住友重機械專利RPD技術助力極薄氧化鋅透明導電膜成膜

住友重機械工業株式會社（總部：東京都品川區，代表董事社長：渡部敏朗；以下簡稱「住友重機械」）與高知工科大學（高知縣香美市，校長：蝶野成臣）綜合研究所材料設計中心主任山本哲也等人，在共同研究中利用住友重機械獨創的反應性電漿沉積法（RPD法）（※1），全球首次成功開發出在玻璃基板上形成厚度為10奈米（奈米為十億分之一公尺）的氧化鋅（ZnO）結晶狀態透明導電膜技術。這證明了RPD法作為在玻璃基板上以極薄且結晶狀態形成ZnO膜（未來將作為透明導電膜、緩衝膜/晶種膜（※2）進一步研究）之手段的實用性。

RPD設備內的放電照片

【背景】
透明導電膜是太陽能電池、有機EL和透明加熱器等需要「同時導電與透光表面」的產品中不可或缺的材料。它們以將氧化銦錫（ITO）或銦鎵鋅氧化物（IGZO）等金屬氧化物沉積在玻璃或塑膠等透明基板上的狀態被使用。ZnO透明導電膜一直備受關注，主要是因為鋅資源豐富，加上其具備吸收紫外線的特性、高導熱率，且能根據用途控制其柔韌性。然而，與傳統材料相比，由於成膜時處理難度較高，其作為透明導電膜的實際應用受到限制，大多停留在企業和大學的研發階段。

住友重機械主要為太陽能電池、平面顯示器和有機EL領域開發與製造將ITO和摻鎵氧化鋅（GZO）等透明導電膜沉積在玻璃等基板上的設備。為了進一步發展RPD法的基礎研究，與山本主任等人進行了至2024年的共同研究，迄今已開發出利用RPD法成膜厚度為5奈米的結晶狀態摻鎢氧化銦（IWO）透明導電膜等技術（※3）。本次成果是2023年至2024年間進行的共同研究之成果，住友重機械負責RPD設備的改良。

【RPD法在本次研究中的貢獻】
ZnO即使在低溫下也容易結晶，但由於成膜初期的快速生長，它是一種晶體結構容易產生扭曲的材料。在使用濺鍍等物理氣相沉積法（PVD）時，由於多種晶體結構混合，且直接在基板上成膜需要20奈米以上的厚度，因此在實現極薄膜化時難以控制其特性。

RPD法可以自由控制電漿狀態的金屬元素離子和氧離子碰撞基板時的動能（能量）。透過這種能量控制，可以實現僅具單一晶體結構的透明導電膜。此外，本次為了研究目的改裝了現有的RPD成膜設備，使其能夠更精確地調整金屬元素離子和氧分子離子對基板的碰撞能量。

結果，他們全球首次成功在玻璃基板上沉積了厚度為10奈米、緩解了晶體結構扭曲的結晶狀態ZnO透明導電膜。

由於RPD法具有「低溫、低損傷」和「大面積、高速成膜」的特點，它非常適合例如在不耐熱基板上成膜以及實際量產應用。

【未來展望】
能夠精確形成結晶狀態ZnO透明導電膜的技術，未來有望應用於無銦（In）透明導電膜，以及要求嚴格精度的緩衝膜和晶種膜等領域。這也被期待是能降低資源風險的未來技術。今後，住友重機械將繼續致力於RPD法等獨創技術的創造與價值提升，研發能長遠地以溫柔充滿人類與社會的技術。

技術詳情預計將由山本主任的研究團隊另行發布。

註解
※1 反應性電漿沉積法（RPD: Reactive Plasma Deposition）。這是住友重機械獨創的成膜方法，利用磁場將電漿槍發射的電子引導至蒸發材料，並在高密度電漿中活化因加熱而昇華的材料，使其具有高反應性。

在RPD法中，帶正電的飛行粒子被加速的機制，主要在於控制從作為蒸發源的陽極（anode）電位到基板的電漿電位（plasma potential）分布推出帶正電飛行粒子的效應，以及在基板界面形成的鞘層電位（sheath potential）的協同作用。由於這項特點，可以在保持高反應性的同時將對基板的損傷降至最低，實現緻密薄膜的形成，進而形成結晶性優良的薄膜。

參考：關於真空成膜設備

RPD設備內的放電照片