TWI439558B - Transparent conductive thin film of a new material structure and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本發明係關於一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，特別是指一種由藉由Maxwell方程式為基礎的電磁場模擬軟體設計與多層膜結構搭配蒸鍍系統或是濺鍍系統，於室溫下所製鍍之薄膜，並適用於低溫製程，使其透明導電薄膜應用範圍更加廣泛。
近年來，透明導電薄膜(transparent conducting oxide,TCO)是一種極具應用價值和潛力的透明薄膜材料，，隨著半導體技術的進步，透明導電膜的應用也更加的廣泛，透明導電氧化物薄膜的最早文獻記載可追溯到1907年，利用濺射法製備氧化鎘(CdO)薄膜開始，但一開始只以研究為主，直到1940年以後才發現透明導電膜在商業發展的潛力。透明導電膜的基本性能是在可見光範圍具有高的穿透性(高於80%可見光穿透率)及良好的導電性質(電阻係數低於1×10-3
Ω‧cm)；對於薄膜表面的粗糙度和化學穩定性也是薄膜在元件應用上品質要求的重點。由於薄膜本身是電的良導體，因此帶有高濃度(一般約1020/cm3
左右)的自由載子，這樣的物質在不同的電磁波頻率範圍內具有光選擇性(optical selectivity)；它會反射紅外光並吸收紫外光而使可見光穿透。由於透明導電膜具有這些優點，因此被廣泛應用於各種光電產品，如平面顯示器、太陽能電池、光電晶體、接觸感應面板(touch panel)、發光元件、氣體感測器、電漿顯示面板(PDP panel)、建築物上的熱絕緣層及熱反射鏡等；而目前在TCO薄膜使用的基板材料中，玻璃基板因其良好的透光性以及價格上的優勢被大量的採用，但也因為在進行高溫製備TCO薄膜時，玻璃基板中的鈉離子會因熱擴散進入TCO薄膜中，而導致導電性能下降等缺點產生，另外玻璃也有易碎且大尺寸玻璃不易製作之缺點，這也是目前極需解決之問題。
由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。
本案發明人鑑於上述習用之方法所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功來完成本件一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法。
本發明之目的即在於提供一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，係為了提供一種可適用於低溫製程之TCO薄膜，並使TCO薄膜應用範圍更廣泛。
本發明之次要目的即在於提供一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，係為了可大量縮短製程時間提高生產效率與有效降低材料成本。
達成上述發明目的之一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，其中該新型材料結構係為採用氧化鈦、氧化矽等新材料搭配金屬層之三明治結構，並藉由Maxwell方程式為基礎的電磁場模擬軟體設計，來製作成一透明導電膜，另外本發明所採用的多層膜結構可藉由蒸鍍系統(於室溫下製鍍TCO薄膜，透過離子源輔助系統增加薄膜緻密性、降低製程溫度與修飾金屬層厚度，達到提升透明導電膜之穿透率並降低其電阻率)或是濺鍍系統(於室溫下製鍍TCO薄膜，以DC Power濺鍍金屬鈀材、RF Power濺鍍氧化物鈀材，並於無氧環境下製鍍TCO薄膜)製鍍TCO薄膜，因此除了可大量縮短製程時間提高生產效率與有效降低材料成本外，亦可適用於低溫製程，使TCO薄膜應用範圍更廣泛，另外本發明亦可藉由機台之設計來達到捲曲式量產之可行性。
請參閱圖一，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之透明導電薄膜結構圖，其中係包含：一基板1；一第一層薄膜2，係製鍍於基板1上，其中該第一層薄膜2之材料(例如二氧化鈦等氧化物材料)選擇功函數比第二層薄膜3材料(例如金、銀、銅、鋁、鍗等在可見光波段100奈米尺度下薄膜具有表面電漿共振現象之金屬材料)高，且折射率比基板1與第三層薄膜4材料(例如二氧化矽等氧化物材料)高之材料，再於第一層薄膜2上製鍍第二層薄膜3；一第二層薄膜3，係製鍍於第一層薄膜2上，其中該第二層薄膜3之材料選擇功函數低於第一層薄膜2材料與第三層薄膜4材料，並於第二層薄膜3上製鍍第三層薄膜4；另外該第二層薄膜3之材料須為在可見光波段具有表面電漿共振現象之材料，也就是說在可見光波段，該材料之介電係數實數部為負值，且虛數部的絕對值小於實數部，例如：金、銀、銅、鋁、鍗等材料；一第三層薄膜4，係製鍍於第二層薄膜3上，其中該第三層薄膜4之材料選擇功函數高於第二層薄膜3、折射率低於第一層薄膜2之材料，且具阻水氣特性之薄膜(例如二氧化矽等氧化物材料)；而本發明所採用的多層膜結構可藉由「蒸鍍系統」或是「濺鍍系統」製鍍TCO薄膜，其中該蒸鍍系統於室溫下製鍍TCO薄膜，透過離子源輔助電子槍蒸鍍系統(如圖二所示)增加薄膜緻密性、降低製程溫度與修飾金屬層厚度，達到提升透明導電膜之穿透率(大約可達到85%)並降低其電阻率(大約可達到5.6Ω/sq)，而本發明因為利用了離子源來修飾金屬層厚度，用以克服蒸鍍超薄金屬層之技術障礙；另外該濺鍍系統(如圖三所示)於室溫下製鍍TCO薄膜，以DC Power濺鍍金屬鈀材、RF Power濺鍍氧化物鈀材，並於無氧環境下製鍍TCO薄膜，而本發明亦利用了高低折射率材料堆疊來提升薄膜TCO穿透率，並使用阻水氣材料增加TCO薄膜之耐候性。
請參閱圖四，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之連續型離子源輔助電子槍蒸鍍系統示意圖，藉由現有之離子源輔助電子槍蒸鍍系統(如圖二所示)進行新型透明導電膜製鍍，由於本製程溫度為室溫，故可應用為連續型的蒸鍍作業，其中該透明導電薄膜之連續型離子源輔助電子槍蒸鍍系統之流程為：
1、可撓性基板經過轉輪帶動進入第一區間，並經由301離子源先進行基板表面清潔工作；
2、進入第二區間透過電子槍501(501~503為電子槍)加熱氧化物靶材101(101~103為靶材)，並搭配離子源302(301~304為離子源)輔助進行第一層薄膜蒸鍍，另外該氧化物靶材101必須挑選折射率比基板與第三層高之靶材；
3、進入第三區間透過電子槍502加熱金屬靶材102(該金屬靶材102必須挑選功率函數低於第二區間與第四區間之靶材)，並搭配離子源303輔助進行第二層薄膜蒸鍍；
4、進入第四區間透過電子槍503加熱氧化物靶材103(該氧化物靶材103則是採用具有阻水氣特性之氧化物靶材，並且該氧化物靶材必須挑選功率函數高於第三區間之靶材、折射率低於第二區間之靶材)，並撘配離子源304輔助進行第三層薄膜蒸鍍，最後再由轉輪進行基板捲取收納。
請參閱圖五，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之連續型濺鍍系統示意圖，藉由現有之濺鍍系統(如圖三所示)進行新型透明導電膜製鍍，由於本製程溫度為室溫，故可應用為連續型的濺鍍蒸鍍作業，其中該透明導電薄膜之連續型濺鍍系統之流程為：
1、可撓性基板經過轉輪帶動進入第一區間，並經由離子源301先進行基板表面清潔工作；
2、進入第二區間透過濺鍍槍(201~203為濺鍍槍)撞擊氧化物靶材(101~103為靶材)進行第一層薄膜蒸鍍；
3、進入第三區間透過濺鍍槍202撞擊金屬靶材102進行第二層薄膜蒸鍍；
4、進入第四區間透過濺鍍槍203撞擊氧化物靶材103進行第三層薄膜濺鍍，最後再由轉輪進行基板捲曲收納。
請參閱圖六，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之設計模擬光譜圖，由圖中可知，本發明使用Maxwell方程式為基礎的電磁場模擬軟體，針對樣品SiO2
(70nm)/Ag film(10nm)/TiO2
(17nm)進行光穿透率模擬，在未考慮玻璃基板的散射、反射與吸收以及二氧化鈦薄膜在能階附近(387nm)的吸收情況下，得到在可見光波段(波長400-700nm)其平均穿透率為93.7%，圖中顯示有數個具有強穿透的波長範圍，是因為銀薄膜的表面電漿共振現象所造成的。
請參閱圖七，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之薄膜穿透率與波長關係圖，當使用相同薄膜材料與結構分別利用離子源輔助電子槍蒸鍍系統與濺鍍系統，進行新型材料結構之透明導電薄膜之製鍍，其薄膜穿透率與波長關係圖如圖七所示，濺鍍系統(Sputter)可見光平均穿透率約為85%，離子源輔助電子槍蒸鍍系統(E-Beam)平均穿透率約為81%。
請參閱圖八，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之利用濺鍍系統進行薄膜製鍍之薄膜穿透率與波長關係圖，利用濺鍍系統進行不同膜層材料與結構之新型透明導電膜製鍍，其中一組為SiO2
\Ag\SiO2
(第一層薄膜\第二層薄膜\第三層薄膜)，而另一組為TiO2
\Ag\SiO2
(第一層薄膜\第二層薄膜\第三層薄膜)，如圖八中所示，第一層薄膜(二氧化鈦TiO2
)使用折射率高於基板與第三層薄膜(二氧化矽SiO2
)之材料，其可見光平均穿透率約為85.5%，第一層薄膜(二氧化矽SiO2
)使用折射率未高於基板或第三層薄膜(二氧化矽SiO2
)之材料，其可見光平均穿透率約為82.4%。
請參閱圖九，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之第三層薄膜為非阻水氣材料之薄膜穿透率與波長關係圖，針對新型透明導電膜之第三層薄膜使用非阻水氣材料(TiO2
\Ag\TiO2
，第三層薄膜為二氧化鈦TiO2
)之溫溼度環境(符合ISO 9211規範)測試如圖九所示，其結果顯示可見光穿透率平均由75.5%下降至65.2%。
請參閱圖十，為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之第三層薄膜為阻水氣材料之薄膜穿透率與波長關係圖，針對新型透明導電膜之第三層薄膜使用阻水氣材料(TiO2
\Ag\SiO2
，第三層薄膜為二氧化矽SiO2
)之溫溼度環境(符合ISO 9211規範)測試如圖十所示，其結果顯示可見光穿透率平均為81.5%並未產生下降現象。
本發明所提供之一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：
1. 本發明之一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，係可適用於低溫製程，使TCO薄膜應用範圍更廣泛，如不耐高溫之可撓性高分子基板。
2. 本發明之一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，係適用於蒸鍍與濺鍍方法，除了具有大量縮短製程時間提高生產效率與有效降低材料成本外，並可藉由機台設計達到捲曲式量產之可行性。
3. 本發明之一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，係利用離子源修飾金屬層厚度，以克服蒸鍍超薄金屬層之技術障礙。
4. 本發明之一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法，係利用高低折率材料堆疊提升薄膜TCO穿透率，並使用阻水氣材料增加TCO薄膜之耐候性。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
1．．．基板
2．．．第一層薄膜
3．．．第二層薄膜
4．．．第三層薄膜
101．．．氧化物靶材
102．．．金屬靶材
103．．．氧化物靶材
201．．．濺鍍槍
202．．．濺鍍槍
203．．．濺鍍槍
301．．．離子源
302．．．離子源
303．．．離子源
304．．．離子源
501．．．電子槍
502．．．電子槍
503．．．電子槍
圖一為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之透明導電薄膜結構圖；
圖二為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之離子源輔助電子槍蒸鍍系統示意圖；
圖三為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之濺鍍系統示意圖；
圖四為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之連續型離子源輔助電子槍蒸鍍系統示意圖；
圖五為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之連續型濺鍍系統示意圖；
圖六為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之設計模擬光譜圖；
圖七為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之薄膜穿透率與波長關係圖；
圖八為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之利用濺鍍系統進行薄膜製鍍之薄膜穿透率與波長關係圖；
圖九為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之第三層薄膜為非阻水氣材料之薄膜穿透率與波長關係圖；以及
圖十為本發明一種具有表面電漿共振效應之新型材料結構透明導電薄膜及其製造方法之第三層薄膜為阻水氣材料之薄膜穿透率與波長關係圖。
1．．．基板
2．．．第一層薄膜
3．．．第二層薄膜
4．．．第三層薄膜
Claims (4)
- 一種新型材料結構之透明導電薄膜，其結構包含：一基板；一第一層薄膜，係製鍍於基板上，其中該第一層薄膜之材料選擇功函數比第二層薄膜材料高，且折射率比基板與第三層薄膜材料高之材料，再於第一層薄膜上製鍍第二層薄膜；一第二層薄膜，係製鍍於第一層薄膜上，其中該第二層薄膜之材料選擇功函數低於第一層薄膜材料與第三層薄膜材料，並於第二層薄膜上製鍍第三層薄膜；一第三層薄膜，係製鍍於第二層薄膜上，其中該第三層薄膜之材料選擇功函數高於第二層薄膜、折射率低於第一層薄膜之材料，且具阻水氣特性之薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之一種新型材料結構之透明導電薄膜，其中該第一層薄膜材料係可為二氧化鈦、二氧化矽等氧化物材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之一種新型材料結構之透明導電薄膜，其中該第二層薄膜材料係為金、銀、銅、鋁、鍗等在可見光波段100奈米尺度下薄膜具有表面電漿共振現象之金屬材料，而該材料於可見光波段，其介電係數實數部為負值，且虛數部的絕對值小於實數部。
- 如申請專利範圍第1項所述之一種新型材料結構之透明導電薄膜，其中該第三層薄膜材料係可為二氧化矽等具有阻水氣特性之氧化物材料。
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