｜AZO薄膜濺鍍技術與應用

摘要：透明導電氧化物薄膜的電性與光學性質是顯示器元件不可缺少之應用需求，更直接影響太陽電池的發電效率。本文將介紹太陽電池廣泛使用的磁控濺鍍沉積AZO薄膜技術，與近期發展的產品應用，並比較各種大面積濺鍍AZO薄膜的優缺點。

Abstract: The electrical and optical properties of transparent contact oxide not only play an indispensable role for display device but also have great influences on the solar cell performance.  This article introduces the recent development of AZO thin film deposition technology by magnetron sputtering, which has been widely applied in solar cell, and compares it with different technologies in large area deposition.

關鍵詞：磁控、濺鍍、氧化鋅鋁

Keywords：Megnetron, Sputtering, AZO

前言
透明導電薄膜於1907年因鎘薄膜氧化而被發現[1]，其他金屬的透明導電氧化物也陸續被應在第二次世界大戰之除冰玻璃與近代的半導體產業上。透明導電薄膜可分金屬薄膜與金屬氧化物半導體等兩類[2]，其中金屬氧化物半導體如SnO₂、In₂O₃、ZnO等，為光電元件中不可或缺的材料，其應用主要作為元件的電極，如太陽電池、顯示器與觸控面板。金屬氧化物半導體多選擇能隙大於3eV的材料，以求獲得較高的光穿透率，另多參雜質增加材料的電子電洞，以提升整體導電性。SnO₂多參雜氟、銻等元素，對於氫電漿製程的應用，錫會被還原造成薄膜透光率下降，多以其他金屬氧化物當作保護層搭配使用[3]。In₂O₃多參雜錫以形成ITO透明導電膜，面對還原性強的SiH4與氫電漿製程應用，薄膜透光率大幅下降約20%[4, 5, 6]，另外，應用上也須注意ITO中的銦元素在高溫時有不穩定與擴散現象。ZnO多參雜硼、鍺、鋁等元素，分別形成BZO、GZO、AZO透明導電薄膜，其中ZnO具備良好的光電性質、材料取得容易、成本低與無毒性等特點，且在SiH₄與氫電漿製程中穩定性高[7]，目前多以LPCVD或是濺鍍方法製備薄膜。本文將針對磁控濺鍍技術應用於AZO透明導電膜的鍍膜以及相關製程調控技術等加以說明。

濺鍍技術
濺鍍技術於西元1852年問世以來，衍生多種適合不同應用類型之設備，包含採用直流與交流、平衡磁控與非平衡磁控、單極與多極、固定基板與移動基板等。濺鍍設備常於腔體內通入製程所需的氣體，輔以電源供給能量，使氣體因輝光放電而變成電漿狀態，正離子轟擊出靶材之原子與分子等以茲後續應用。

直流濺鍍技術於長時間製程後，常於陰極累積大量的正電荷，通常以增加電壓解決靶材濺射屏障的問題，然高電壓容易引起電弧效應，產生大量雜質微粒或傷害靶材。交流供應電源的選用，使不斷的更換電流極性，避免電荷累積於靶材，低電壓操做的優勢也相對產生。直流或交流電源的選擇多以靶材導電與否為主，對於複合材料或導磁性的靶材應用，多採用交流電源與不規則的靶材表面來克服薄膜品質不均勻性的問題。除直流、交流或直交流疊加電源，常廣泛使用之反向電壓脈衝直流技術使電子瞬間進入陰極，不僅有效消除靶材電荷累積，也保有直流濺鍍技術常見之優點。

搭配磁場之磁控濺鍍技術，大幅增加電子撞擊的機率，並同時提高電漿離子的密度，不僅提升濺鍍率也可降低製程溫度[8]。磁控濺鍍設備應用於導體靶材多以直流電源供應，對於複合性靶材、非導體靶材或導磁性靶材則建議使用交流式電源。連續式或叢集式磁控濺鍍設備，當被鍍物以停滯或陰極磁座往復方式鍍膜時，磁場與電場之分佈設計更需考量，國際大廠於大面域設備之設計，多以靜態複數個靶材配置、移動磁石與靶材方式、大面域靶材搭配移動磁石或滾筒式磁控管等方法，達到磁控的大面域化，再輔以線型或網狀電極等形式提昇大面域電場均勻度[9]，如此達成大面積磁控濺鍍薄膜的需求。

AZO薄膜濺鍍技術
磁控濺鍍方法雖然可以提高電漿離子密度而增加濺鍍率，但磁控單元的應用也有濺射角造成覆蓋面域品質不均勻之問題。以常見的同心圓磁控陰極設備為例，直徑152mm的AZO靶材（2 wt. % Al₂O₃），使用RF電源驅動進行濺鍍製程，其薄膜品質量測如圖一所示，薄膜厚度、光穿透率與電阻率較均勻的範圍大約為直徑80mm的面域[16]。由於磁控陰極尺寸與實際可使用的鍍膜面域差異（邊際效應-edge effect），設備多依量產所需的面域放大1.2-1.5倍作為陰極磁控單元的設計依據，再由基板的作動方式去細分確切放大倍率。放大的陰極磁控單元不僅增加腔體體積與高昂之真空零組件成本，昂貴靶材造成的消耗成本更是量產設備不容產生，因此其他形式的陰極磁控單元相繼被開發出來。平板式陰極磁控單元，多以拼板方式或in-line方式達到大面積鍍膜應用，但拼板間的距離與相對應的靶材基板距離影響鍍膜品質甚鉅，鍍膜邊際效應與靶材二次濺鍍問題仍然是本技術關鍵，整體靶材使用率約35-40%。滾筒式陰極磁控單元，除大面積鍍膜亦可搭配於捲揚式製程應用，調變的磁場角度可提升濺鍍方向自由度，幾乎克服鍍膜邊際效應與靶材二次濺鍍毒害問題，靶材使用率約60-80%。