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研究生:莊偉銘
研究生(外文):Wei-Ming Chaung
論文名稱:IGZO陶瓷之燒結行為與特性研究
論文名稱(外文):Sintering Behavior and Characteristics of IGZO Ceramics
指導教授:吳明偉
指導教授(外文):Ming-Wei Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:材料科學與綠色能源工程研究所在職專班
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:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:46
中文關鍵詞:燒結電學性質顯微組織噴霧造粒
外文關鍵詞:IGZOsinteringelectrical propertymicrostructurespray dryingEPMA
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近年來由於電子業發展迅速,尤其顯示器的互相競爭更為激烈,基於開發出更高畫質、更快的反應速率及更低耗電的產品,IGZO已成為提高產品效能的重要材料。
本實驗利用金屬氧化物In2O3、Ga2O3、ZnO以濕式製程製備In2O3:Ga2O3:ZnO比例分別為1:1:1(IGZO-111)及1:1:2(IGZO-112)混合並球磨,以噴霧乾燥造粒機製備造粒粉體,目的為提升粉體流動性,為得到較佳之生胚密度及燒結密度,接續以高溫電爐分別在1200℃、1300℃、1400℃、1500℃燒結,探討ZnO添加比例和燒結溫度不同對試片的密度、結晶結構、元素分佈及電阻率的影響。
依實驗結果發現導電率最佳的是IGZO-111在1500℃燒結,電阻率為1.53×10-3Ωcm,密度最佳的是IGZO-111在1300℃燒結,相對理論密度為100%。在顯微結組織方面,相同燒結溫度下IGZO-111晶粒尺寸較IGZO-112大。結晶結構方面,IGZO-111燒結至1200℃開始出現ZnGa2O4尖晶石相,燒結至1500℃則轉變為In2Ga2O7相。IGZO-112燒結溫度至1500℃皆為InGaZnO4相。經EPMA分析IGZO-111燒結後之元素分佈情形,In、Ga、Zn 在1200℃時仍有部分團聚現象。當燒結溫度至1400℃時各元素分佈情形改善為均勻狀況。


Due to the rapid growth of the electronics industry, particularly in the field of the display, the products with good pixels, quicker response speed, and the low electricity consumption are focused. IGZO has become an important material for improved product performances.
This study used a wet process to mix and ball mill the In2O3, Ga2O3, and ZnO powders for preparing the IGZO slurry with the ratio of 1:1:1 (IGZO-111) and 1:1:2 (IGZO-112). To improve the flowability of the powders, green density, and sintered density, spray drying was used to produce the spray-dried granules. The green parts were sintered at 1200℃, 1300℃, 1400℃, and 1500℃ in an electric furnace. The objective of this study was to investigate the effects of ZnO content and sintering temperature on the density, crystal structure, elemental distribution, and resistivity. .

The results showed that IGZO-111 sintered at 1500℃ achieved lowest resistivity, 1.53×10-3Ωcm. IGZO-111 sintered at 1300℃ can attain 100% dense. The grain sizes of IGZO-111 ceramics were higher than those of IGZO-112. In the crystal structure of IGZO-111, ZnGa2O4 and In2Ga2O7 formed after 1200℃ and 1500℃ sintering, respectively. Moreover, the crystal structure of IGZO-112 was InGaZnO4 after sintering between 1200℃ and 1500℃. EPMA results demonstrate that In, Ga, and Zn were non-uniform after 1200℃ sintering. However, after 1400℃ sintering, the distributions of In, Ga, and Zn were homogeneous.


目錄
摘要 ......................................................i
Abstract .................................................ii
誌謝 .....................................................iv
表目錄 ..................................................vii
圖目錄 .................................................viii
第一章 緒論................................................1
第二章 文獻探討 ...........................................2
2.1 透明導電膜 ............................................2
2.2 IGZO 材料介紹 .........................................4
2.3 a-IGZO 薄膜的光學性質 .................................6
2.4 sc-IGZO 薄膜的導電性質 ................................6
2.5 IGZO 靶材晶相與通道膜電性之間的關係....................7
2.6 燒結原理 ..............................................9
2.7 噴霧造粒 .............................................10
2.7.1 噴霧造粒製程與設備簡介 .............................10
2.7.2 造粒機構造..........................................11
2.7.3 造粒參數設定與粉末特性關係 .........................11
第三章 實驗方法與步驟 ....................................13
3.1 漿料製備 .............................................14
3.2 噴霧造粒 .............................................16
3.3 生胚成形 .............................................18
3.4 燒結製程 .............................................19
3.5 試片性質分析 .........................................20
3.5.1 燒結密度測量 .......................................20
3.5.2 重量損失 ...........................................20
3.5.3 顯微組織與結構分析 .................................20
3.5.4 電性測量 ...........................................21
第四章 結果與討論 ........................................22
4.1 分散劑添加量對漿料黏度的影響..........................22
4.2 噴霧造粒粉 ...........................................23
4.3 燒結後重量損失與密度 .................................24
4.4 顯微組織 .............................................25
4.5 電阻率分析 ...........................................29
4.6 結晶結構 .............................................29
4.7 元素分佈分析 .........................................33
參考文獻 .................................................36
未來方向 .................................................38
Extended Abstract ........................................39
Sintering Behavior and Characteristics of IGZO Ceramics ..39
簡歷(CV) .................................................46
表目錄
表2.1 透明導電膜依材料及電性分類...........................4
表2.2 常見的TCO 薄膜之基本性質.............................5
圖目錄
圖 2-1 IGZO 系統的(A)導電性與(B)結晶狀態[7] ...............5
圖 2-2 InGaO3(ZnO)單晶的結構[6](圖中的M=Ga,R=In) .........7
圖 2-3 IGZO (In2O3:Ga2O3:ZnO = 2: 2: 1)粉末在不同溫度下鍛燒1 小
時的XRD 分析圖[10] ........................................8
圖 2-4 各配比的IGZO 粉末在730℃下鍛燒1 小時的XRD 分析圖[10] ......................................................8
圖 2-5 兩固體顆粒進行燒結之示意圖[11] .....................9
圖 2-6 不同設定參數所產出的造粒粉外觀(a)實心粉,(b)空心粉,(c)蘋果粉,(d)母子粉 .....................................10
圖 2-7 噴霧造粒機簡圖[13] ................................11
圖 2-8 霧化盤(a)直棒式柵欄型(b)山形柵欄型(c)孔型[11] .....12
圖 3-1 實驗流程圖 ........................................13
圖 3-2 原始粉SEM 圖分別為 (a)Ga2O3,(b)In2O3,(c)ZnO .....15
圖 3-3 漿料黏度測試及配製流程 ............................16
圖 3 -4 噴霧造粒機示意圖 .................................17
圖 3-5 噴霧造粒機實圖 ....................................18
圖 3-6 乾壓成型機 ........................................18
圖 3-7 乾壓成型示意圖 ....................................19
圖 3-8 燒結升降溫流程 ....................................19
圖 4-1 分散劑含量對In2O3 漿料黏度之影響 ..................22
圖 4-2 黏結劑含量對In2O3 漿料黏度之影響 ..................23
圖 4-3 造粒粉OM 圖 (a) 造粒粉外觀,(b)造粒粉截面 .........23
圖 4-4 燒結溫度與試片重量損失關係圖 ......................24
圖 4-5 燒結溫度與相對理論密度關係圖 ......................25
圖 4-6 1200℃燒結後破斷面之顯微組織(a) IGZO-111,(b) IGZO-112 ......................................................26
圖 4-7 1300℃燒結後破斷面之顯微組織(a) IGZO-111,(b) IGZO-112 ......................................................27
圖 4-8 1400℃燒結後破斷面之顯微組織(a) IGZO-111,(b) IGZO-112 ......................................................27
圖 4-9 1500℃燒結後破斷面之顯微組織(a) IGZO-111,(b) IGZO-112 ......................................................28
圖 4-10 各燒結溫度與晶粒尺寸關係圖 .......................28
圖 4-11 各燒結溫度與電組率關係圖 .........................29
圖 4-12 IGZO-111 生胚XRD 分析圖 ..........................30
圖 4-13 IGZO-111 1200℃XRD 分析圖 ........................30
圖 4-14 IGZO-111 1500℃XRD 分析圖 ........................31
圖 4-15 IGZO-112 生胚XRD 分析圖 ..........................31
圖 4-16 IGZO-112 1200℃ XRD 分析圖 .......................32
圖 4-17 IGZO-112 1500℃ XRD 分析圖 .......................32
圖 4-18 IGZO-111 1200℃ EPMA 元素分佈圖 ..................33
圖 4-19 IGZO-111 1400℃ EPMA 元素分佈圖 ..................34


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