近年來隨著液晶顯示器與太陽能電池的發展，使得透明導電薄膜成為關鍵性材料之一。因此，如何降低透明導電薄膜材料成本與提高薄膜材料的性能為目前的首要目標。所以在美國、歐洲與亞洲的研究學者都急欲發展出新一世代的透明導電薄膜材料。目前有幾種因素在加速驅動這新世代透明導電薄膜的誕生。首先是由於目前所常用的ITO透明導電薄膜材料其主要是應用在液晶顯示器與太陽能電池上，但近年來液晶顯示器與太陽能電池的需求大增。此外，觸控面板的成長性亦相當可觀。富士總研估計觸控面板2006年全球產值25.4億美金，2007年已達27億美金。此一新興電子產業的發展亦助長了ITO薄膜的使用，因而造成銦的價格在過去的三年中大幅成長，目前銦的價錢已經超過600 USD/kg。因此開發具透光、導電特性之「非銦」材料，或許是解決銦供給不足的方法之一。這些因素促使發展新型之透明導電薄膜技術與材料，成為近年來眾多研究學者所欲突破的目標。
AZO(氧化鋁鋅)透明導電薄膜特性
氧化鋅（Zinc Oxide, ZnO）屬於N型Ⅱ－Ⅵ族半導體材料，其結構為Wurzite hexagonal structure，屬於六方最密堆積。氧化鋅具有高熔點（1975℃）和極佳熱穩定性，能溶於酸鹼，但不溶於水及酒精。氧化鋅光學能隙約為3.3 eV，大於可見光的能量，因此於可見光範圍內具有高穿透率。氧化鋅電阻值高，具有壓電效應，傳統應用於壓電材料上，另外亦可應用於表面聲波元件或是UV光發射器材料等。氧化鋅其電子傳導是由化學劑量比的偏差所產生的，由氧空缺（oxygen vacancies）及間隙型鋅原子（interstitial znic）之淺層受體能階（shallow donor levels）提供，氧化鋅的電阻較高，因此一般於透明導電薄膜的應用上，則會將其摻雜Ш族元素（鋁、鎵、銦等），使其導電特性提高，同時也增加其高溫穩定性。因此提供適當量摻雜量的鋁，能夠使氧化鋅的導電性變佳。
由於AZO透明導電薄膜其價格較為低廉，且不具毒性。因此在發展上具相當之優異性。因此，沉積AZO薄膜技術的發展也相當多元化，目前沉積此薄膜主要有下列幾種技術：
脈衝雷射蒸鍍(Pulsed Laser Deposition；PLD)
一般在鍍製ITO透明導電薄膜時，其最佳之靶材比例為5-10 % 的SnO2掺雜至 In2O3。但在AZO薄膜材料中其最佳之鋁之掺雜比例<5%，因此就AZO薄膜而言，所摻雜金屬元素的含量控制是相當重要的。PLD之實驗技術可確保薄膜成分與靶材成分比例的一致性。因此，將靶材比例控制在2-5%(Al:ZnO)來成長AZO薄膜，其薄膜的製程溫度為400℃，真空腔體的氧分壓為~10-3 Torr。
圖一、不同鋁含量下，AZO薄膜之電阻率與載子濃度之關析圖
(Ref: J. Crystal Growth 294 (2006) 427)
圖一顯示在不同鋁含量下，AZO薄膜的電阻率與載子濃度之關析圖。相較於只有ZnO時，載子濃度隨著Al含量的加入而增加至少兩個級數以上。但隨著鋁的含量增加超過2%以上，其載子濃度之大小又隨之下降。在2 %鋁的摻雜中其載子濃度之最大值為8×1020 cm-3。但在電阻率之特性方面受到兩種機制之影響，載子濃度(摻雜離子濃度)與霍爾移動率(氧的缺陷)。但此研究的氧分壓為一固定值，因此在霍爾移動率對電阻率的影響應該是有限的。在不同鋁含量時，AZO薄膜之最低電阻率~6×10-4Ω-cm也出現在鋁含量2%時。超過2%的鋁含量時，反而造成其電阻率的上升，其原因是過多的鋁造成其電子的傳遞被限制住了，亦或是過多的鋁含量造成AZO薄膜結構的缺陷，而使的鋁的化學劑量比並非以氧化鋁的方式存在，因而造成此AZO薄膜電阻率的增加，而在光穿透率方面其AZO薄膜在可見光區約是~80%。
RF磁控式濺鍍法
在製作AZO薄膜方面，以磁控式濺鍍還是較有機會達到量產規模。因此，眾多研究學者均在評估其大面積鍍膜之可行性，但其結果發覺在AZO薄膜電阻率的分布會與位置有極大的關析。因此，造成薄膜電阻率之分布不均。
圖二、靶材位置與基材電性之關析圖
(Ref: Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) L409)
圖二顯示，在靶材為直徑10 cm時，其薄膜電阻率分佈與靶材之關析圖。其結果顯示在靶材中央的位置其電阻率在製程溫度是200℃的電阻率是5×10-4Ω-cm，但在靶材兩側其電阻率就隨之增高，其電阻率之最大值為2×10-3Ω-cm，其薄膜電阻率的分佈是不均勻的，此結果會造成AZO薄膜在應用時受到限制。但當在製程中加入氫氣可以有效的降低的薄膜之電阻率與提高薄膜電阻率之均勻性。
高能離子電漿法
高能離子電漿的製程是使用陰極電弧(Cathodic arc)技術將欲鍍的AZO材料，從靶源蒸發出來，並經由靶源前方的高密度電漿區，將蒸發出來未解離的中性原子解離，而在基材表面形成AZO薄膜。靶源所使用的電源輸出為ㄧ低電壓(~20 V)與電流從數十安培至一百安培左右。因此，陰極弧斑所產生之電漿會快速地擴散至真空腔體內，其電漿所產生之離子速率約可達到1-2×104 m/s，也就是所產生之電漿粒子具備高能量之特性，使得利用陰極電弧離子之技術所成長之薄膜具備不同的特性。此高能離子電漿技術可產生高動能離子與完全游離化之優點。高離子動能可降低薄膜形成結晶化時所須之高沉積溫度；高離化率之電漿可避免薄膜組成與靶材成分產生偏析。此高能量之離子電漿可使解離的粒子產生10~45 eV的離子動能。因此有機會降低薄膜製程溫度與提高薄膜的沉積速率與大面積製程之可行性。目前本實驗室在AZO薄膜的研究方面已可在製程溫度在100℃，得到電阻率約1×10-3Ω-cm，而光穿透率在可見光區為>80%之透明導電薄膜材料(圖三)。在這樣的製程溫度下，對於一些軟性電子元件的應用是相當具有潛力的。
圖三、高能離子電漿技術沈積AZO薄膜之光穿透率比較圖
未來發展與應用
對於AZO薄膜材料與其製程技術的研發，目前引起大家廣泛之重視，雖然目前AZO薄膜之特性上仍然與ITO薄膜有些差距，但若能尋找出AZO薄膜可應用之產品，ㄧ方面不僅可降低製造成本，更可降低對ITO薄膜的依賴。因此，在目前新興的產業中，以AZO薄膜取代ITO薄膜材料在觸控面板與太陽能電池上最具潛力。在觸控面板的應用上，其目前所需求之透明導電薄膜的片電阻約為300~700Ω/□，以AZO薄膜之特性而言，並不難達到此規格要求。另外，在薄膜太陽能電池CIGS方面其最上層之透明導電薄膜，在考慮到與其它膜層的附著性與轉換效率上仍以AZO薄膜的效能為佳。此二項新興產業對製程技術之需求為低溫製程與高薄膜沉積速率。如能利用高能離子電漿製程技術的優點，發揮其低溫製程與高沉積速率之特性，將對新的導電薄膜材料與製程技術的發展產生一重大影響。
作者：吳金寶/工研院材化所
出處：材料最前線/材料世界網