氧化铟锡薄膜之机光电性质分析

Key words : Indium Tin Oxide; Thin films; Young’s modulus; Hardness; Sheet resistance; Light transmittance.
1
聖約翰學報 第二十五期 氧化銦錫薄膜之機光電性質分析
1.前言
近年來由於半導體製程技術的大幅提升，使得 有機電激發光二極體 (Organic Light-Emitting Diode, OLED)【1】技術在平面顯示器中佔有著非常重要的 地位。其中氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO) 扮演著 傳導電極的重要角色。 ITO 膜具有較低的電阻，以及在可見光範圍內 有高透光率的特性，近年來被廣泛用在光電元件 上，如液晶顯示器(Liquid Crystal Display , LCD)的 陽極電極【2】、鐵電光傳導儲存裝置 (Ferroelectric Photoconductive Devices)【3】、光電裝置 (Photovoltaic Devices)【4】等。另外，在3C產品中， PDA、e-book、Hand PC、GPS、Mobile Phone等， 其觸控式面板(Touch Panel)皆是ITO薄膜的應用。而 續多太陽能電池(solar cells)的電極，也是使用IYO薄 膜。 ITO 成長方法一般分成下列幾種，溶膠凝膠 (Sol-gel) 【 5-6 】，噴霧熱解 (Spray) 【 7-8 】，濺鍍 (Sputter) 【 9-21 】，蒸鍍 (Evaporation) 【 22-24 】， PLD(Pulse Laser Deposition)【25】，化學氣相沉積 (CVD) 【 26-27 】。各方法有其優缺點，如膠凝膠具 有易加工，製程設備便宜，缺點為高溫製程，噴霧 熱解也有高溫製程之缺點，化學氣相沉積其製得ITO 品質好、產能高，但仍需高溫，且材料易發揮。PLD 所得ITO薄膜品質最為佳，尤以其粗糙度(roughness) 可以控制在 5 Å ，但其設備成本高、產能低。且在 PVD 中得考量其沈膜方式對材料之影響，例如蒸 鍍法雖有較快的沈膜速率，但其原理乃利用金屬熔 融蒸發並與氣體反應後再鍍在基材上，由於銦熔點 (~156 °C)與錫熔點(~232 °C)有相當程度的差異，故沈 膜成份不易控制。由於濺鍍法具有可連續快速生產 高品質薄膜的特性，其製程溫度較其他技術低，且 適用在大面積的各種基板上，故濺鍍法是目前使用 相當普遍的薄膜製造技術。直流濺鍍法 (DC Sputter) 或射頻磁控濺鍍法 (RF Sputter) 皆能得到品質較穩定 的ITO薄膜，因成本較低且製程控制較容易，目前量 產的ITO膜大都採用DC放電方式，但ITO靶材必須非 常緻密以減少放電阻抗。使用射頻放電方式所形成 的電漿密度較高，放電電壓較低，可得到比DC放電 製程電阻值更低的ITO膜，且其薄膜均一性良好，但 設備較貴是其缺點。 隨著真空設備的進步，RF / DC Sputter應用在透 明導電薄膜上也相當的普及，因其製程參數精確且 容易控制，設備成本不高，所以最為廣泛的使用方
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氧化銦錫薄膜之機光電性質分析
On Mechanical and Optoelectric Properties of ITO Thin Films
蔡發達
1
張瑞慶
2
Fa-Da Tsai 聖約翰科技大學 自動化及機電整合研究所
Ruei-Ching Chang 聖約翰科技大學 機械與電腦輔助工程系
片(specimen)和壓痕器(indenter)的模數，其關係為：
1 1− = Er E
2
1− + specimen E
2
indenter
(2.1.7)
其中E為彈性係數(Elastic modulus)、 為波松比 (Poisson’s ratio)，E indenter 之值為1170 GPa、E indenter 為0.07。而硬度的定義為：
H=
Pmax A
(2.1.8)
圖2 圓錐形的鑽石探針之2D示意圖 於此，圖中圓錐直徑可由三角形定理得知圓錐 半徑：
2.2刮痕理論 由於奈米薄膜領域的發展伴隨著薄膜材料尺 寸的奈米化，使得傳統量測材料磨耗性質的方法會 產生負載過大及數據不夠精確等問題，所以傳統量 測方式無法適用於奈米尺度下的磨耗性質研究。所 以雙軸向電能轉換器同時具有壓入及側向位移之功 能，且可以控制極小的負載及側向位移的範圍，是 3
h f ，在將方程式(2.1.3)微分，初始卸載剛性就可由最 大壓痕深度求得( h = h max )。
P = A( h − hf )
(2.1.3)
初始卸載剛性S = (dP/dh)，在卸載曲線初始部分 的斜率關係為式(2.1.4)
S=
dP 2 = Er A dh

2
(2.1.4)
整理後得：
A = C0 h + C1 hc + C2 h
2 c
1/ 2 c
+ C3 h
1/ 4 c
+ C4 h
1/ 8 c
+ C5 h
1 / 16 c
(2.1.2) 卸載曲線適合用冪集數定律來描述，其實際關 係為下列方程式(2.1.3)，其中A、m為常數，h f 為完 全卸載後的壓痕深度，Oliver 和 Pharr首先用卸載時 的負載 - 位移數據經由曲線擬合法算出參數 A 、 m 及
摘
要
Байду номын сангаас
本文探討氧化銦錫薄膜在玻璃基材與PET基材的機光電性質。首先利用射頻磁控濺鍍法，以不 同功率在玻璃基材與PET基材上，沉積一層200 nm厚度的氧化銦錫(Indium Tin Oxide , ITO)薄膜，並 將試片之面電阻控制在150 Ω/□以下，透光率在可見光譜400 ~ 900 nm為70 %以上。再以奈米壓痕儀 及奈米刮痕儀探討其機械性質，實驗中以玻璃基材與PET基材作為對照，比對ITO薄膜在不同基材下 之機械性質與特性。由實驗結果可得知，玻璃基材之楊氏係數與硬度分別為72.93 GPa與6.09 GPa， PET基材為4.70 GPa與0.45 GPa，當基材上沉積一層ITO薄膜後，其楊氏係數與硬度均有增加之趨勢。 以奈米刮痕法實驗結果，相同負載力量下，ITO/PET之磨耗強度大於ITO/玻璃，其刮痕殘留深度為 ITO/PET大於ITO/玻璃。
f =
px pz
(2.2.1)
2.2.1磨耗特性之導出量 由於本文為探討薄膜磨耗特性，先將A n 、A s 定 義出以便推導刮痕試驗之磨耗係數 ( k ) 及抗磨耗強度 ( R ) 。而本文是使用圓錐鑽石探針，因此將圓中心線 與錐面夾角定義為 θ，壓痕深度則定義為 h，圓錐直 徑定義為 l，圓錐半徑定義為 r，而壓痕投影面積定 義為 A n ，刮痕投影面積設為 A s ，如圖2 所示圓錐 鑽石探針的2D示意圖。
關鍵詞：氧化銦錫、薄膜、楊氏係數、硬度、面電阻、透光率
ABSTRACT
Mechanical and optoelectric properties of Indium Tin Oxide (ITO) thin films deposited on glass and PET substrates are studied in this work. A RF magnetron sputter is employed to deposit a 200 nm thickness ITO film on the substrate in which the sheet resistance of the film is controlled under 150 Ω/ and the light transmittance is over 70% at 400~900 nm visible light as well. The mechanical properties of the specimens are subsequently tested by nanoindentation and nanoscratch. The results show that the Young’s modulus and hardness of the glass substrate are 72.93 GPa, 6.09 GPa, and 4.70 GPa, 0.45 GPa for the PET substrate, respectively. Meanwhile, the Young’s modulus and hardness increase when the ITO thin films are deposited. Furthermore, from scratch tests, the wear resistance of ITO/PET is higher than the result of ITO/glass, but the residual depth of ITO/PET is deeper than the one of ITO/glass under constant scratch load.
k=
2
聖約翰學報 第二十五期 氧化銦錫薄膜之機光電性質分析
A = 24.5hc2
(2.1.1)
而當尖端鈍化導致與原來形狀有所偏差時就須 對下列方程式(2.1.2)做校正。
非常適合量測材料在奈米尺度下的磨耗性質量測。 而藉由儀器偵測到的正向負載與側向負載可進階計 算出摩擦係數，其計算試片的摩擦係數 f ，則實際 關係如 (2.2.1) 式所示，其中 P x 為側向力、 P z 為正向 力。
法之一。RF / DC Sputter其膜質緻密度、粗糙度以及 附著性均佳，在室溫的條件下即可進行沉積，故可 以搭配塑膠基材的製程。濺鍍的材料利用 In 和 Sn 的 合金製作成靶材或使用相對密度為 99 % 以上，不同 比例的In2O3及SnO 2氧化物結合之靶材，薄膜會有低 電阻率、表面均勻性較佳等特性，但所需的成本提 高。當ITO薄膜在電性與光性達一定品質時開始有相 關改良與增加其光電特性之研究【28-29】，其探討 均以電性與光性為主，且少有針對ITO薄膜之機械性 質與磨耗特性研究之文章，因此本實驗以機械性質 為出發點，對ITO薄膜進行實驗，探討楊氏係數(E)、 硬度(H)、磨耗強度與磨擦係數。磨耗強度與磨擦係 數的實驗結果期許能為觸控式面板(Touch Panel)發生 導電不良原因能有所助益。
2.實驗理論
2.1 壓痕理論 壓痕理論是最常被使用來分析奈米壓痕量測。 其原理是利用一鑽石壓痕器壓入試片，藉由偵測連 續的荷重及位移曲線(Load-displacement curve)，如圖 1所示；硬度及楊氏系數(E)即可由此曲線來決定。
圖1 多數黏彈性材料的共通現象 對一個理想幾何角錐壓痕(Berkovich)，其接觸面 積的投影和壓痕的深度關係為：
S A= 4 Er
(2.1.5)
而接觸深度 ( h c ) 則由 (2.1.6) 式計算， ε 為 0.72 、 0.75和1，分別是為角錐形、球體型及平面圓柱體型 的幾何常數。
hc = hmax −
Pmax S
(2.1.6)
E r 稱為變形模數(reduced modulus)，它包含了試
r = h tan
知：
(2.2.2)
而壓痕投影面積定義為 A n ，由 (2.2.2) 式代入得
An = r 2 = (h tan ) 2
(2.2.3)
聖約翰學報 第二十五期 氧化銦錫薄膜之機光電性質分析
刮痕投影面積設為A s 之導出量，如下所示：
As =
hl = h 2 tan 2
(2.2.4)
其中 k 為磨耗係數(Coefficient of wear)，為硬度 與抗磨耗強度之比值，其關係為：
K=
為：
H R
(2.2.5)
而 R 為抗磨耗強度 (Resistance of wear) ，定義
R=
px As
(2.2.6)
此外比較硬度 H 與摩擦係數 f 的定義，再配合 (2.2.5)及(2.2.6)可表示為：