臺灣博碩士論文加值系統

本研究論文是利用直流磁控濺鍍( DC magnetron Sputter )同時加入射頻磁控濺鍍（RF magnetron Sputter），在室溫環境條件下，以總功率50W不變的前提下調整兩種不同的濺鍍功率以及加入固定1.5% 比例的H2/(H2+Ar)濺鍍氛圍，Ar ( 50 Sccm ) 、 H2 ( 0.75 Sccm ) 在玻璃基板製作沉積含氫氧化鋅鋁(HAZO)薄膜，藉此研究HAZO薄膜之結構與光學特性、電性分析之變化。

經由SEM、XRD、AFM、HALL、UV-VIS-IR量測薄膜結果說明；
1.總功為50W不同的DC-RF組合之濺鍍條件下所製作的含氫氧化鋅鋁(HAZO)薄膜都具有(002)擇優取向，其薄膜在可見光範圍內穿透率可達80% 以上。
2.相對於其它DC-RF濺鍍功率組合，薄膜在濺鍍功率40DC-10RF之條件下可得到最大之結晶尺寸19.1 nm、最小晶面間距2.6 Å、以及最窄的半高全寬約為 0.5度 。
3.但是在濺鍍功率10DC-40RF之條件下薄膜得到最低的電阻率2.41×10-3 Ω-cm、最高的載子遷移率6.1m2/(V·s) 、表面粗糙度也最低約為1.7nm。
4.隨著直流濺鍍功率的增加，在電阻率隨之提高、載子遷移率降低、表面粗糙度也逐漸變粗，此結果顯示射頻濺鍍功率對薄膜電性的影響。

This research utilize DC and RF magnetron sputtering under the premise of keeping total power of 50W by varying various DC and RF power to make hydrogenated aluminum zinc oxide (HAZO) film on the glass substrate at room temperature ，The introduced gas ratio was kept at 1.5% H2/ (H2+Ar) ，This thesis report the variation of HAZO structures , optical properties, and electrical properties with various DC-RF combinations。
The results of SEM、XRD、AFM、HALL、UV-VIS-IR masurements show that；
1.At various sputtering conditions，all HAZO films reveal (002) preferred orientation，Their transmittance rates at visible light region are all over 80%。
2.At 40DC-10RF sputtering power ，the films reveal the maximum crystalline size of 19.1 nm、Minimal d-spacing of 2.7 Å 、and the narrowest full width at half maximum is about 0.5。These are optimum results compared with that of other DC-RF combinations。
3.At 10DC - 40RF sputtering power ，the films reveal the resistivity of 2.41×10-3 Ω-cm、mobility of 6.1 m2/(V·s) 、the surface roughness is also about a minimum of 1.7 nm 。
4.These are also in optimum compared with films deposited at other DC-RF combinations，the resistivity increases、mobility reduces、surface getting rough with the increase of DC power，All these results show that the RF sputtering power plays an important role in the electrical properties of the film。

致謝 i
摘要 ii
Abstract iii
總目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第1章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機與目的 3
第2章 文獻回顧 5
2-1 ZnO薄膜特性簡介 5
2-1-1 ZnO晶體結構之特性 5
2-1-2 ZnO薄膜之光電特性 8
2-2氫摻雜ZnO之效應 10
2-3 電漿與濺鍍系統介紹 12
2-3-1 電漿原理介紹 12
2-3-2 濺鍍系統介紹 14
2-3-3 磁控濺鍍系統介紹 16
2-3-4 射頻濺鍍系統介紹 16
2-4 薄膜成長原理 17
2-5 Thornton濺鍍薄膜結構模型 19
2-6 柏斯坦-摩斯(Burstein-Moss) 效應 21
2-7 霍爾效應(Hall effect) 22
2-8 靶材與基板相對位置之影響 24
第3章 實驗方法與步驟 25
3-1 HAZO實驗方法 25
3-1-1 實驗流程與步驟圖 25
3-1-2 樣品準備與清潔 26
3-1-3 濺鍍製程 27
3-2量測分析儀器介紹 29
3-2-1冷場發射掃描式電子顯微鏡及能量散佈光譜儀(FE-SEM) 29
3-2-2 X光繞射儀(X-ray diffraction, XRD) 31
3-2-3原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM) 33
3-2-4霍爾效應量測系統 34
3-2-5 UV-VIS-IR光譜儀 35
3-2-6薄膜厚度輪廓測量儀(Alpha-step) 36
第4章 實驗結果與討論 38
4-1 前言 38
4-2薄膜沉積速率及溫度分析 39
4-3結構分析(SEM) 41
4-4 X光繞射分析(XRD) 44
4-5表面微結構分析(AFM) 49
4-6電性分析(Hall) 52
4-7光學分析(UV-VIS-IR) 56
第5章 結論 59
參考文獻 60

表目錄
表2-1 常見的透明導電膜製備方法 6
表2-2 氧化鋅的基本性質 9
表3-1 HAZO製程參數表 28
表4-1 沉積結束之基本溫度 40
表4-2 不同濺鍍功率之半高寬值 47
表4-3不同濺鍍功率之結晶尺寸值與晶面間距 48
表4-4 不同濺鍍功率之RMS值 51
表4-5 不同濺鍍功率之霍爾量測分析數據 55
表4-6 不同濺鍍功率之光學能隙值 58


圖目錄
圖2-1 纖鋅礦結構(a)平面圖(b)立體圖(Wurtzite Structure) 7
圖2-2 氫在ZnO中之結合能 11
圖2-3 氫插入ZnO晶格結構示意圖 11
圖2-4 電漿形成示意圖 13
圖2-5 濺鍍反應示意圖 15
圖2-6 濺鍍系統示意圖 15
圖2-7 薄膜成長步驟圖 18
圖2-8 Thronton濺鍍薄膜結構模型 20
圖2-9 柏斯坦-摩斯(Burstein-Moss)效應 21
圖2-10 Hall effect示意圖 23
圖2-11 靶材與玻璃基板相對位置 24
圖3-1 實驗流程與步驟圖 25
圖3-2 冷場發射掃描式電子顯微鏡及能量散佈光譜儀 30
圖3-3 X光繞射分析儀 32
圖3-4 晶格產生的繞射示意圖 32
圖3-5 AFM多功能掃描探針顯微鏡 33
圖3-6 霍爾效應量測系統 34
圖3-7 UV-VIS光譜儀 35
圖3-8 Alpha-step薄膜厚度輪廓測量儀 36
圖3-9 Alpha-step薄膜厚度量測示意圖 37
圖4-1 薄膜沉積速率 39
圖4-2 沉積結束之基板溫度 40
圖4-3 不同濺鍍功率之SEM 俯視圖 42
圖4-4 不同濺鍍功率之SEM 斷面圖 43
圖4-5 不同濺鍍功率之XRD繞射分析 45
圖4-6(a) 結晶與非結晶混和存在的情況 45
圖4-6(b) 不同濺鍍功率之繞射峰值 46
圖4-7 不同濺鍍功率之繞射峰值 46
圖4-8 不同濺鍍功率之半高寬(FWHM) 47
圖4-9 不同濺鍍功率之結晶尺寸 48
圖4-10 不同濺鍍功率之表面結構(AFM) 50
圖4-11 不同濺鍍功率之對薄膜粗糙度影響 51
圖4-12 不同濺鍍功率之霍爾量測分析 53
圖4-13 不同濺鍍功率之電阻率 54
圖4-14 不同濺鍍功率之繞射峰值分析 54
圖4-15 不同濺鍍功率之載子濃度 55
圖4-16 不同濺鍍功率之穿透率 56
圖4-17 不同濺鍍功率之光學能隙 57
圖4-18 不同濺鍍功率之光學能隙 58

[1]Applied Physics Letters,W. G. Li, C. W. Chu, V. Shrotriya, J. Huang, and Y. Yang, 88 (2006) 253503.
[2]AZO透明導電薄膜在觸控面板應用之契機，陳肇英、吳金寶、
呂明生，工業技術研究院 (2012).
[3]Surface & Coatings Technology,U. Betz , M. Kharrazi Olsson, J. Marthy, M. F. Escola, F. Atamny, 200 (2006) 5751–5759.
[4]Ieee Transaction On Electron Devices, Y. S. Choi, J. W. Kang, D. K. Hwang, and S. J. Park, 57 (2010).
[5]ITO 透明導電薄膜:從發展與應用到製備與分析，洪文進、許登貴、萬明安、郭書瑋、蘇昭瑾，CHEMISTRY（THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI）63 (2005) 409–418.
[6]透明導電膜之應用概論，王慶鈞、王瑞豪、連水養、陳家富，
光電產業技術專輯 機械工業 (2011).
[7]Japanese Journal of Applied Physics, T. Komaru, S. Shimizu, Kanbem, et al., 38 (1999) 5796–5804.
[8]透明導電膜，楊明輝，藝軒圖書出版社 (2006).
[9]Surface & Coatings Technology, F. H. Wang, H. P. Chang, C. C. Tseng, C. C. Huang, 205 (2011) 5269–5277.
[10]Applied Physics Letters, X. Jiang, F. L. Wong, M. K. Fung, S. T. Lee, 83 (2003) 1875.
[11]Journal of Electroceramics, H. Yanagi, H. Kawazoe, A. Kudo,
M. Yasukawa, H. Hosono, 4 (2000) 407–414.
[12]Journal of Applied Physics,H. Ohta, M. Orita, M. Hirano, I. Yagi,
K. Ueda, 91 (2002) 3074.
[13]Solid-State Electronics, S. Y. Tsai, M. H. Hon, Y. M. Lu, 63 (2011) 37–41.
[14]Flexible Flat Panel Displays, G. P. Crawford, John Wiley & Sons, (2005) 86.
[15]Thin Solid Films,T. Minami, S. Suzuki, T. Miyata, 398–399 (2001) 53–58.
[16]Surface & Coatings Technology, C. S. Moon, Y. M. Chung, W. S. Jung, J. G. Han, 201 (2007) 5035–5038.
[17]Applied Surface Science, S. Ilican, Y Caglar, M. Caglar,
F Yakuphanoglu, 255 (2008) 2353–2359.
[18]Solar Energy Materials & Solar Cells, L. Cao, L. Zhu, J. Jiang, R. Zhao, Z.Ye, B. Zhao, 95 (2011) 894–898.
[19]Thin Solid Films, K. Haga, T. Suzuki, Y. Kashiwaba, H. Watanabe,
B. P. Zhang, Y. Segawa, 433 (283) 131–134.
[20]Thin Solid Films, Z. L. Pei, X. B. Zhang, G. P. Zhang, J. Gong, C. Sun, R. F. Huang, L. S. Wen, 497 (2006) 20–23.
[21]Thin Solid Films, A. M. K. Dagamseh, B. Vet, F. D. Tichelaar, P. Sutta, M. Zeman, 516 (2008) 7844–7850.
[22]Surface & Coatings Technology, N. Sakai, Y. Umeda, F. Mitsugi,
T. Ikegami, 202 (2008) 5467–5470.
[23]Surface & Coatings Technology, S. S. Lina, J. L. Huanga, P. Sajgalik, 185 (2004) 254–263.
[24]Materials Chemistry and Physics, D. H. Zhang, T. L. Yang, Q. P. Wang, D. J. Zhang, 68 (2001) 233–238.
[25]Journal of Applied Physics, A. V. Singh, R. M. Mehra, N. Buthrath,
A. Wakahara, A. Yoshida, 90 (2001) 5661.
[26]Phys. Rev. Lett. C. G. Van de Walle, 85, 1012 (2000).
[27]Journal of Non-Crystalline Solids, Joel N. Duenow, Timothy A. Gessert, David M. Wooda, David L. Young, Timothy J. Coutts, 354 (2008) 2787–2790.
[28]Materials Letters, H. B. Zhou, H. Y. Zhang, Z. G. Wang, M. L. Tan,
74 (2012) 96–99.
[29]Journal of Physics: Condensed Matter, Z. L. Wang, 16 (2004) 829–858.
[30]“不同催化劑成長之氧化鋅奈米柱應用於染料敏化太陽能電池”，江朋威，碩士論文 (2011).
[31]Journal of Physics: Condensed Matter, Z. L. Wang, 16 (2004) 829–858.
[32]Industrial Materials Magazine, C. C. Wang, 236 (2006).
[33]Thin Solid Films, Y. Igasaki, H. Saito, 199 (1991) 223–230.
[34]Solar Energy Materials & Solar Cells, G. Gordillo, C. Calderon, 69 (2001) 251–260.
[35]Japanese Journal of Applied Physics, T. Komaru, S. Shimizu at al.,
38 (1999) 5796–5804.
[36]Thin Solid Films, J. Ma, F. Ji, D. H. Zhang, H. L. Ma, S. Y. Li,
357 (1999) 98–101.
[37]Thin Solid Films, J. H. Lee, B. O. Park, 426 (2003) 94–99.
[38]“氧化鋅薄膜特性改良與應用”，林素霞，博士論文 (2003).
[39]“氧化鋅-鋁多層膜之結構與光電特性研究”，林正偉，碩士論文 (2004).
[40]“氧化鋅半導體摻雜技術與應用”，葉志鎮，浙江大學出版社 (2009).
[41]Thin Solid Films, A. Sarkar, S. Ghosh, S. Chaudhuri, A. K. Pal,
204 (1991) 255–264.
[42]Nature, C. G. Van de Walle & J. Neugebauer, 423 (2003) 626–628.
[43]Material Science and Engineering B, J. Chevallier, 71 (2002) 62–68.
[44]Thin Solid Films, J. Robertson and P. W. Peacock, 445 (2003) 155–160.
[45]Physical Review B, E. V. Lavrov, J. Weber, F. Borrnert, C. G. Van de Walle and R. Helbig, 66 (2002) 165205.
[46]Surface & Coatings Technology, F. Ruskea, V. Sittingera, W. Werner,
B. Szyszka, K.-U. van Osten, K. Dietrich, R. Rix, 200 (2005) 236–240.
[47]Journal of Physics D: Applied Physics, S. H. Lee, T. S. Lee, K. S. Lee, B. Cheong, Y. D. Kim and W. M. Kim, 41 (2008) 095303.
[48]“大氣電漿在玻璃表面清潔製程之應用”，林博鏞，平面顯示器製程設備技術專刊 (2008).
[49]“The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication",
S. A. Campbell, 2nd edition, Oxford University Press (2001).
[50]Handbook of sputter deposition technology, K. Wasa, and S. Hayakawa, Noyes publications (1992).
[51]“射頻磁控濺鍍製備氧化鋅摻氟薄膜應用於薄膜太陽能電池之研究”，李沇憲，碩士論文 (2011).
[52]“射頻磁控濺鍍氧化鋅薄膜電性與光學特性之研究”，劉文月，
碩士論文 (2001).
[53]“反應射頻磁控濺鍍透明導電膜Zno:Al膜之成長特性及研究”，張榮芳，博士論文 (2001).
[54]Journal of Vacuum Science and Technology, J. A. Thornton, 11 (1974) 666–670.
[55]Thin Solid Films, O. Kluth, G. Schope, J. Hupkes, C. Agashe, J. Muler, B. Rech, 442 (2003) 80–85.
[56]“溶凝膠法製備含銀之AZO透明導電膜的研究”，吳坤暘，
碩士論文 (2005).
[57]“透明導電氧化鋅材料特性分析及其應用在氮化鎵蕭特基二極體之研究”，張國華，碩士論文 (2006).
[58]半導體元件物理學，施敏，(2008) 34–40.
[59]“ZnO:Al透明導電薄膜之特性分析與新穎表面粗糙化結構製備”，陳苡諺，碩士論文 (2009).
[60]Thin Solid Films, F. Couzinie-Devy, N. Barreau, J. Kessler, 516 (2008) 7094–7097.
[61]Surface & Coatings Technology, J. C. Chang, J. W. Guo, T. P. Hsieh,
M. R. Yang, D. W. Chiou, H. T. Cheng, C. L. Yeh, 231 (2013) 573–577.
[62]材料分析，汪建民，中國材料科學學會.
[63]冷場發射掃描式電子顯微鏡及能量散佈光譜儀(HITACHI-S4800)，逢甲大學，http://www.pisc.fcu.edu.tw/?lnk=instrument_detail&iid=12
[64]X光繞射應用簡介，鄭信民、林麗娟，工業材料 (2002).
[65]Materials Chemistry and Physics, N. Benramdane, W. A. Murad, R. H. Misho, M. Ziane, Z. Kebbab, 48 (1997) 119–123.
[66]Journal of Crystal Growth, X. H. Yu, J. Ma, F. Ji, Y. H. Wang, X. J. Zhang, C. F. Cheng, H. L. Ma, 274 (2005) 474–479.
[67]Journal of the Australian Ceramic Society, Z. Zhang, C. Bao, S. Ma,
L. Zhang and S. Hou, 48 (2012) 214–222.
[68]“Properties and Analysis of Transparency Conducting AZO Films by Using DC Power and RF Power Simultaneous Magnetron Sputtering”，Neng-Fu Shih,1 Jin-Zhou Chen,2 and Yeu-Long Jiang3，Hindawi Publishing Corporation Advances in Materials Science and Engineering Volume 2013, Article ID 401392, 6 pages.
[69]R. A. Wibowo and B. Munir, Materials Letters, K. H. Kim, vol. 60,
pp. 1931-1935, 2006.
[70]X光繞射原理及其應用，林麗娟，工業材料86期 (1994).
[71]Applied Surface Science, X. Bie, J. G. Lu, L. Gong, L. Lin, B. H. Zhao, Z. Z. Ye, 256 (2009) 289–293.
[72]Materials Characterization, Q. B. Ma, Z. Z. Ye, H. P. He, J. R. Wang,
L. P. Zhu, B. H. Zhao, 59 (2008) 124–128.