金屬為鋁。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之濺鍍靶材，其中，錫的原子含量範圍為10至20at.%。
5. 依據申請專利範圍第3項所述之濺鍍靶材，其中，鋅的原子含量範圍為10至20at.%。
6. 依據申請專利範圍第3項所述之濺鍍靶材，其中，該濺鍍靶材包含一成多晶相結構的主成份，及一晶相結構異於該主成份的副成份，且該主成份與該副成份皆具有銦、該第一金屬，及該第二金屬。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之濺鍍靶材，其中，該副成份中鋁的原子含量百分比大於該主成份中鋁的原子含 量百分比。
8. 依據申請專利範圍第3項所述之濺鍍靶材，其中，藉由X射線繞射測定，於繞射角為33.0°~35.0°之位置具有繞射波峰。
9. 依據申請專利範圍第3項所述之濺鍍靶材，其中，該濺鍍靶材的電阻率大於5×10^-3 Ω-cm，且小於10^-1 Ω-cm。
10. 依據申請專利範圍第3項所述之濺鍍靶材，其中，該濺鍍靶材的絕對密度大於6g/cm^-3。
11. 一種導電金屬氧化物薄膜，由上述第1~10項其中任一項的濺鍍靶材經濺鍍所形成。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之導電金屬氧化物薄膜，其中，該導電金屬氧化物薄膜之電阻率介於0.1 Ω-cm至1 Ω-cm之間。
13. 依據申請專利範圍第11項所述之導電金屬氧化物薄膜，其中，該導電金屬氧化物薄膜之透光率大於85%。