氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)是目前平面顯示器和觸控面板的主要透明導電膜材料。ITO的原料銦屬於稀有金屬，其地殼蘊藏量為0.00001%，排名第68。隨著液晶電視和觸控面板尺寸和數量的快速增加，銦的長期來源穩定性也日益受到重視，加上銦的全球蘊藏量又集中在少數幾個國家(如表一)，身為ITO主要使用國而且缺乏天然資源的日本，很早就針對這個問題進行研究。其經濟產業省NEDO計畫中的「稀少金屬代替材料開發」計畫，便是以「將透明電極的銦用量減少一半以上」為目標。
二、氧化鋅透明導電膜的潛力與挑戰
與ITO同樣屬於透明導電氧化物(Transparent Conducting Oxide, TCO)的材料中，最有可能取代ITO的是氧化鋅(ZnO)系列。ZnO具有幾個優點：(1)鋅的資源豐富，價格遠低於銦，而且沒有毒性。(2)結晶溫度低，可以在200℃左右形成結晶膜。(3)低電阻，AZO(Al-doped ZnO)和GZO(Ga-doped ZnO)都能達到2×10-4 Ω-cm程度的電阻率。(4)高穿透率，在相同的膜厚下，ZnO的穿透率高於ITO。(5) ZnO的抗還原性佳，很適合用於薄膜矽太陽電池的透明電極。
液晶顯示器(LCD)中的透明電極，可以分為薄膜電晶體陣列(TFT array)側的畫素(pixel)電極與RGB彩色濾光片(CF)側的共通電極。LCD的透明電極必須滿足幾個條件：(1)成膜溫度低於250 ℃。(2)片電阻小於30Ω/□並且在550 nm的穿透率大於80%。(3)與基材的附著性優良並且沒有裂縫。(4)圖案化(patterning)的能力佳。如果要將ZnO透明導電膜用在LCD上，除了必須滿足上述條件之外，還有一個最重要的先決條件，那就是「製作面積夠大、性質夠均勻的透明導電膜」。這是ZnO薄膜面臨的第一個挑戰。
圖一、陽極電弧放電離子鍍膜示意圖
四、LCD的ZnO透明電極開發近況
日本高知工科大學的山本哲也(Tetsuya Yamamoto)教授團隊，利用上述的離子鍍膜技術(稱為Reactive Plasma Deposition, RPD)開發LCD用的ZnO透明電極。其團隊成員除了高知工科大學之外，還有Geomatec(鍍膜技術)、Hakusuitech(原材料)、Mitsubishi Gas Chemical(蝕刻技術)與Sharp及Casio(面板製作)。
山本團隊在2004年六月首次發表，利用RPD可以在厚度0.7 mm的TFT等級無鹼玻璃上製作1公尺見方的GZO薄膜。基板溫度為200 ℃，GZO薄膜厚度為180 nm，其載子濃度為9×1020 cm-3，載子遷移率為24 cm2/V-s，而電阻率為2.8×10-4 Ω-cm，可見光範圍的穿透率在80%以上。在1公尺見方的區域中，膜厚、載子濃度、遷移率和電阻率的分布分別在±5%以內、±8%以內、±7%以內和±5%以內。最佳的Ga含量為3 wt.%，至於成膜粒子的能量，在40 eV以下。
以RPD製作的GZO薄膜，當膜厚為150~160 nm時，如果基材是CF基板(不加熱)，片電阻是30Ω/□(左右；基材是無鹼玻璃時，片電阻是20 Ω/□(基板溫度150 ℃)到25Ω/□(基板不加熱)。
近來山本教授發表用RPD與磁控濺鍍製作GZO薄膜的結果比較，如表二所示，可以看出離子鍍膜用於GZO成膜的優異之處；其中的比較基準為基板溫度180 ℃，薄膜厚度為150 nm。
要製作LCD透明電極，必須有適當的蝕刻技術。ZnO在溶液中的反應和pH值有很大的關係：
在酸中： ZnO + 2H＋→ Zn2＋ + H2O
在鹼中： ZnO + H2O + 2OH－→ [Zn(OH)4]2－
100 nm的ZnO薄膜，如果放入極端的室溫鹼性溶液(5wt.% NaOH, pH 14)中，1分鐘之後會完全溶解；如果是極酸性溶液(5wt.% H2SO4, pH 0)則只需要3秒。選擇適當的弱酸性(pH 5.5~6.8)蝕刻液，可以成功地製作3μm/3μm(線寬/線距)的GZO圖案。
五、塑膠基材上的GZO薄膜
山本團隊也在塑膠基材上進行GZO薄膜的RPD試作，其結果發表於2010年7月的國際研討會AM-FPD 10(東京工業大學)。基材是3 mm厚的cycloolefin polymer，成膜的基板溫度低於100℃，GZO的最大膜厚為100 nm。GZO薄膜的電阻率可到達10 -4 Ω-cm的等級，可見光穿透率在80%以上；電阻率雖然比ITO---本文節錄自「材料最前線」專欄，完整資料請見下方附檔。
作者：材網編輯室/工研院材化所
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