臺灣博碩士論文加值系統

以塑膠基板製備之可撓式顯示器被視為下一世代最佳之平面顯示器。
然而其對於水氣及氧氣的阻絕能力較差，而影響軟性電子元件的使用穩定
性與壽命長短，如何使塑膠基材具有高效率阻水氣滲透能力是重要的研究
課題。
本研究以聚亞醯胺為基材，在低溫下利用電漿沉積輔助化學氣相沈積
系統（PECVD)來沈積具有高均勻性與良好基板附著性之無機氮化矽薄膜，
作為氣體阻障層，並施以不同氣體進行表面電漿處理方式，增加膜材的緻
密度，改善成膜品質，以有效降低水氣透過率（Water Vapor Transmission
Rate, WVTR）。最後，以氮化矽/聚亞醯胺複合膠膜，在20 °C、相對溼度60%
測試條件之下，藉由鈣測試法量測膜材之水氣透過率（WVTR）。實驗結
果發現，在NH3 / SiH4 =3.33 的流量配比下，氮化矽/聚亞醯胺複合膜已擁有
一定的阻氣特性，水氣透過率為0.096 g/㎡/day。將此複合薄膜利用300W N2
氣體進行表面電漿處理後，從FTIR圖譜分析得知，氮化矽薄膜的含氫量有
減少及降低氮化矽膜材的氧化速率之現象，這代表薄膜在電漿表面處理後
更能抵抗水氣侵入，水氣透過率也呈現WVTR可由原本的0.096 g/m2/day 進
而降低至0.025 g/m2/day。

Flat display on plastic substrate could be lightweight, thin and flexible.
However, the intrinsic high gas and water vapor permeation reduces the devices
lifetime and reliability. The improvement in moisture resistance characteristics
of plastic substrate should be resolved for further applications.
In this study, We used Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
System（PECVD）to grow barrier thin film（SiNx）of high uniformity at low
temperature（64℃）. Furthermore, the barrier property of SiNx thin films was
improved by plasma surface treatment. From the WVTR result, it was found that
the SiNx film deposited with feed ratio NH3 / SiH4 = 3.33 has the best moisture
resistance of 0.096 g/m2/day at 20℃and 60 %RH. And from the analysis of
FTIR spectrum, the amounts of Si-H and Si-O bonds in SiNx thin film could be
reduced after plasma surface treatment. It indicates that the densification of
SiNx thin film can be improved by plasma treatment. The WVTR was decreased
from 0.096 g/m2/day to 0.025 g/m2/day when SiNx film was further treated in N2
plasma.

中文摘要................................................................................................................ I
Abstract .................................................................................................................II
誌 謝................................................................................................................. III
總目錄................................................................................................................. IV
圖目錄................................................................................................................VII
表目錄.................................................................................................................XI
第一章 緒論....................................................................................................... 1
1-1 簡介......................................................................................................... 1
1-2 研究內容................................................................................................. 2
第二章 文獻回顧............................................................................................... 4
2-1 可撓式顯示器的開發與進展................................................................. 4
2-1.1 顯示器發展史............................................................................... 4
2-1.2 可撓式顯示器發展趨勢............................................................... 5
2-2 電漿輔助化學氣相沉積....................................................................... 10
2-2.1 電漿原理...................................................................................... 10
2-2.2 PECVD 基本原理....................................................................... 14
2-2.3 氣體阻障層製備方式與電漿表面處理..................................... 16
2-3 氮化矽薄膜........................................................................................... 19
2-3.1 薄膜沈積理論............................................................................. 19
2-3.2 氮化矽薄膜基本性質................................................................. 21
2-4 薄膜應力理論....................................................................................... 23
2-4.1 應力的定義................................................................................. 23
2-4.2 薄膜應力的定義......................................................................... 24
2-4.3 薄膜應力的成因.......................................................................... 25
2-5 薄膜滲透理論....................................................................................... 27
第三章 實驗方法與儀器原理........................................................................... 31
3-1 實驗方法............................................................................................... 31
3-1.1 實驗步驟介紹............................................................................. 31
3-1.2 實驗流程..................................................................................... 32
3-2 實驗儀器介紹....................................................................................... 33
3-2.1 電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）系統............................... 33
3-2.2 反應離子蝕刻機(RIE)系統........................................................ 34
3-2.3 熱蒸鍍（Thermal Evaporator）系統........................................ 35
3-3 薄膜特性量測儀器介紹....................................................................... 37
3-3.1 表面輪廓測量儀......................................................................... 37
3-3.2 橢圓偏光儀................................................................................. 38
3-3.3 傅利葉紅外線光譜分析儀......................................................... 40
3-3.4 紫外光-可見光吸收譜儀........................................................... 41
3-3.5 表面應力的量測......................................................................... 43
3-3.6 鈣測試法..................................................................................... 44
第四章 實驗結果與討論................................................................................... 47
4-1 低溫氮化矽（SiNx）之沉積速率與折射率探討.............................. 47
4-1.1 進料氣體流量比之影響............................................................. 47
4-1.2 以不同氣體進行表面電漿處理之影響..................................... 49
4-2 低溫氮化矽（SiNx）之薄膜緻密度探討.......................................... 52
4-2.1 進料氣體流量比之影響............................................................. 52
4-2.2 以不同氣體進行表面電漿處理之影響..................................... 54
4-3 低溫氮化矽（SiNx）之薄膜應力探討.............................................. 56
4-3.1 進料氣體流量比之影響............................................................. 56
4-3.2 以不同氣體進行表面電漿處理之影響..................................... 58
4-4 低溫氮化矽（SiNx）之紅外線光譜分析探討.................................. 61
4-4.1 進料氣體流量比之影響............................................................. 61
4-4.2 以不同氣體進行表面電漿處理之影響..................................... 64
4-5 低溫氮化矽（SiNx）之水氣透過率量測探討.................................. 71
4-5.1 進料氣體流量比之影響............................................................. 71
4-5.2 以不同氣體進行表面電漿處理之影響..................................... 72
4-5.3 以不同氣體進行表面熱處理之影響......................................... 76
第五章 結論....................................................................................................... 80
參考文獻............................................................................................................. 83



圖目錄
圖1-1 軟性顯示器之應用.............................................................................. 2
圖2-1 顯示器的演進...................................................................................... 4
圖2-2 各顯示器之優劣比較.......................................................................... 5
圖2-3 軟性電子元件的耐水性需求.............................................................. 8
圖2-4 杜邦公司Kapton 之PI 薄膜............................................................... 9
圖2-5 電漿產生器的主要硬體設計............................................................ 10
圖2-6 帶電荷離子撞擊電極板，所產生的幾種主要粒子情形................ 11
圖2-7 電漿產生器在不同的I-V 操作區間下的放電情形......................... 12
圖2-8 PECVD 耦合示意圖.......................................................................... 15
圖2-9 RF 電漿中平均電位分佈圖.............................................................. 15
圖2-10 RF 電漿中電位分佈圖...................................................................... 16
圖2-11 薄膜沉積表面機制說明圖................................................................ 20
圖2-12 PECVD 氮化矽薄膜的沉積機制...................................................... 22
圖2-13 長度為L 的晶片受到外力之後的形變情形.................................... 23
圖2-14 薄膜的長度隨晶片的薄膜成長之厚度而產生變化........................ 24
圖2-15 薄膜受到應力後，晶片彎曲的情形................................................ 25
圖2-16 薄膜殘餘應力> 的示意圖................................................................ 26
圖2-17 水氣/氧氣滲透薄膜示意圖............................................................... 28
圖2-18 水氣/氧氣擴散路徑示意圖............................................................... 29
圖2-19 薄膜缺陷示意圖................................................................................ 30
圖3-1 實驗流程圖........................................................................................ 32
圖3-2 SAMCO PD10ST（PECVD）結構圖.............................................. 33
圖3-3 SAMCO 10NR（RIE）系統示意圖................................................. 34
圖3-4 熱阻式蒸鍍系統示意圖.................................................................... 37
圖3-5 Alpha-step 表面形狀量測儀示意圖.................................................. 38
圖3-6 橢圓偏光儀示意圖............................................................................ 38
圖3-7 偏極光經反射後，其極化狀態改變示意圖.................................... 39
圖3-8 分子振動型式.................................................................................... 40
圖3-9 傅利葉紅外線光譜分析儀結構圖.................................................... 41
圖3-10 電磁波的波長範................................................................................ 42
圖3-11 紫外光-可見光吸收光譜結構圖....................................................... 42
圖3-12 薄膜沉積前後晶片彎曲的曲率半徑，計算得到薄膜應力............ 44
圖3-13 幾種基材與鍍膜技術所能達成的阻濕效果.................................... 45
圖3-14 MOCON PERMATRAN-W Model 3/61 示意圖.............................. 45
圖3-15 鍍鈣測試法的示意圖........................................................................ 46
圖4-1 不同流量比之沉積速率與折射率關係圖........................................ 48
圖4-2 NH3 / SiH4 = 50 之電漿處理後薄膜厚度與折射率關係圖............. 50
圖4-3 NH3 / SiH4 = 30 之電漿處理後薄膜厚度與折射率關係圖............. 51
圖4-4 NH3 / SiH4 = 3.33 之電漿處理後薄膜厚度與折射率關係圖.......... 51
圖4-5 NH3 / SiH4 = 2 之電漿處理後薄膜厚度與折射率關係圖............... 52
圖4-6 不同流量比之薄膜蝕刻速率關係圖................................................ 53
圖4-7 NH3 / SiH4 = 50 之電漿處理後薄膜蝕刻速率關係圖..................... 55
圖4-8 NH3 / SiH4 = 30 之電漿處理後薄膜蝕刻速率關係圖..................... 55
圖4-9 NH3 / SiH4 = 3.33 之電漿處理後薄膜蝕刻速率關係圖.................. 56
圖4-10 NH3 / SiH4 = 2 之電漿處理後薄膜蝕刻速率關係圖........................ 56
圖4-11 不同流量比之應力關係圖................................................................ 58
圖4-12 NH3 / SiH4 = 50 之電漿處理後薄膜應力關係圖.............................. 59
圖4-13 NH3 / SiH4 = 30 之電漿處理後薄膜應力關係圖.............................. 59
圖4-14 NH3 / SiH4 = 3.33 之電漿處理後薄膜應力關係圖........................... 60
圖4-15 NH3 / SiH4 = 2 之電漿處理後薄膜應力關係圖................................ 60
圖4-16 不同流量比的傅立葉轉換紅外線光譜圖........................................ 63
圖4-17 不同流量比的氮化矽薄膜在大氣下之傅立葉轉換紅外線光譜圖63
圖4-18 NH3 / SiH4 = 50 在功率100W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖.......... 65
圖4-19 NH3 / SiH4 = 50 在功率300W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖.......... 65
圖4-20 NH3 / SiH4 = 50 在功率500W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖.......... 66
圖4-21 NH3 / SiH4 = 30 在功率100W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖.......... 66
圖4-22 NH3 / SiH4 = 30 在功率300W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖.......... 67
圖4-23 NH3 / SiH4 = 30 在功率500W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖.......... 67
圖4-24 NH3 / SiH4 = 3.33 在功率100W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖....... 68
圖4-25 NH3 / SiH4 = 3.33 在功率300W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖....... 68
圖4-26 NH3 / SiH4 = 3.33 在功率500W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖....... 69
圖4-27 NH3 / SiH4 = 2 在功率100W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖............ 69
圖4-28 NH3 / SiH4 = 2.0 在功率300W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖......... 70
圖4-29 NH3 / SiH4 = 2.0 在功率500W 之傅立葉轉換紅外線光譜圖......... 70
圖4-30 不同流量比之水氣透過率測試關係圖............................................ 72
圖4-31 NH3 / SiH4 = 50 在電漿處理下之水氣透過率測試關係圖............. 74
圖4-32 NH3 / SiH4 = 30 在電漿處理下之水氣透過率測試關係圖............. 75
圖4-33 NH3 / SiH4 = 3.33 在電漿處理下之水氣透過率測試關係圖.......... 75
圖4-34 NH3 / SiH4 = 2 在電漿處理下之水氣透過率測試關係圖............... 76
圖4-35 NH3 / SiH4 = 50 在熱處理下之水氣透過率測試關係圖................. 77
圖4-36 NH3 / SiH4 = 30 在熱處理下之水氣透過率測試關係圖................. 78
圖4-37 NH3 / SiH4 = 3.33 在熱處理下之水氣透過率測試關係圖.............. 78
圖4-38 NH3 / SiH4 = 2 在熱處理下之水氣透過率測試關係圖................... 79


表目錄
表2-1 軟性顯示器基材之比較........................................................................ 7
表2-2 塑膠基板材料特性需求........................................................................ 8
表2-3 塑膠軟板特性......................................................................................... 8
表4.1 不同NH3 / SiH4 流量比對照表........................................................... 48

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