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研究生:陳泊名
研究生(外文):Laconi
論文名稱:以橢圓儀檢測氧化鋅薄膜特性之探討
論文名稱(外文):Characterization of ZnO films using Spectroscopic Ellipsometry
指導教授:林克默林克默引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
中文關鍵詞:氧化鋅透明導電薄膜橢圓儀
外文關鍵詞:Spectroscopic Ellipsometry
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近年來,氧化鋅受到廣泛研究與探討,主要是由於它具有良好的光學與電學性質,其寬廣的能隙(~3.3eV)於可見光範圍幾乎是穿透的,可應用於太陽能晶片的透明電極等光電產品。本實驗室主要是以溶膠凝膠(sol-gel)配合浸漬塗佈法製備氧化鋅(ZnO: Zn, ZnO)透明導電薄膜,經由多層覆膜的製程來改善薄膜結晶品質,鋁摻雜最適當的比例為Al/Zn≦2.0at.%,並以600℃的結晶溫度熱處理可得到較佳的結晶品質。溶膠-凝膠製程可明顯改善ZnO薄膜的光學與電學性質,最佳透明導電薄膜之片電阻可達360Ω/□,可見光穿透率為80%以上,已達可應用於太陽能晶片透明電極之條件。
本研究使用光譜式橢圓儀(Spectroscopic Ellipsometry, SE)來檢測ZnO薄膜的厚度及光學性質,主要優點有:非破壞性量測,不需要額外準備試片、可減少成本,加速研發速度。經過反覆測試不同的振子模型oscillator model及其他光學模型後,本研究成功的建立了ZnO薄膜的光學模型。由此模型所得之膜厚與實驗結果十分接近。因此可藉由橢圓儀快速取得ZnO薄膜的厚度、消光係數(extinction coefficiency)和折射率(refraction index)等薄膜性質,並進一步推導出薄膜其他特性。此技術將有助於加速透明導電薄膜的研發。
Recently zinc oxide films have been gradually attented and widely investigated because of it’s good electrical and optical properties. In the visible region can almost pierce through for it’s large energy gape (~3.3eV) and applied to the transparent electrode of the solar energy chip. The films are prepared by sol–gel technique. By Multilayer procedure to improve the crystallization quality of the ZnO films. The ideal ratio of Al dopant was Al/Zn ≦ 2.0 at.%, and better quality of crystalline was obtained under heat treatment of 600℃. This indicates that the manufacturing process with sol-gel method has obviously improved the optical and electrical properties of the AZO thin films. For transparent conductive thin films of the best quality, the sheet resistance reached 360Ω/□,and the transmittance in visible light area was over 80%. This means that the thin film meets the requirements for being applied onto the transparent electrode of solar cells.
In this study,we detected the thickness and optical properties of the ZnO films by Spectroscopic Ellipsometry. The major advantage is as follows, non- destructive to measure examining,do not have to prepare for other ZnO chip, reducible cost and increase the speed of research.By repeadly tasting different oscillator models, and other optical model, We successful setting-up the optical model of the ZnO films.Therefore we can get the thickness﹑extinction coefficiency﹑refraction index of the ZnO films and can derive out other characteristics further. This technology will contribute to accelerating the research and development of the transparent conductive oxide films.
目  次
摘要 iv
英文摘要 v
誌謝 vi
目次 vii
表目錄 viii
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1文獻回顧 2
1.2目前導電薄膜厚度檢測的問題及解決方法 5
第二章 透明導電薄膜基本原理與成膜技術 6
2.1透明導電薄膜介紹 6
2.1.1 透明導電薄膜的種類 7
    2.1.2 透明導電薄膜的應用 8
2.2透明導電薄膜成膜技術 10
2.2.1 溶膠-凝膠法介紹 10
2.2.2 溶膠-凝膠法製膜技術 11
    2.2.3 溶膠-凝膠法特點 13
2.3目前透明導電薄膜的主要問題及解決方向 14
第三章 橢圓儀基本應用 16
3.1橢圓儀的介紹 16
3.2基礎光學與偏振光學原理 18
3.3多層結構的橢圓參數計算理論 20
3.4擬合模型之建立與理論 27
3.4.1 擬合模型建立步驟 27
3.4.2 橢圓儀建模介紹 28
    3.4.3 透明膜模式(Cauchy model) 28
3.4.4 點對點擬合(Point-by-point approximation) 31
3.4.5 振子模型 32
    3.4.6 振子模型擬合的流程 33
3.4.7 梯度模型(Simple graded model) 38
3.4.8 表面粗糙度(surface roughness) 39
第四章 氧化鋅薄膜的檢測與討論 41
4.1數據分析概論 41
4.2氧化鋅薄膜擬合過程 42
4.2.1 單層覆膜摻雜0.75%鋁之氧化鋅薄膜 43
4.2.2 雙層覆膜摻雜0.75%鋁之氧化鋅薄膜 48
4.2.3 三層覆膜摻雜0.75%鋁之氧化鋅薄膜 54
4.2.4 四層覆膜摻雜0.75%鋁之氧化鋅薄膜 59
4.2.5 單層覆膜摻雜1%鋁之氧化鋅薄膜 65
4.2.6 雙層覆膜摻雜1%鋁之氧化鋅薄膜 71
4.2.7 三層覆膜摻雜1%鋁之氧化鋅薄膜 77
4.2.8 四層覆膜摻雜1%鋁之氧化鋅薄膜 83
  4.3振子模型建立與分析探討 88
4.4相對密度 90
第五章 結論與展望 92
附錄 95
參考文獻 97








表 目 錄
表2-1 一些透明導電材料的性質比較[6] 6
表2-2 一些透明導電薄膜的使用例[6] 9
表2-3 三種最常見的TCO[13] 15
表5-1 1%鋁摻雜之氧化鋅薄膜 93
表5-2 0.75%鋁摻雜之氧化鋅薄膜 93

圖 目 錄
圖1.1 雙層薄膜模型示意圖[3] 2
圖1.2 在固定的波長下測量相同條件製程的晶圓比較的結果[4,5] 3
圖1.3 分析建模流程圖 5
圖2.1 溶膠-凝膠法製程及產物[10] 11
圖3.1 M-2000U橢圓偏光儀 16
圖3.2 橢圓儀量測薄膜厚示意圖 17
圖3-3 橢圓儀基本架構圖 17
圖3-4 偏振原理 18
圖3-5 偏光器原理示意圖 19
圖3-6(a)單層薄膜模型[11] 20
圖3-6(b)雙層架構示意圖[11] 24
圖3-7 擬合建模程序 27
圖3-8 透明膜模型參數 29
圖3-9 以透明膜模型擬合SiO2薄膜 29
圖3-10 以SiO2模型擬合SiO2薄膜 30
圖3-11 以點對點擬合去取得光學參數 31
圖3-12 以點對點擬合SiO2薄膜 32
圖3-13 以點對點擬合SiO2薄膜 32
圖3-14 振子模型 33
圖3-15 以Lorentz振子模型擬合 34
圖3-16 Lorentz振子模型參數 34
圖3-17 Drude 振子模型 35
圖3-18 Gaussian振子模型 36
圖3-19 Lorentz振子模型 37
圖3-20 Psemi-E0模型 38
圖3-21 梯度分佈示意圖 38
圖3-22 薄膜梯度擬合模型 39
圖3-23 表面粗糙度擬合模型 39
圖3-24 以Cauchy模型擬合Cu薄膜 40
圖3-25 以表面粗糙度模型擬合Cu薄膜 40
圖4-1 橢圓儀的功用 41
圖4-2 數據分析概論 42
圖4-3 0.75%Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 43
圖4-4 使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 43
圖4-5 使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜 44
圖4-6 使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 44
圖4-7 參考材料振子模型 45
圖4-8 調整適當的振盪子模型參數以使參考材料滿足K-K關係式 45
圖4-9 使用Oscillator 模型所得到的參數來進ㄧ步擬合 46
圖4-10使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 46
圖4-11薄膜折射率(n)及消消光係數(k) 47
圖4-12折射率梯度分佈 47
圖 4-13薄膜折射率 48
圖4-14 0.75%Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 48
圖4-15使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 49
圖4-16使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜 49
圖4-17使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 50
圖4-18參考材料振子模型 50
圖4-19調整適當的振盪子模型參數以擬合參考材料振子模型 51
圖4-20使用Oscillator 模型所得到的參數來進ㄧ步擬合 51
圖4-21使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 52
圖4-22薄膜折射率(n)及消消光係數(k) 52
圖4-23折射率梯度分佈 53
圖4-24薄膜折射率 53
圖4-25 0.75%Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 54
圖4-26使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 54
圖4-27使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜 55
圖4-28使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 55
圖4-29參考材料振子模型 56
圖4-30調整適當的振盪子模型參數以使參考材料滿足K-K關係式 56
圖4-31使用Oscillator 模型所得到的參數來進ㄧ步擬合 57
圖4-32使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 57
圖4-33薄膜折射率(n)及消消光係數(k) 58
圖4-34薄膜折射率 58
圖4-35 0.75%Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 59
圖4-36使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 59
圖4-37使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜 60
圖4-38使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 60
圖4-39參考材料振子模型 61
圖4-40調整適當的振盪子模型參數以使參考材料滿足K-K關係式 61
圖4-41使用Oscillator 模型所得到的參數來進ㄧ步擬合 62
圖4-42使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 62
圖4-43薄膜折射率(n)及消消光係數(k) 63
圖4-44折射率梯度分佈 63
圖4-45薄膜折射率 64
圖4-46 1 %Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 65
圖4-47使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 65
圖4-48使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜 66
圖4-49使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 66
圖4-50參考材料振子模型 67
圖4-51調整適當的振盪子模型參數以使參考材料滿足K-K關係式 67
圖4-52使用Oscillator 模型所得到的參數來進ㄧ步擬合 68
圖4-53使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 68
圖4-54薄膜折射率(n)及消消光係數(k) 69
圖4-55折射率梯度分佈 69
圖4-56薄膜折射率 70
圖4-57 1%Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 71
圖4-58使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 71
圖4-59使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜 72
圖4-60使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 72
圖4-61參考材料振子模型 73
圖4-62調整適當的振盪子模型參數以使參考材料滿足K-K關係式 73
圖4-63使用Oscillator 模型所得到的參數來進ㄧ步擬合 74
圖4-64使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 74
圖4-65薄膜折射率(n)及消光係數(k) 75
圖4-66折射率梯度分佈 75
圖4-67薄膜折射率 76
圖4-68 1%Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 77
圖4-69使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 77
圖4-70使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜 78
圖4-71使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 78
圖4-72參考材料振子模型 79
圖4-73調整適當的振盪子模型參數以使參考材料滿足K-K關係式 79
圖4-74使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合度 80
圖4-75使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 80
圖4-76薄膜折射率(n)及消消光係數(k) 81
圖4-77折射率梯度分佈 81
圖4-78薄膜折射率 82
圖4-79 1%Al氧化鋅的橢圓儀量測數據 83
圖4-80使用Cauchy模型擬合氧化鋅薄膜 83
圖4-81使用Point-by-point approximation擬合氧化鋅薄膜] 84
圖4-82使用點對點擬合得到初步折射率(n)及消光係數(k) 84
圖4-83參考材料振子模型 85
圖4-84調整適當的振盪子模型參數以使參考材料滿足K-K關係式 85
圖4-85使用Oscillator 模型所得到的參數來進ㄧ步擬合 86
圖4-86使用Simple graded model及Surface roughness模型擬合 86
圖4-87薄膜折射率(n)及消消光係數(k) 87
圖4-88折射率梯度分佈 87
圖4-89薄膜折射率 88
圖4-90 Psemi-E0振子模型 88
圖4-91 Durde振子模型 89
圖4-92 Gaussian振子模型 89
圖4-93摻雜0.75%鋁之氧化鋅薄膜相對密度與折射率對應之膜厚度之變化 90
圖4-94摻雜1%鋁之氧化鋅薄膜相對密度與折射率對應之膜厚度之變化 91
圖5-1橢圓儀建模分析結果比較 94
圖 附錄(a) 固定光學係數去擬合膜厚 95
圖 附錄(b) 固定膜厚去擬合光學係數 96
圖 附錄(c) 最後微調 96
參考文獻
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