1-2研究動(dòng)機(jī)與目的

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1-2研究動(dòng)機(jī)與目的目前已有許多產(chǎn)業(yè)紛紛投入將塑膠基板取代傳統(tǒng)的玻璃基板以提高電子產(chǎn)品研發(fā)和製作的可撓性(flexibility)o因?yàn)樗苣z基板相較於玻璃材料其本身具有更高的耐衝擊性(impactresistance),對(duì)於產(chǎn)品可以在使用上帶來(lái)更高的安全性，因此包括交通運(yùn)輸、汽車工業(yè)、建築物外牆釉料和可撓性光電元件等皆有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。塑膠基板在建築業(yè)的應(yīng)用方面，將亮光釉料鍍製於塑膠基板或傳統(tǒng)玻璃，其相較下能達(dá)到降低重量和提供更多元的設(shè)計(jì)自由度於複雜形狀產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。此外塑膠基板在平面顯示器、照明產(chǎn)品與能源應(yīng)用方面，其可以開(kāi)發(fā)更多的次世代新產(chǎn)品，如具有可撓曲性的液晶/有機(jī)電激發(fā)光二極體(LCD/OLED)顯示器、可撓性O(shè)LED照明器材和可撓性太陽(yáng)能電池板等。這類以塑膠材料為基板的顯示器或光電產(chǎn)品製作上，配合捲曲式(roll-to-roll)鍍膜製程，即可以進(jìn)行量產(chǎn)性製作和大面積鍍膜，以降低生產(chǎn)成本，最後達(dá)到製作使用大量的可拋棄式消費(fèi)性電子產(chǎn)品。相較之下，目前以玻璃材料為基板的顯示器產(chǎn)業(yè)，為了因應(yīng)市場(chǎng)需要和示器經(jīng)濟(jì)切割尺寸，每當(dāng)進(jìn)入另一個(gè)新產(chǎn)品世代，在製程上皆要投入相當(dāng)高額的生產(chǎn)設(shè)備和足夠的廠房空間。 近年來(lái)，氧化鋅材料取代錮錫氧化物(ITO)材料做為透明導(dǎo)電薄膜電極的研究漸趨熱絡(luò)。推究其原因，主要是因?yàn)镮TO的價(jià)格較為昂貴，並且本身具有毒性，會(huì)造成人體與環(huán)境的傷害。純氧化鋅薄膜其電阻值相當(dāng)高，在室溫下幾乎絕緣，為了提升氧化鋅薄膜的導(dǎo)電性通常藉由摻雜鋁、錶、欽等，所摻雜的異價(jià)元素以取代鋅的晶格位置,並且提供自由電子，有效的提高載子濃度進(jìn)而提高ZnO薄膜的導(dǎo)電性，但並非所有的摻雜元素皆能形成這種置換型態(tài)，也有可能以中性原子存在晶格中或晶界及表面上，導(dǎo)致無(wú)法提供有效的自由電子，因此在選擇摻雜元素時(shí)，必需考慮其離子半徑應(yīng)小於且接近鋅離子半徑，且不與氧化鋅反應(yīng)成次要化合物。本實(shí)驗(yàn)選擇以鋁作為摻雜的元素其優(yōu)點(diǎn)為(1)資源豐富、無(wú)毒性、低成本、高化學(xué)穩(wěn)定性。(2)AZO薄膜電阻率已有10_4Q-cm與可見(jiàn)光穿透率達(dá)到85%的水準(zhǔn)(3)鋁以三價(jià)的形式存在，當(dāng)A1摻雜ZnO時(shí)，因AF+離子會(huì)比Zn2+離子多出一個(gè)電子，故可提供一個(gè)自由電子增加其導(dǎo)電性。而其化學(xué)式則為[8]:A12O32A1罷+20：+0；+2因此摻入鋁原子後的AZO薄膜其晶格結(jié)構(gòu)仍與未摻雜的氧化鋅薄膜相同，其次，摻入的鋁原子如果能有效取代鋅原子的位置，則能夠提供自由載子，提高載子濃度，降低其電阻率，且摻雜A1後，鋁原子會(huì)與氧原子形成AI2O3,而AI2O3可使其透光性增加。但摻雜過(guò)量的鋁可能造成部份的鋁原子佔(zhàn)據(jù)晶格結(jié)構(gòu)中之間隙位置而使結(jié)晶形，導(dǎo)致載子遷移率(Mobility)T降，因此鋁摻雜必需有一適當(dāng)量。表1?2為各種不同元素?fù)诫s氧化鋅，電阻率與載子濃度的整理 表1?2各種不同元素?fù)诫s氧化鋅，電阻率與載子濃度的整理[9] DopantDopingcontentResistivityCamerConcentration(at.%)(10'4Q-cm)(1020cm-3)Al1.6-3.21.315.0Ga1.7-6.11.214.5B4.62.05.4Y2.27.95.8In1.28.13.9Sc2.53.16.7Si8.04.88.8Ge1.67.48.8Ti2.05.66.2Zi5.45.25.5Hf4.15.53.5F0.54.05.0為了得到更好的薄膜導(dǎo)電性與光穿透性，本研究結(jié)合金屬氧化物薄膜與金屬薄膜的優(yōu)缺點(diǎn)，將兩種薄膜堆疊成三明治結(jié)構(gòu)，形成金屬氧化物/金屬/金屬氧化物的透明導(dǎo)電膜。針對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)，探討金屬薄膜的厚度與不同金屬對(duì)透光性及電阻率的影響。在金屬的選擇上,由於導(dǎo)電率高的Ag、Cu和Al活性大，其中雖以Ag的導(dǎo)電性最好，但也最不穩(wěn)定[10,11],三明治結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜中，即使有上下兩層氧化物薄膜的保護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間暴露在潮濕的環(huán)境中容易氧化而使得Ag薄膜產(chǎn)生黑點(diǎn)。本研究利用雙靶式磁控濺鍍系統(tǒng)配合基板旋轉(zhuǎn)來(lái)沈積AZO/metal/AZO多層結(jié)構(gòu)(multilayerstructure),在材料的選擇上以 銅、鉗、作為金屬薄膜,平兩種金屬的導(dǎo)入對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及光電性質(zhì)的研究。表1?3為常見(jiàn)光學(xué)塑膠與玻璃之特性比較，可選用作為濺鍍基板的塑膠材料有很多種，文獻(xiàn)指出如PC、PET、PES、PMMA等透明塑膠材料均被研究應(yīng)用於濺鍍透明氧化物的基板表1?3常見(jiàn)光學(xué)塑膠與玻璃之特性比較項(xiàng)目GlassPCPETPESPMMA上匕重(g/cm2)2.21.21.331.31.2吸水率(24hr%)—0.20.080.20.1可見(jiàn)光穿透率(％)10090889092熔點(diǎn)(9)1650220250210160連續(xù)耐熱溫度(°C)-11012018060?99熱變形溫度(°C)-14810019080?90抗拉強(qiáng)度MPa■65678870折射率(%)1.421.591.651.651.46以表1?1來(lái)比較四種塑膠基板熔點(diǎn)最高為PET,但PET吸水率卻遠(yuǎn)低於PC、PES、PMMA,且熱變形溫度與連續(xù)耐熱溫度比其他三者要來(lái)的 低，這會(huì)使製程中的加熱過(guò)程或?yàn)R鍍過(guò)程產(chǎn)生的熱能造成基板扭曲,進(jìn)而影響薄膜性質(zhì)。PET塑膠基板是開(kāi)發(fā)最早、產(chǎn)量最大、產(chǎn)品最多元化的聚合物且擁有良好的耐化學(xué)性、低吸水率和高可見(jiàn)光穿透率的特性，折射率約為1.6,可見(jiàn)光區(qū)的穿透率約89?90%。耐熱溫度為120°C左右，特殊的PET更可忍受230°C左右的高溫，一般在光學(xué)方面的應(yīng)用上其厚度約為100?150呵不等。而PC具可撓性、抗衝擊、阻燃、折射率高、加工性能佳、可吸收紅外線光譜、在常溫下有良好的機(jī)械性能下表1?4[12]為製程特性比較，由於本實(shí)驗(yàn)採(cǎi)用塑膠基板，故不能採(cǎi)用高溫製程，且CVD為高溫製程設(shè)備較電漿濺鍍法昂貴,所以本實(shí)驗(yàn)選用電漿濺鍍法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表1?4各種製程特性比較圖製程法腔體溫度沉積速度重複性導(dǎo)電性均勻性成本光穿透率CVD高快中中佳中中噴霧熱解高快差中中低中電漿濺鍍低慢佳最佳最佳高最佳離子束濺鍍低慢佳最佳最佳高最佳熱蒸鍍高快中中中中中 此外本實(shí)驗(yàn)在濺鍍過(guò)程中採(cǎi)用基板旋轉(zhuǎn),採(cǎi)用基板旋轉(zhuǎn)是因?yàn)楫?dāng)濺鍍功率過(guò)高時(shí)，粒子能量過(guò)大，會(huì)有濺鍍時(shí)產(chǎn)生高溫的缺點(diǎn)，基板旋轉(zhuǎn)可以讓薄膜有充足的時(shí)間進(jìn)行熱傳遞，另一方面還可以使薄膜較均勻，雖然會(huì)使得濺鍍時(shí)間比直接濺鍍慢，但是可以具有一次可以濺鍍大量試片的優(yōu)點(diǎn)。在製程條件方面,藉著AZO靶材的濺鍍時(shí)間，得到AZO較佳的電性與光穿透率，再改變不同金屬與金屬濺鍍時(shí)間，探討其性質(zhì)(如結(jié)構(gòu)、電性、光穿透率…)之變化，而探討性質(zhì)是藉由多晶薄膜X光繞射儀(Rigaku18KwRotatingAnodeX-rayGeneraror,XRD)7解薄膜結(jié)構(gòu)及角度偏移的情況；場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微it(FieldEmissionScanningelectronmicroscope,FE-SEM)T解薄膜表面型態(tài)，藉此薄膜表面是否緻密；紫外線/可見(jiàn)光分光光譜儀(HitachiUltraviolet-Visible2008ASpectrophotometer)分析薄膜穿透率,藉此觀察在可見(jiàn)光區(qū)穿透率是否有改善；四點(diǎn)探針(Four-PointProbe)分析薄膜片電阻，期望能對(duì)電性作一詳細(xì)的研究。