溅射靶材及导电金属氧化物薄膜的制作方法
【专利摘要】一种溅射靶材，包含铟、第一金属、第二金属，及氧，基于铟、第一金属及第二金属的原子总含量以100at.%计，铟的原子含量范围为10至20at.%，第一金属的原子含量范围为60至80at.%，第二金属的原子含量范围为10至20at.%，其中，第一金属选自锌、锡，及前述的组合，第二金属选自铝、钛，及前述的组合。本发明还提供利用该溅射靶材经溅射所形成的导电金属氧化物薄膜，该导电金属氧化物薄膜的电阻率高，进而维持该导电金属氧化物薄膜的预定厚度不被缩减且不易破损，有效提高该导电金属氧化物薄膜应用于光电元件的成品率。
【专利说明】溅射靶材及导电金属氧化物薄膜
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种溅射靶材及导电金属氧化物薄膜，特别是涉及一种经溅射而形成电阻率高的导电金属氧化物薄膜的溅射靶材及高电阻率导电金属氧化物薄膜。
【背景技术】
[0002]一导电金属氧化物薄膜通常是利用溅射工序沉积而得，能利用金属或金属合金靶材以反应式溅射的方式制得，也能经溅射一个成分相同的金属氧化物溅射靶材而形成该导电金属氧化物薄膜。
[0003]其中，由于一铟锡氧化物薄膜(下称ITO薄膜)具备优良的导电特性(也就是电阻率低)，且在可见光的照射下透明度也高，所以是发展最为成熟的导电金属氧化物薄膜，亦是光电产业中应用最广泛的导电金属氧化物薄膜，特别是应用作为光电元件的电极层或电流扩散层。
[0004]之后，有学者发现，当该铟锡氧化物薄膜中还含有锌，而形成一铟锌锡氧化物薄膜时，除了维持高导电率的特性外，还在短波长范围的光线的照射下具备更高的透光率。因此，铟锌锡氧化物薄膜也是一种能被应用作为透明导电薄膜(transparent conductingoxide)的导电金属氧化物薄膜。
[0005]随着市面上所需的产品日异多元化，对于导电金属氧化物薄膜的特性的需求也不如以往一味地要求提升导电率，例如，应用于触控面板时，反而需要电阻值相对较高的导电金属氧化物薄膜。而一般主要的做法是薄化ITO薄膜，以提升薄膜的电阻值；然而，一味地减低ITO薄膜厚度的做法,容易产生以下缺点(side effect),例如,薄膜过薄导致破损，或薄膜的厚度不均匀，其将致使电性不稳定，且所制得的光电元件的成品率低落。
[0006]因此，有研究提出:以改变金属元素或组成比例的做法，以相异的导电金属氧化物薄膜取代传统ITO薄膜，而该做法需考虑许多议题，除了该薄膜与其他元件间的相容性是否类似于ITO薄膜与其他元件间的相容性外，还需考虑工序设备、工序参数及废料回收流程变更等问题，所以，此也成为业界研究的目标。
【发明内容】
[0007]根据前述，发明人努力研究如何利用类似于目前制作ITO薄膜的溅射工序，以一溅射靶材经溅射形成一工序成品率高、品质优良，电阻率高的导电金属氧化物薄膜，且不需变更目前工序设备与流程。
[0008]本发明的目的在于提供一种经溅射而形成高电阻率金属氧化物的溅射靶材。
[0009]此外，本发明的另一目的，即在提供一种高电阻率的金属氧化物薄膜。
[0010]本发明溅射靶材，包含铟、一第一金属、一第二金属，及氧。
[0011]基于铟、该第一金属及该第二金属的原子总含量以IOOat.%计，铟的原子含量范围为10至20at.%，该第一金属的原子含量范围为60至80at.%，该第二金属的原子含量范围为10至20at.%，其中，该第一金属选自锌、锡，及前述的组合，该第二金属选自铝、钛，及前述的组合。
[0012]较佳地，前述溅射靶材的铟的原子含量范围为12至18at.%，该第一金属的原子含量范围为64至76at.%，该第二金属的原子含量范围为12至18at.%。
[0013]较佳地，前述溅射靶材的该第一金属为锡及锌，该第二金属为铝。
[0014]较佳地，前述溅射靶材的该第一金属中锡的原子含量范围为10至20at.%。
[0015]较佳地，前述溅射靶材的该第一金属中锌的原子含量范围为10至20at.%。
[0016]较佳地，前述溅射靶材包含一成多晶相结构的主成分，及一晶相结构异于该主成分的副成分，且该主成分与该副成分皆具有铟、该第一金属，及该第二金属。
[0017]较佳地，前述溅射靶材的该副成分中铝的原子含量百分比大于该主成分中铝的原子含量百分比。
[0018]较佳地，前述溅射靶材借由X射线衍射测定，在衍射角为33.0°~35.0°的位置具有衍射波峰。
[0019]较佳地,前述派射祀材的电阻率大于5 X 10_3Ω-cm,且小于ΙΟ^Ω-αιι。
[0020]较佳地，前述溅射靶材的绝对密度大于6g/cm_3。
[0021]本发明导电金 属氧化物薄膜，由上述的溅射靶材经溅射所形成。
[0022]较佳地，前述导电金属氧化物薄膜的该导电金属氧化物薄膜在膜厚为IOOnm时的电阻值大于IO6 Ω。
[0023]较佳地，前述导电金属氧化物薄膜的电阻率介于0.1 Ω -cm至I Ω -cm间。
[0024]较佳地，前述导电金属氧化物薄膜的透光率大于85%。
[0025]本发明的有益效果在于:该溅射靶材所经溅射所形成的导电金属氧化物薄膜的电阻率高，进而维持该导电金属氧化物薄膜的预定厚度不被缩减且不易破损，有效提高该导电金属氧化物薄膜应用于光电元件的成品率。。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图示说明本发明的较佳实施例。
[0027]图1是具体例I溅射靶材以扫描式电子显微镜进行电子束扫描该较佳实施例的表面并分析背向散射电子所产生的信号图；
[0028]图2为图1的局部放大图；
[0029]图3是一具体例I的能量散射光谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,以下简称EDS)分析图；
[0030]图4是一具体例2的EDS分析图；
[0031]图5是一具体例I的X射线衍射仪(X-ray diffraction,以下简称XRD)测量图；
[0032]图6是一具体例2的XRD测量图。
【具体实施方式】
[0033]本发明溅射靶材的较佳实施例包含铟、一第一金属、一第二金属，及氧，基于铟、该第一金属及该第二金属的原子总含量以IOOat.%计，铟的原子含量范围为10至20at.%，该第一金属的原子含量范围为60至80at.%，该第二金属的原子含量范围为10至20at.%，其中，该第一金属选自锌、锡，及前述的组合，该第二金属选自铝、钛，及前述的组合，且该第二金属的氧化物的电阻率高于该第一金属的氧化物的电阻率。
[0034]将该较佳实施例在一溅射机台的腔体中经溅射而形成一导电金属氧化物薄膜时，由于溅射是以物理性沉积原理为主的方式形成薄膜，则含有铟、该第一金属、该第二金属，及氧的该溅射靶材所形成的该导电金属氧化物薄膜也含有铟、该第一金属、该第二金属，及氧。
[0035]在此还需说明的是，虽然，导电金属氧化物薄膜的特性除了受靶材成分组成的影响外，亦会受溅射环境及参数值设定的影响。例如，当在溅射的过程中还通入氧气至该溅射机台的腔体中时，氧气也会视环境(例如腔体的温度或腔体的压力或腔体中的氧气含量)而与该溅射靶材的金属成分反应，进而影响导电金属氧化物薄膜的特性。但溅射环境及参数值设定对导电金属氧化物薄膜电阻率的影响通常限制在一范围内，并没有办法在适当的溅射条件下得到稳定的高电阻值ITO薄膜或铟锌锡氧化物薄膜。因此，较佳的方式仍然必须采用适当成分及组成比例的金属氧化物靶材以得到高电阻率的导电金属氧化物薄膜。
[0036]该较佳实施例的该第二金属的原子含量为10至20at.%，则经溅射工序后所形成的导电金属氧化物薄膜的成分也含有该第二金属，且该导电金属氧化物薄膜的电阻值大于相同厚度的ITO薄膜的片电阻，也大于相同厚度的铟锌锡氧化物薄膜的片电阻；再者，其透光率仍与目前铟锌锡氧化物薄膜的透光率相当。具体地说，当该导电金属氧化物薄膜在膜厚为IOOnm时，其电阻值大于IO6 Ω，且平均透光率大于85%。
[0037]且还需提出来说明的是，该较佳实施例所形成的导电金属氧化物薄膜的电阻率大于铟锌锡氧化物薄膜的电阻率的其中一个原因为:加入预定浓度的铝原子或钛原子与铟锌锡形成电阻率较高的化合物，因而降低电子移动率，而提升电阻率。
[0038]特别的是， 若该较佳实施例的该第二金属的原子含量小于IOat.%，则经溅射工序后易形成该第二金属的原子含量过低的导电金属氧化物薄膜；以铝作为该第二金属举例作说明，当一导电金属氧化物薄膜中的铝含量过低时，铝原子占据原锌或铟的晶格位置而产生取代效应，因而增加氧化物中的载流子浓度，导致导电金属氧化物薄膜的导电率上升。
[0039]除此之外，若该较佳实施例的该第二金属的原子含量大于20at.%，其材料中绝缘性高的氧化铝或氧化钛含量过高，将致使经溅射所形成的导电金属氧化物薄膜的电阻值过闻而导电能力不足。
[0040]更精确地，该较佳实施例的铟的含量范围为12至18at.%，该第一金属的原子含量范围为64至76at.%，该第二金属的原子含量范围为12至18at.%。
[0041]且较佳地，该第一金属为锡及锌，该第二金属为铝，且锌的原子含量范围为10至20at.%，或锡的原子含量范围为10至20at.%，皆进而使经溅射而形成的导电金属氧化物薄膜在膜厚为IOOnm时的电阻值大于5 X IO6 Ω，且在波长范围为300至1300nm的光线照射时的透光率大于87%。
[0042]更佳地，该较佳实施例含有一主成分，及一晶格结构异于该主成分的副成分，该主成分与该副成分皆含有铟、该第一金属，及该第二金属。该副成分中该第二金属的原子含量百分比大于该主成分中该第二金属的原子含量百分比，推测该副成分中含有电阻率较高的化合物；此处所称的原子含量百分比亦分别基于主成分或副成分中的铟、该第一金属，及该第二金属的原子总含量以IOOat.%计。
[0043]较佳地，该溅射靶材的电阻率大于5 X 10_3 Ω -cm,且小于KT1 Ω -cm,以确保溅射工序可以在直流溅射下进行。
[0044]以下，将以第一金属为锡及锌，且第二金属为铝，详细说明本发明溅射靶材的较佳实施例的制作方法。
[0045]首先，分别准备纯度大于99.9%的一氧化铟粉末、一氧化锌粉末、一氧化锡粉末，及一氧化铝粉末。
[0046]接着，进行一球磨步骤，先将该氧化铟粉末、该氧化锌粉末、该氧化锡粉末，及该氧化铝粉末混合而成一混合粉末，并置入一球磨机中，再在该球磨机中加入多数个氧化锆球，而后，令这些氧化锆球与该混合粉末连续球磨8小时以上，再将球磨后的混合粉末与这些氧化锆球分离。
[0047]再来，进行一造粒步骤，以喷雾干燥的方式将球磨后的混合粉末形成粒径范围为20至100 μ m的一造粒粉。
[0048]继续，进行一成型步骤，准备一涂有一脱膜剂的模具，并置入该造粒粉，再在一压力范围为200至1200kg/cm3，且温度范围为30至50°C的环境压制，而得到一相对密度范围为50至65%的生胚祀材。
[0049]接着，进行一烧结步骤，将该生胚靶材置于一通入有氧气的高温烧结炉中，再以范围为1300至1600°C的温度烧结形成本发明溅射靶材的该较佳实施例。
[0050]最后，还可视需求进行一整型步骤，对该较佳实施例进行切割，而成预定的尺寸，并进行表面研磨，使表面光滑且平整。
[0051]接下来， 为本发明溅射靶材的具体例与比较例，及其所形成的导电金属氧化物薄膜的成分比例及特性的测量与分析。
[0052]《测量与分析》
[0053][具体例I]
[0054]该具体例I以上述该较佳实施例的制作方法所制得，采用19.2克纯度大于99.9%的氧化铟粉末、11.3克氧化锌粉末、62.5克氧化锡粉末，及7.0克氧化铝粉末。当以铟、锌、锡、招的原子含量为IOOat.%计,该具体例I的铟的原子含量为16.7at.%,锌的原子含量为
16.7at.%,锡的原子含量为50at.%,且招的原子含量为16.7at.%。(上述是分别将原子含量值四舍五入至小数点以下第I位表示)
[0055]继续，将该具体例I作为溅射工序用的祀材，在功率密度为3W/cm2、温度控制在室温、通入流速实质为70sccm的IS气及流速实质为4sccm的氧气,及工作压力为3.5mTorr的腔体环境，在一与该靶材间隔的基板上溅射形成一薄膜，并再溅射后以200°C回火，而制得一由该具体例I所形成的导电金属氧化物薄膜。
[0056][具体例2]
[0057]该具体例2以类似该具体例I的制作方法所制得，采用23.7克纯度大于99.9%的氧化铟粉末约、41.8克氧化锌粉末、25.8克氧化锡粉末，及8.7克氧化铝粉末。当以铟、锌、锡、招的原子含量为IOOat.%计,该具体例I的铟的原子含量为16.7at.%,锌的原子含量为50at.%，锡的原子含量为16.7at.%，且招的原子含量为16.7at.%。(上述是分别将原子含量值四舍五入至小数点以下第I位表示)
[0058]继续，将该具体例2作为溅射工序用的靶材，经类似于该具体例I所经的溅射工序，而形成一薄膜，并再溅射后以280°C回火，而制得一由该具体例2所形成的导电金属氧化物薄膜。
[0059][比较例I]
[0060]该比较例I以类似该具体例I的制作方法所制得，其不同处在于是分别准备73.2克纯度大于99.9%的氧化铟粉末、9.8克氧化锌粉末，及17.0克氧化锡粉末。
[0061]继续，将该比较例I作为溅射工序用的靶材，经类似于该具体例I所经的溅射工序，而形成一薄膜，并再溅射后以280°C回火，而制得一由该比较例I所形成的导电金属氧化物薄膜。
[0062][比较例2]
[0063]该比较例2以类似该具体例I的制作方法所制得，其不同处在于是分别准备90克纯度大于99.9%的氧化铟粉末10克氧化锡粉末。
[0064]继续，将该比较例2作为溅射工序用的靶材，经类似于该具体例I所经的溅射工序，而形成一薄膜，并再溅射后以280°C回火，而制得一由该比较例2所形成的导电金属氧化物薄膜(也就是ITO薄膜)
[0065][比较例3]
[0066]该比较例3以类似该具体例I的制作方法所制得，其不同处在于是分别准备98克纯度大于99.9%的氧化锌粉末,及2克氧化铝粉末。
[0067]继续，将该比较例3作为溅射工序用的靶材，经类似于该具体例I所经的溅射工序，而形成一薄膜， 并再溅射后以170°C回火，而制得一由该比较例3所形成的导电金属氧化物薄膜(也就是AZO薄膜)。
[0068]有关成分比例与特性的测量结果，分别列示如表1。
[0069]表1
【权利要求】
1.一种派射IE材，其特征在于，包含:铟、一第一金属、一第二金属，及氧，基于铟、该第一金属及该第二金属的原子总含量以IOOat.%计，铟的原子含量范围为10至20at.%，该第一金属的原子含量范围为60至80at.%，该第二金属的原子含量范围为10至20at.%，其中，该第一金属选自锌、锡，及其组合，该第二金属选自铝、钛，及其组合。
2.如权利要求1所述的溅射靶材，其特征在于:铟的原子含量范围为12至18at.%，该第一金属的原子含量范围为64至76at.%,该第二金属的原子含量范围为12至18at.%。
3.如权利要求1所述的溅射靶材，其特征在于:该第一金属为锡及锌，该第二金属为招。
4.如权利要求3所述的溅射靶材，其特征在于:锡的原子含量范围为10至20at.%。
5.如权利要求3所述的溅射靶材，其特征在于:锌的原子含量范围为10至20at.%。
6.如权利要求3所述的溅射靶材，其特征在于:该溅射靶材包含一成多晶相结构的主成分，及一晶相结构异于该主成分的副成分，且该主成分与该副成分皆具有铟、该第一金属，及该第二金属。
7.如权利要求6所述的溅射靶材，其特征在于:该副成分中铝的原子含量百分比大于该主成分中铝的原子含量百分比。
8.如权利要求3所述的溅射靶材，其特征在于:借由X射线衍射测定，在衍射角为33.0°~35.0°的位置具有衍射波峰。
9.如权利要求3所述的溅射靶材，其特征在于:该溅射靶材的电阻率大于5 X 10 3 Ω -cm,且小于 10 1 Ω -cm。`
10.如权利要求3所述的溅射靶材，其特征在于:该溅射靶材的绝对密度大于6g/cnT3。
11.一种导电金属氧化物薄膜，其特征在于，由上述第I~10项其中任一项所述的溅射靶材经溅射所形成。
12.如权利要求11所述的溅射靶材，其特征在于:该导电金属氧化物薄膜的电阻率介于 0.1 Ω -cm 至 I Ω -cm 间。
13.如权利要求11所述的溅射靶材，其特征在于:该导电金属氧化物薄膜的透光率大于 85%。
【文档编号】C23C14/08GK103849842SQ201310092782
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2012年12月3日
【发明者】卢明昌, 尹新淳, 张智咏, 曾浤豪 申请人:光洋应用材料科技股份有限公司