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研究生:王英儒
研究生(外文):Ying-Ru Wang
論文名稱:電漿輔助化學氣相合成矽奈米柱之研究
論文名稱(外文):Synthesis of Vertically Oriented Silicon Nanorods by Plasma Chemical Vapor Deposition
指導教授:蕭錫鍊蕭錫鍊引用關係
指導教授(外文):Hsi-Lien Hsiao
口試委員:楊安邦江雨龍洪雪行林憲信
口試委員(外文):An-Ban YangYeu-Long JiangHsueh-Hsing HungHsien-Hsin Lin
口試日期:2011/7/25
學位類別:碩士
校院名稱:東海大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:電漿矽奈米柱
外文關鍵詞:PlasmaSilicon Nanorods
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熱燈絲輔助化學氣相沉積法,雖然成功地在非晶基板上成長出筆直矽奈米柱,但是卻遭遇了三項嚴重的問題:1.熱燈絲嚴重的衰減,造成製程的重複性差;2.矽奈米柱的材料品質不佳,例如,表面不平整與表面結構不緻密等;3.奈米柱成長初期並不會均勻地垂直於基板方向成長。本研究希望利用自行設計的電漿輔助化學氣相沉積系統,解決熱燈絲輔助化學氣相沉積系統在成長矽奈米柱上遭遇的問題,並於非晶基板上成長出筆直矽奈米柱。此研究並將依據電漿輔助化學氣相沉積之系統特性,尋找出矽奈米柱成長於二氧化矽基板上的最佳製程條件。
本研究採用電容耦式(Capacitively coupled)電漿輔助化學氣相沉積系統進行黃金金屬催化矽奈米柱之合成製程。我們於電漿輔助化學氣相沉積系統之反應腔體內加裝石英爐管,此石英爐管將上電極的氣體導流板(shower head),與下電極的加熱器(heater)環罩管內,藉此將製程氣體侷限於兩電極之間,而不至於快速擴散出兩電極範圍;當電漿激發後,可以藉由石英爐管將電漿作用範圍侷限住,藉此有效地提高解離率,並提高電漿密度。同時,當電漿被侷限於兩電極之間時,電極的周圍會產生電漿鞘層(plasma sheath),由於邊界效應的影響,當電漿鞘形成垂直於電極的電場時,此電場可誘導矽奈米柱筆直成長於二氧化矽非晶基板上。此為本研究可利用設計改良之電漿輔助化學氣相沉積系統於二氧化矽非晶基板上成長筆直矽奈米柱的關鍵。
本研究在探討製程條件上,藉由調變射頻電漿功率、電極距離、製程氣體流量與製程壓力,產生最佳電漿效果;利用此製程條件本實驗室成功於二氧化矽基板上,成長出高品質之筆直矽奈米柱。

Hot wire chemical vapor deposition (HW-CVD) is facing three major difficulties in nanorod growth even though it is successfully grown Si nanorods on amorphous substrates. (1) The reproducibility is highly affected by the aging of the hot filament. (2) Material quality of the nanorods grown on amorphous substrates using HW-CVD is always poor with rough surface and voids. (3) In the initial stage of nanorod growth, the nanorods cannot be regularly aligned along the growth direction that is perpendicular to the substrate surface.
To design a new plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system, this study is aimed at producing high quality and vertically aligned Si nanorods on amorphous substrates. We also provide a solution to overcome the major problems for the Si nanorod growth that have been found in HW-CVD. In this work, I have optimized the growth conditions of the Si nanorods on SiO2 substrate using the newly designed home-made PECVD system.
Si nanorods are grown with gold metal catalyst in our newly designed home-made capacitively coupled PECVD system. In this home-made PECVD system, we have designed an extra quartz furnace as a reactor chamber and put it inside the PECVD system. For making parallel plate plasma CVD apparatus, we utilized the shower head as a top electrode, and the heater as a bottom electrode. This parallel plate plasma CVD apparatus is covered inside the quartz furnace in order to realize the unidirectional gas flow within the system. This design offers extra advantages that can be easily modulated and confined the plasma in the quartz furnace. Owing to this design, the ionization rate of the plasma is enhanced where the effectively plasma densities are also increased. Meanwhile, when the plasma is confined within the top- and bottom-electrodes, there is a plasma sheath generated in the edge of the apparatus. Because of the boundary effect, when the electric field induced by the plasma sheath is perpendicular to the top- and bottom-electrodes, this induced electric field is assisted to grow vertically aligned Si nanorods on amorphous SiO2 substrate. This is the most important reason why we are able to grow well-aligned Si nanorods on amorphous SiO2 substrate in our newly designed home-made capacitively coupled PECVD system.
By varying the power of the plasma, working distance, gas flow, and working pressure in our newly designed home-made PECVD system, I have fine-tuned the growth conditions and achieved the high quality and vertically aligned Si nanorods on SiO2 substrates.
.
誌謝………………………………….……………………….…...…….Ⅰ
中文摘要………………………………….………………….…..….….Ⅱ
英文摘要……………………………….……………………………….Ⅲ
目錄………………………………….………………………………….Ⅳ
圖目錄………………………………….…………………...….……….Ⅴ
表目錄………………………………………….……………...……….VI
第一章 序論……………………………….…………………………….1
1-1 前言…………………………….……………………..….……….1
1-2 文獻回顧………………………………….……….…..………….2
1-3 研究動機…………………………….………………..….……….2
1-4 電漿系統的基本原理…………………………………………….3
第二章 實驗儀器裝置與原理……………………………...…..……….8
2-1 溅鍍系統………………………….………………….…..……….8
2-2 電漿化學氣相沉積系統…………………………….…...……….9
2-3 掃描式電子顯微鏡………………………………..…………….11
第三章 實驗方法與步驟……………………………….…..……..…….6
3-1 實驗設備設計改良……………………………………....……….6
3-2 實驗方向………………………….……………...……………….6
3-3 實驗流程………………………………….…………...…..…….17
3-4 設計調變製程條件……………………………….....….……….18
第四章 結果與討論……………………………….…………..……….24
4-1 射頻功率對矽奈米柱合成之影響……..……………………….24
4-2 電極距離對合成矽奈米柱之影響………………………..…….24
4-3 製程環境改變對矽奈米柱合成之影響……………..………….25
4-4 邊界效應對合成矽奈米柱之影響………………….….……….26
4-5 下電極接正偏壓與負偏壓對合成矽奈米柱之影響…..……….26
4-6 下電極 Floating與Ground對合成矽奈米柱之影響…..……….27
4-7 射頻電源供應器對合成矽奈米柱之影響………..…………….27
4-8 氬氣對合成矽奈米柱之影響…………………………..……….28
4-9 製程氣體流量比例調降對合成矽奈米柱之影響……..……….29
4-10 特定參數定值時壓力對合成矽奈米柱之影響……………….29
4-11 固定較佳製程參數時壓力對合成矽奈米柱之影響………….29
4-12 固定較佳製程參數時改變射頻功率對合成矽奈米柱之影響.30
第五章 結論…………………………………………………...……….61
參考文獻……………………………………………………...…….......62




圖目錄

圖1-1 熱燈絲輔助成長筆直直立矽奈線樣品SEM圖………..…..…….4
圖1-2 熱燈絲輔助成長原理示意圖…………………………..…..…….4
圖1-3 直立矽奈米柱成長原理示意圖……..……..…………………….5
圖1-4 燈絲衰減重複性差示意圖…………………….……..….……….5
圖1-5 矽奈米柱表面不平整及結構鬆散樣品SEM圖………....……….6
圖1-6 矽奈米柱成長初期不均勻垂直於基板樣品SEM圖…………….6
圖1-7 電漿系統示意圖…………………………………….….…..…….7
圖2-1 濺鍍製程中Ar+轟擊靶材過程………………………..…..…….13
圖2-2 電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)…………..………….13
圖2-3 掃瞄電子顯微鏡主要構造示意圖……………………..……….14
圖2-4 電子束與試片之作用…………………………………..……….14
圖2-5 熱場發射掃描式電子顯微鏡硬體圖……………………..…….15
圖3-1 本實驗室改良之電漿輔助化學氣相沉積系統……………..….19
圖3-2 電漿系統形成電場示意圖………………………………..…….20
圖3-3 電漿鞘系統示意圖……………………………….…...…..…….20
圖3-4 石英爐管安裝示意圖…………………………….…...…..…….21
圖3-5 邊界效應區塊定義示意圖………………………………..…….21
圖4-1 射頻功率40瓦之樣品SEM圖…………………………..……….31
圖4-2 射頻功率60瓦之樣品SEM圖…………………………..……….32
圖4-3 射頻功率80瓦之樣品SEM圖………………………………...…33
圖4-4 射頻功率40瓦、60瓦、80瓦樣品SEM比較圖….……….…….33
圖4-5 電極距離4公分之樣品SEM圖…………….……………...…….34
圖4-6 電極距離6公分之樣品SEM圖………………….……..….…….35
圖4-7 電極距離8公分之樣品SEM圖……………….………..….…….36
圖4-8 電極距離4公分、6公分、8公分之樣品SEM比較圖….……….37
圖4-9 實驗環境改變前、後之樣品SEM圖比較圖…….……….…….37
圖4-10 新製程環境之樣品SEM圖…………………………………….38
圖4-11 邊界效應之樣品SEM圖A………………………….………….38
圖4-12 邊界效應之樣品SEM圖A……………………………….……39
圖4-13 正、負偏壓改變之樣品SEM圖……………………………….39
圖4-14 Floating與Ground之樣品SEM圖…………………...………….40
圖4-15 射頻電源供應器改變之樣品SEM圖………………………….41
圖4-16 氬氣氣體流量100sccm之樣品SEM圖……………….……….42
圖4-17 早期製程氣體流量設定之樣品SEM圖……………………….43
圖4-18 製程氣體流量等比例調降之樣品SEM圖…………………….44
圖4-19 壓力1torr、3torr、4torr調變之樣品SEM比較圖…………….45
圖4-20 壓力1torr調變之樣品SEM圖………………………………….45
圖4-21 壓力3torr調變之樣品SEM圖………………………………….46
圖4-22 壓力4torr調變之樣品SEM圖………………………………….47
圖4-23 較佳製程條件下壓力1torr之樣品SEM圖A…….…………….48
圖4-24 較佳製程條件下壓力1torr之樣品SEM圖B….……………….49
圖4-25 較佳製程條件下壓力2torr之樣品SEM圖A…………………..50
圖4-26 較佳製程條件下壓力2torr之樣品SEM圖B…………………..51
圖4-27 較佳製程條件下壓力3torr之樣品SEM圖…………………….52
圖4-28 依據較佳製程條件下調變壓力之樣品SEM比較圖………….53
圖4-29 依據較製程條件下調變射頻功率50瓦之樣品SEM圖……….53
圖4-30 依據較佳製程條件下調變射頻功率60瓦之樣品SEM圖…….54
圖4-31 依據較佳製程條件下調變射頻功率70瓦之樣品SEM圖…….54
圖4-32 射頻功率50瓦、60瓦、70瓦之樣品SEM比較圖……………….55













表目錄

表3-1 實驗起始製程條件參數A…………………….…………...........22
表3-2 實驗起始製程條件參數B…………….………...…….………...22
表3-3 實驗環境改變測試參數…………….………...…...….………..23
表4-1 射頻功率調變參數表…………….………...…...…....................31
表4-2 電極距離調變參數表…………….………...…...….…………...32
表4-3 新製程條件參數表…………….………...…...….………….......33
表4-4 外加偏壓製程條件參數表…………….………...….………….33
表4-5 下電極接地狀態製程條件參數表…...….………...….………..34
表4-6 射頻電源供應器調變參數表…...….…………...….…...............35
表4-7 氬氣氣體流量調變參數表…...….………...….……...................36
表4-8 各製程氣體流量等比例調降參數表…...………...…..………...37
表4-9 壓力調變參數表…...….………...….…………...…....................37
表4-10 依據較佳製程條件下調變壓力參數表…. ……...….……......38
表4-11 依據較佳製程條件下調變壓力參數表…...….………............38

[1] CHEMISTRY(THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI)December. 2004 Vol. 62, No.4, pp.569~578
[2] 物理雙月刊二十八卷二期2006年4月
[3] 蕭錫鍊、江雨龍(太陽能電池的第二章、第五章)伍南圖書出版股份有限公司,2009
[4] Michael D. Kelzenberg et al. Nature Materials Vol 9 March,2010
[5] Erik Garnett et al. Nano Lett. Vol 10 1082–1087,2010
[6] B.M. Kayes et al. J. Appl. Phys. 97114302/1–114302/11,2005
[7] 工業調查會電子才料編輯部(電漿化學)復漢出版社,1991
[8] S. Y. Lien(電子材料的電漿的基礎原理、製程與應用)
[9] 工業調查會電子才料編輯部(電漿化學)復漢出版社,1991
[10] 工業調查會電子才料編輯部(電漿化學)復漢出版社,1991
[11] 陳勤傑,東海大學物理系碩士論文,2009
[12] 張傑倫,東海大學物理系碩士論文,2010
[13] 沈冠瑜,東海大學物理系碩士論文,2010

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