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研究生:凃易翔
研究生(外文):Ih-siang Tu
論文名稱:氧化鋅透明導電薄膜特性之研究
論文名稱(外文):A Study of the ZnO Transparent Conductive Thin Film
指導教授:許庭魁
指導教授(外文):Ting-kuei Hsu
口試委員:侯浩生,王俊傑,許庭魁
口試日期:2010-06-19
學位類別:碩士
校院名稱:南榮技術學院
系所名稱:工程科技研究所碩士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:61
中文關鍵詞:射頻磁控濺鍍
外文關鍵詞:R.F magnetron sputtering
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本研究使用射頻磁控濺鍍法(RF magnetron sputtering),濺鍍薄膜於玻璃、矽晶圓基板上。以氧化鋅、摻鋁氧化鋅和摻鈦氧化鋅為靶材,通入氧氣及氬氣進行成長濺鍍,藉由控制氧氣濃度、射頻功率以探討濺鍍製程參數對沉積氧化鋅薄膜之表面結構的影響,並可獲得以c 軸(002)為優選取向的氧化鋅薄膜。再由X-Ray、SEM、α-Step、UV-Vis光譜儀、四點探針等儀器進行對薄膜的分析。
經由改變不同濺鍍功率及沈積時間以得到本研究所自製靶材的最佳薄膜之光電特性當工作壓力在3mTorr,通入氬氣氣體流量300sccm,RF功率為100 W,濺鍍時間為30分鐘時,可以得到相對較低的片電阻與較高的光穿透率之氧化鋅薄膜。而沈積在Si基板之薄膜其片電阻為24.93Ω/□。在可見光區平均透光率均在80%以上。

關鍵字:射頻磁控濺鍍、靶材、摻鋁氧化鋅、片電阻
The R.F magnetron sputtering technique is employed in this study , thin films were deposited on the glass and silicon wafer by using the targets of ZnO, ZnO doped Al (2wt%, ZnO:Al), and ZnO doped Ti (1.5wt%, ZnO:Ti) materials. The atmosphere of reaction chamber containing a mixture of argon and oxygen gas by suitable controlling the ratio of O2 /Ar and R.F power, the ZnO thin film with C-axis preferred orientation can be obtained. The microstructure and properties of the thin films were investigated by using X-ray diffractometer、SEM、α- step、UV-Vis and four-point probe method.
The optimum of electro-optical properties was provided by varying the sputtering power and sputtering time from laboratory hand-made targets. It was found that the relative of low sheet resistance and high transmittance rate can be obtained by under the conditions at 3m Torr of sputtering pressure, 300 sccm of mixture argon and oxygen working gas flow, 100 W of sputtering power, and 30 minutes of sputtering time. In this study, the sheet resistance was 24.93Ω/□ and the optical transmittance rate was greater than 80% in the range of 300 to 900 nm wavelength on silicon wafer.

Keywords:R.F magnetron sputtering、target、ZnO:Al、sheet resistance

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
第一節 前言 1
第二節 研究目的 2
第二章 基礎理論與文獻回顧 4
第一節 ZnO材料特性 4
第二節 透明導電氧化物薄膜之性質 6
第三節 電漿之基礎理論 9
第四節 濺鍍之基礎理論 10
壹、磁控濺射 11
貳、射頻濺射 11
第五節 薄膜成核成長理論 13
第六節 薄膜結構型態 14
第三章 實驗方法與步驟 16
第一節 實驗流程 16
第二節 製備濺鍍用靶材流程 18
第三節 基板前處理 20
第四節 濺鍍流程 21
第五節 薄膜分析與量測 23
壹、電性分析 23
貳、光學分析 24
参、結晶結構分析 24
肆、表面形貌分析 25
伍、膜厚分析 25
第四章 實驗結果與討論 26
第一節 氧化鋅薄膜分析 26
第二節 摻雜鋁之氧化鋅薄膜分析 36
第三節 摻雜鈦之氧化鋅薄膜分析 46
第四節 綜合討論 55
第五章 結論 58
參考文獻 59
表1-1 透明導電膜應用 3
表2-1 氧化鋅的基本特性 5
表2-2 ITO、ZnO系列及SnO2系列之透明導電氧化物薄膜性能 6
表2-3 比較常見的摻雜物性質 6
表3-1 濺鍍總參數表 21
表4-1片電阻綜合比較表(單位:Ω/□) 57

圖2-1 ZnO原子結構圖 4
圖2-2 摻雜量與基板溫度對於蝕刻後薄膜表面的影響 8
圖2-3 正離子與靶材表面碰撞發生之各種現象 11
圖2-4 RF濺鍍之設備(含匹配電路)示意圖 12
圖2-5 薄膜成長過程示意圖 13
圖2-6 Thornton修飾的微結構 14
圖2-7 Modified Thornton Model By O.Klut 15
圖3-1 實驗與分析流程圖 17
圖3-2 靶材製作流程圖 19
圖3-3 燒節溫度曲線圖 19
圖3-4 基板前處理流程圖 20
圖3-5 射頻磁控濺鍍機系統示意圖 22
圖3-6 四點探針示意圖 23
圖3-7 X射線繞射裝置示意圖 24
圖4-1 濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO薄膜穿透率圖 28
圖4-2 濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO薄膜穿透率圖 28
圖4-3 在玻璃基板濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO薄膜XRD圖 29
圖4-4 在矽基板濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO薄膜XRD圖 29
圖4-5 在玻璃基板濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO薄膜XRD圖 30
圖4-6 在矽基板濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO薄膜XRD圖 30
圖4-7 在玻璃基板成長30分鐘、不同功率之ZnO薄膜SEM表面結晶形貌圖 31
圖4-8 在矽基板成長30分鐘、不同功率之ZnO薄膜SEM表面結晶形貌圖 32
圖4-9 在玻璃基板成長60分鐘、不同功率之ZnO薄膜SEM表面結晶形貌圖 33
圖4-10 在矽基板成長60分鐘、不同功率之ZnO薄膜SEM表面結晶形貌圖 34
圖4-11 濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO薄膜厚度圖 35
圖4-12 濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO薄膜厚度圖 35
圖4-13 濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜穿透率圖 38
圖4-14 濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜穿透率圖 38
圖4-15 在玻璃基板上濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜XRD圖 39
圖4-16 在矽基板上濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜XRD圖 39
圖4-17 在玻璃基板濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜XRD圖 40
圖4-18 在矽基板濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜XRD圖 40
圖4-19 在玻璃基板成長30分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜SEM表面結晶形貌圖 41
圖4-20 在矽基板成長30分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜SEM表面結晶形貌圖 42
圖4-21 在玻璃基板成長60分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜SEM表面結晶形貌圖 43
圖4-22 在矽基板成長60分鐘、不同功率之ZnO:Al薄膜SEM表面結晶形貌圖 44
圖4-23 濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO: Al薄膜厚度圖 45
圖4-24 濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO: Al薄膜厚度圖 45
圖4-25 濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜穿透率圖 47
圖4-26 濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜穿透率圖 47
圖4-27 在玻璃基板濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜XRD圖 48
圖4-28 在矽基板濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜XRD圖 48
圖4-29 在玻璃基板濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜XRD圖 49
圖4-30 在矽基板濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜XRD圖 49
圖4-31 在玻璃基板成長30分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜SEM表面結晶形貌圖 50
圖4-32 在矽基板成長30分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜SEM表面結晶形貌圖 51
圖4-33 在玻璃基板成長60分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜SEM表面結晶形貌圖 52
圖4-34 在矽基板成長60分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜SEM表面結晶形貌圖 53
圖4-35 濺鍍30分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜厚度圖 54
圖4-36 濺鍍60分鐘、不同功率之ZnO:Ti薄膜厚度圖 54
圖4-37 綜合比較濺鍍30分鐘之穿透率變化圖 56
圖4-38 綜合比較濺鍍60分鐘之穿透率變化圖 56


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