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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝勝輝
研究生(外文):Sheng-Hui Hsieh
論文名稱:利用反應式濺鍍法成長氧化鋅薄膜之研究
論文名稱(外文):Growth and Characterization of ZnO Thin Film by Reactive Sputtering
指導教授:曾百亨曾百亨引用關係
指導教授(外文):Bae-Heng Tseng
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:材料科學研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:奈米材料反應式濺鍍法透明導電薄膜氧化鋅
外文關鍵詞:nanozinc oxidereactive sputteringAZOTCO
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氧化鋅薄膜具有可與氧化銦錫(ITO)薄膜相比擬的電學與光學特性,本研究運用反應式共焦磁控濺鍍,並摻雜鋁使氧化鋅薄膜電阻值下降,針對其光性與電性進行探討與了解。
在氧化鋅的反應濺鍍過程中加入鋁靶參與濺鍍的情況下,我們發現隨著鋁靶濺鍍功率漸增,其薄膜結構亦產生變化,由米粒狀的微結構變為了奈米晶粒結構。奈米晶粒結構可成長其於不同基板種類,明顯降低薄膜光學折射率。
對薄膜進行RTA處理有助於大幅降低薄膜的電阻率,而過程中與退火溫度及降溫時間有關;而對不同鋁濺鍍功率成長鋁摻氧化鋅薄膜進行RTA處理,可證實鋁的摻雜的確大幅的改變了氧化鋅薄膜的電性,提供適量的鋁濺鍍功率可降低薄膜之片電阻,但過高的鋁濺鍍功率卻反而使薄膜之片電阻大幅提升。適量鋁濺鍍功率之氧化鋅薄膜在RTA過程後,其薄膜晶粒間空隙大幅減少,提昇薄膜的連續性,而ESCA分析推測原來含少量之氧化鋁鍵結,因RTA處理而減少或重新排列,使片電阻大幅下降。高鋁濺鍍功率之鋁摻氧化鋅薄膜,在RTA處理後,仍具高片電阻,推測應與其內部過量之氧化鋁成分形成的晶界障礙有關,其使得載子濃度與遷移率下降,也降低薄膜之導電性質。
Transparent conductive aluminum-doped zinc oxide(AZO) thin films were synthesized by reactive RF magnetron co-sputtering system with metallic zinc and aluminum targets under oxygen atmosphere. Systematic study on the fixed sputtering power of the Zinc target (PZn) and the variation of the sputtering power of the Aluminum target (PAl) on structural, electrical and optical properties of AZO thin film was mainly investigated in this work. We found that the microstructure of AZO films would be obviously transformed from rice-like crystalline structure to nanocrystalline (nano-column) structure with the increasing of the sputtering power of the Aluminum target (PAl) . Nanocrystalline AZO films were formed at the specific sputtering power ratio of metallic targets (PAl/ PZn=1) . X-ray diffraction (XRD) spectra revealed that nanocrystalline AZO films highly preferred c-axis orientation (002) was growth in perpendicular to the substrate. The optical refractive index (n) of nanocrystalline AZO films had significantly lower values than others of microstructure AZO films, and this suggested the low optical dispersion in nano-column structure .
Furthermore, the electronic properties of AZO films with the proper sputtering power of the Aluminum target (PAl) evidently improved under rapid temperature annealing (RTA) process. It suggested that both high annealing temperature(400℃) and rapid cooling time(15min) are main factors to decrease the sheet resistances due to the maintenance of high temperature structural phase. The results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) show that RTA process can decrease oxidized Al in order to decrease the sheet resistances.
摘要 1

英文摘要 2

第一章 前言 8
1.1導論 8
1.2 研究目的 9

第二章 文獻與理論 10
2.1 氧化鋅薄膜之介紹 10
2.2 氧化鋅薄膜與摻雜之研究 11
2.3 P型氧化鋅的研究 12
2.4真空濺鍍原理 13
2.4.1 電漿的產生 13
2.4.2 射頻電漿 13
2.4.3 反應式磁控濺鍍 14

第三章 研究規劃 15
3.1 實驗規劃 15
3.1.1 調變參數成長純氧化鋅薄膜 15
3.1.2 共焦反應濺鍍成長摻雜金屬氧化鋅薄膜 15
3.1.3 鋁摻氧化鋅薄膜與奈米晶粒之研究 15
3.1.4 鋁摻氧化鋅薄膜進行快速熱退火(RTA)之研究 15
3.2 實驗流程 16
3.2.1 薄膜成長與分析流程 16
3.2.2 快速熱退火(RTA)處理與分析流程 17
3.3 實驗設備與器材 18
3.3.1 濺鍍系統 18
3.3.2 快速熱退火(RTA)系統 18
3.3.3 實驗器材 18
3.4 實驗分析儀器 19
3.4.1 掃描式電子顯微鏡 19
3.4.2 X-ray繞射儀 19
3.4.3 吸收光譜儀 20
3.4.4 反射光譜儀 20
3.4.5 化學電子能譜儀(ESCA) 20
3.4.6 四點探針 21
3.4.7 熱點探針 21

第四章 研究結果 23
4.1 調變參數成長純氧化鋅薄膜之研究 23
4.1.1 氧分壓 23
4.1.2 鋅靶濺鍍功率 24
4.1.3 成長溫度 24
4.2共焦反應濺鍍成長鋁摻氧化鋅與銅摻氧化鋅薄膜之研究 25
4.2.1 鋁靶濺鍍功率之影響 25
4.2.1-1 鋁摻氧化鋅薄膜微結構 25
4.2.1-2 鋁摻氧化鋅薄膜之光學性質 27
4.2.1-3 鋁摻氧化鋅薄膜之光學折射率性質 28
4.2.1-4 鋁摻氧化鋅薄膜之導電性質 31
4.2.2 鋁摻氧化鋅薄膜與奈米晶粒之研究 33
4.2.2-1 鋁摻氧化鋅薄膜奈米晶粒微結構 33
4.2.2-2 鋁摻氧化鋅薄膜奈米晶粒之折射率性質 34
4.2.2-3 不同基板成長鋁摻氧化鋅薄膜奈米晶粒微結構之研究 34
4.2.2-4 103單晶太陽電池基板成長鋁摻氧化鋅薄膜奈米晶粒微結構之研究 35
4.2.3 銅靶濺鍍功率之影響 37
4.2.3-1 銅摻氧化鋅薄膜之薄膜微結構 37
4.2.3-2 銅摻氧化鋅薄膜之光學性質 38
4.3 鋁摻氧化鋅薄膜進行快速熱退火(RTA)之研究 39
4.3.1氮氣與氧氣下RTA對鋁摻氧化鋅導電性質之影響 39
4.3.2不同RTA溫度對鋁摻氧化鋅導電性質之影響 40
4.3.3 RTA中不同冷卻時間對鋁摻氧化鋅導電性質之影響 41
4.3.4 不同鋁濺鍍功率之鋁摻氧化鋅薄膜進行RTA處理 42
4.3.4-1 RTA後鋁摻雜與導電性質之關係 42
4.3.4-2 化學電子能譜儀分析 44
4.3.4-2(A) RTA處理前後AZO電性的改變與ESCA分析 46
4.3.4-2(B) 高鋁濺鍍功率AZO與ESCA分析 47
4.3.4-2(C) RTA後鋁摻雜之導電性質與ESCA分析 47

第五章 結論 50
5.1 鋅鋁共焦濺鍍對氧化鋅薄膜結構的影響 50
5.2 鋅鋁共焦濺鍍對氧化鋅薄膜光學性質的影響 50
5.3 鋁摻氧化鋅奈米晶粒薄膜之性質 51
5.4 快速熱退火(RTA)處理對導電性質的影響 51
5.5 薄膜導電性質與ESCA鍵結能分析 51

圖表目錄 53
圖一、氧化鋅(ZnO)薄膜,六方晶系黃銅礦結構(hexagonal wurtzite) 53
圖二、反應式濺鍍系統設備示意圖 53
圖三、【SEM】不同氧分壓,成長純氧化鋅薄膜 54
圖四、【SEM】不同鋅靶濺鍍功率,成長純氧化鋅薄膜 54
圖五、【SEM】不同成長溫度,成長純氧化鋅薄膜 54
圖六、【XRD】不同氧分壓,成長純氧化鋅薄膜 55
圖七、【Transmission】不同氧分壓,成長純氧化鋅薄膜 55
圖八、【SEM】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變鋁濺鍍靶功率 56
圖九、【SEM】固定鋅靶濺鍍功率25W,改變鋁濺鍍靶功率 57
圖十、【XRD】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變鋁濺鍍靶功率 58
圖十一、【XRD】固定鋅靶濺鍍功率25W,改變鋁濺鍍靶功率 58
圖十二、【Transmission】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變鋁濺鍍靶功率 59
圖十三、【Transmission】固定鋅靶濺鍍功率25W,改變鋁濺鍍靶功率 59
圖十四、【SEM】純氧化鋅與鋁摻氧化鋅薄膜側視圖 60
圖十五、【Refractive index】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變鋁濺鍍靶功率 61
圖十六、【Refractive index】固定鋅靶濺鍍功率25W,改變鋁濺鍍靶功率 61
圖十七、【SEM】不同尺度之氧化鋅奈米晶粒薄膜 62
圖十八、【XRD】不同尺度之氧化鋅奈米晶粒薄膜 62
表一、SEM觀察與XRD計算奈米晶粒尺度表 63
圖十九、【Refractive index】不同尺度之氧化鋅奈米晶粒薄膜 63
圖二十、【SEM】不同基板成長之氧化鋅奈米晶粒薄膜 64
圖二十一、【SEM】103單晶太陽電池基板之氧化鋅奈米晶粒薄膜成長 64
圖二十二、【SEM】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變銅濺鍍靶功率 65
圖二十三、【XRD】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變銅濺鍍靶功率 66
圖二十四、【Transmission】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變銅濺鍍靶功率 66
表二、鋁摻氧化鋅薄膜在氮氣與氧氣下快速熱退火與導電性質比較表 67
表三、鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:20W;Al:20W)在不同退火溫度下與導電性質比較表 68
圖二十五、【電性】鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:20W;Al:20W)在不同退火溫度下與導電性質關係圖 68
圖二十六、【SEM】在不同退火溫度之鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:20W;Al:20W) 69
圖二十七、【CL】鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:20W;Al:20W)在RTA(400℃)處理前後,波型比較圖 70
圖二十八、【XRD】RTA(400℃)處理前後之鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:20W;Al:20W)比較圖 70
表四、鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:50W;Al:50W)在不同退火溫度下與導電性質比較表 71
表五、鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:50W;Al:50W)在退火過程中不同冷卻時間與導電性質比較表 72
圖二十九、【電性】鋁摻氧化鋅薄膜(Zn:50W;Al:50W)在退火過程中不同冷卻時間與導電性質關係圖 72
表六、固定鋅靶濺鍍功率25W,改變鋁濺鍍靶功率之鋁摻氧化鋅薄膜,在RTA後與導電性質比較表 73
圖三十、【電性】固定鋅靶濺鍍功率25W,改變鋁濺鍍靶功率之鋁摻氧化鋅薄膜,在RTA後與導電性質關係圖 73
表七、固定鋅靶濺鍍功率50W,改變鋁濺鍍靶功率之鋁摻氧化鋅薄膜,在RTA後與導電性質比較表 74
圖三十一、【電性】固定鋅靶濺鍍功率50W,改變鋁濺鍍靶功率之鋁摻氧化鋅薄膜,在RTA後與導電性質關係圖 74
圖三十二、【ESCA】鍵結能與訊號相對強度化學電子能階全譜圖I 75
圖三十三、【ESCA】Zn 2p3/2鍵結能(Zn:50W;Al:50W;before RTA) 76
圖三十四、【ESCA】Zn 2p3/2鍵結能(Zn:50W;Al:50W;after RTA) 76
圖三十五、【ESCA】Zn 2p3/2鍵結能(Zn:50W;Al:70W;after RTA) 76
圖三十六、【ESCA】Al 2p3/2鍵結能與訊號相對強度比較圖 77
圖三十七、【ESCA】Al 2p3/2鍵結能(Zn:50W;Al:50W;before RTA) 78
圖三十八、【ESCA】Al 2p3/2鍵結能(Zn:50W;Al:70W;after RTA) 78
圖三十九、【ESCA】O 1s鍵結能(Zn:50W;Al:50W;before RTA) 79
圖四十、【ESCA】O 1s鍵結能(Zn:50W;Al:50W;after RTA) 79
圖四十一、【ESCA】O 1s鍵結能(Zn:50W;Al:70W;after RTA) 80
圖四十二、【ESCA】鍵結能與訊號相對強度化學電子能階全譜圖II 81
圖四十三、【ESCA】Zn 2p3/2鍵結能(Zn:25W;after RTA) 82
圖四十四、【ESCA】Zn 2p3/2鍵結能(Zn:25W;Al:35W;after RTA) 82
圖四十五、【ESCA】Zn 2p3/2鍵結能(Zn:25W;Al:45W;after RTA) 82
圖四十六、【ESCA】Al 2p3/2鍵結能與訊號相對強度比較圖 83
圖四十七、【ESCA】Al 2p3/2鍵結能(Zn:25W;Al:35W;after RTA) 84
圖四十八、【ESCA】Al 2p3/2鍵結能(Zn:25W;Al:45W;after RTA) 84
圖四十九、【ESCA】O 1s鍵結能(Zn:25W;after RTA) 85
圖五十、【ESCA】O 1s鍵結能(Zn:25W;Al:35W;after RTA) 85
圖五十一、【ESCA】O 1s鍵結能(Zn:25W;Al:45W;after RTA) 86
圖A、半導體材料成長溫度與基本性質表 87
圖B、純氧化鋅靶材在不同成長功率下成長純氧化鋅薄膜SEM正視圖 87
圖C、純氧化鋅靶材在不同成長功率成長純氧化鋅薄膜XRD鑑定圖 88
圖D、結晶矽與非結晶矽之波長與折射率關係圖 88

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