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結晶態 ITO/PET or COP or CPI

觸控的應用產品在近幾年來蓬勃發展,從具觸控功能的電腦螢幕、智慧型手機和智慧型手錶,甚至車用儀表板,ITO導電膜也從玻璃基板衍生到塑膠基板,且由於2019年可說是摺疊手機的發展元年,許多高階手機皆使用OLED面板,而觸控模組則為外貼式(Out Cell)構造,故可見軟性ITO膜的需求相當大,然而,現今軟性ITO膜的製造商只是利用R2R的濺鍍設備,將ITO膜鍍製於軟性基板,再利用熱處理方式將ITO膜結晶化,但卻不知其薄膜結晶化的效益差且耗時和增加成本,其原因是鍍膜製造商通常不會更改R2R設備商的機器設計,而R2R設備商也不可能將各種製程參數設計成可任意變化,故我們希望在鍍製成膜的過程中,即能獲得結晶態的晶相結構,片電阻值以本公司目前最低片電阻值(30 歐姆/口)為目標,薄膜厚度可望比非晶態減少50%(預估40 nm ITO膜),穿透率可達88%,且解決薄膜色澤偏黃的問題(以目前製程的穿透率為86%,且色澤偏黃)

薄膜沉積的過程中,從原子或分子的運動狀態到薄膜的生長過程,如下圖所示,都有可能影響薄膜的結構與特性。首先由射向基材表面的原子或分子與基材表面撞擊,其中一部份反射,另一部份則停留在表面上。這些原子或分子,因本身所帶有的能量和基材的能量再經過吸附與擴散作用後,以成核(Nucleation)、晶粒成長(Grain Growth)、晶粒聚集(Coalescence)、縫道填補(Filling of Channels)和薄膜成長(Film Growth),形成薄膜結構。

(1) 成核(Nucleation)

沉積物質與基材表面原子進行能量交換或與其他原子碰撞而失去部分動能後,以物理性或化學性吸附於基材表面,再經過表面擴散(Surface Diffusion)和表面遷移(Surface Migration)於基材表面移動,此時若基板溫度過高或入射粒子能量過大,已吸附之物質,也可能經再蒸發或再濺射而脫離基材表面。隨著入射粒子不斷的加入,與停留在基材表面上的沉積物質間進行交互作用,使單個吸附原子間形成原子對,釋放出凝結熱(Condensation Heat)而逐漸形成較大之原子團,當原子團大於臨界成核半徑時,就會形成一穩定的核團(Cluster),此即為薄膜之成核階段。

(2) 晶粒成長(Grain Growth)

隨著入射粒子間持續的交互作用形成穩定的核團後,薄膜沉積的步驟便開始進入晶粒成長。隨著晶粒半徑的增加,降低穩定核的自由能,成為推動晶粒成長的驅動力。因此當穩定的核團表面積上,在單位時間內至少有兩個吸附原子被捕獲,則可結合成更大的原子團,從而達到完全凝結,由吸附相轉變為凝結相。

(3) 晶粒聚集(Coalescence)

當基材表面上的晶粒逐漸成長,所增加之半徑逐漸的與附近晶粒互相接觸時,為了降低表面能,晶粒間彼此的相互接觸、合併開始形成島狀構造(Island Stage),薄膜沉積便開始進入晶粒聚集的階段,簡單的說,晶粒聚集就是大晶粒在結合小晶粒的一種過程。在這個過程中,整個系統之表面能將隨著小晶粒的消失而逐漸降低。

(4) 縫道填補(Filling of Channels)

隨著晶粒不斷的成長與聚集,晶粒與晶粒之間的距離逐漸縮小,形成類似島與海峽構造(Channel Stage),即所謂的縫道,這些縫道實際上就是基材表面尚未被吸附原子或晶粒所覆蓋的區域。

(5) 薄膜成長(Film Growth)

當薄膜表面的縫道皆被填滿時,即形成最基礎的一層薄膜,隨著入射粒子不斷的吸附與聚集,沉積於薄膜表面的厚度便開始增加。

 


薄膜之微觀結構,主要決定於基材的表面形貌、吸附原子擴散、表面擴散及晶界移動和體擴散與再結晶等。針對以物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition,PVD)製成之薄膜,其結構已由Thornton所提出之SZM(Sputter-Zone Model)模型所描述,如下圖所示。濺鍍薄膜之沉積,隨著濺鍍的功率、基板溫度、氬氣流量、濺鍍製程壓力的改變,會有不同的吸附原子在表面擴散與聚集,進而形成不同的結構,SZM模型針對基板溫度,氬氣壓力及入射粒子能量對薄膜結構之影響分為四種形態:

(a) ZONE 1 ( Ts/Tm<0.2)

這裡Ts為基材溫度,而Tm為沉積物質的熔點,因此,在基板溫度較低、濺鍍壓力較高的條件下,入射粒子的能量較低,原子在基板表面的擴散能力低,薄膜的臨界核心尺寸很小,在沉積過程中不斷產生新的核心,沉積組織呈現細纖維狀形態,晶粒內缺陷密度高,且晶粒邊界處的組織明顯疏鬆,細纖維狀組織由孔洞所包圍,當薄膜較厚時,細纖維狀組織進一步發展為錐狀形態且夾雜有較大的空洞。

(b) ZONE T (0.2<Ts/Tm<0.5)

此區域是介於晶帶1(ZONE 1)和晶帶2(ZONE 2)之間的過渡組織,它的臨界核心尺寸雖小,但原子已具有一定的表面擴散能力,且晶粒邊界明顯緻密,孔洞和錐狀形態消失,相較於晶帶1的差別為濺鍍壓力較低,入射粒子的能量變高,使其有抑制晶帶1組織的出現,而促進晶帶T組織出現的作用。

(c) ZONE 2 (0.5<Ts/Tm<0.7)

此區域是由表面擴散過程控制的生長組織,雖然原子的體擴散尚不充分,但表面擴散能力很高,使各個晶粒分別磊晶而形成均勻的柱狀晶結構,晶粒內部缺陷密度低,晶粒邊界緻密性好且晶粒表面開始呈現晶體特有的形貌。

(d) ZONE 3 (0.7<Ts/Tm<0.9)

當基材溫度繼續升高,開始出現原子的體擴散現象,晶粒開始迅速成長,直至超過薄膜厚度,其結構經過充分的再結晶過程,形成粗大等軸式的磊晶組織。

 


 

 

 

 

 

 

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