以奈米氧化鋅靶材製備高平坦度透明導電薄膜之研究

Abstract

本實驗利用摻雜鋁之奈米氧化鋅（Al-doped ZnO，AZO）靶材以射頻磁控濺鍍法成長透明導電AZO薄膜，實驗項目共包括：（1）奈米氧化鋅（ZnO）與氧化鋁（Al2O3）粉末混合與分散方法；（2）奈米AZO靶材燒結研究與（3）以不同粒徑靶材濺鍍製備之AZO薄膜的性質分析與探討。 在ZnO與Al2O3粉末混合與分散部份，經添加不同含量PMAA-Na分散劑且經濕式球磨後，以黏度測試、沉降測試、吸附量分析、表面電位分析、粒徑分佈分析與顯微結構觀察比較粉體分散效果；實驗結果顯示，添加3 wt.%之PMAA-Na分散劑可有效地使漿料黏度從420 pa.s降為13 pa.s，表面電位從-2 mV降至-60 mV，平均粒徑分佈由300□nm減至70 nm。靶材燒結研究部分係將分散完成之粉體以常壓燒結及兩階段燒結兩種方法進行燒結，實驗結果顯示經700°C，6小時常壓燒結之ZnO：Al燒結體相對理論密度為76%，平均粒徑約為80 nm，當燒結溫度提升至1300°C後，燒結體之相對理論密度可提升至94%，但平均粒徑增為約4.2 mm；在經700°C熱壓8小時及700°C常壓燒結16小時兩階段燒結後，AZO燒結體的相對理論密度為90%，平均粒徑約為90 nm。在薄膜的性質分析部份，本實驗以商用與自製之AZO微米靶材、ZnO微米靶材與自製之AZO奈米靶材，在基板不加熱、不通氧氣與射頻功率70 W之條件下製備300至400 nm厚的透明導電薄膜，其並在氬氣氛（Ar）下進行後續之退火處理，實驗結果顯示未經退火處理之AZO薄膜，以商用靶所製備之薄膜具有最低之電阻率，約為1.8×10-3 W×cm；奈米靶材所製備之AZO薄膜具有最佳之表面平整度，其方均根粗糙度（Rrms）為2.2 nm，遠低於微米靶材所製備之AZO薄膜的方均根粗糙度7.7 nm；所有AZO薄膜在可見光波段的穿透率均在80%以上；經退火處理後，在電性方面，除奈米靶濺鍍薄膜隨熱處理溫度增加電性有改善之外，其餘薄膜之電性均有劣化之趨勢；在表面平整度方面，奈米靶濺鍍薄膜之方均根粗糙度可進一步提降低至1.6 nm；在光學性質方面，所有AZO薄膜的可見光穿透率均無重大改變。