臺灣博碩士論文加值系統

本研究包含兩部份，第一部份是探討四種常用的蝕刻液對銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)薄膜進行蝕刻實驗以比較其間之差異。當進行ITO薄膜蝕刻時乃以光阻層作為蝕刻罩幕以蝕刻出所需圖案，因此理想上我們需要找出可以快速蝕刻ITO薄膜，但卻幾乎不蝕刻光阻層的蝕刻方法。本文除了比較四種蝕刻液在不同溫度及不同濃度下對ITO薄膜的蝕刻速率外，並利用原子力顯微鏡(AFM)來量測蝕刻後的表面粗糙度。本研究所採用之四種蝕刻液分別為HCl、HCl+H2O2、HCl+FeCl3與(COOH)2·2H2O+H2O。實驗後得知四種蝕刻液在濃度最高且溫度接近80°C時有較快的蝕刻速率，其平均值分別為600、450、900、37.5 nm/min。在表面粗糙度上則都是溶液濃度最低時，有較佳表面粗糙度；對溫度方面，HCl及HCl+H2O2在50°C時有較佳的表面粗糙度，分別為0.4 及0.6 nm，而(COOH)2·2H2O+H2O及FeCl3+HCl在80°C時有較佳的表面粗糙度，分別為0.03及0.5 nm。本研究結果可應用於常使用ITO薄膜當電極之生物晶片的表面處理及PDMS對ITO薄膜玻璃的接合上。
第二部份研究微機電製程中經常使用金屬層來當做電極或導電層，而較常被使用的金(Aurum, Au)在蒸鍍時不易附著在玻璃上，所以需要一黏著層來使金較易附著在上面，本研究選用常被當作黏著層的鉻(Chrome, Cr)金屬，用田口方法規劃實驗，針對製程中的三個參數：鍍率、腔體溫度、腔體真空度設計三個水準值，使用L9直交表設計九次實驗來探討這些參數使薄膜特性有何改變及是否影響鍍金的品質，實驗結果得知在鍍率0.5 Å/s、腔體溫度21°C (實驗時不加溫)、腔體真空度4.0´10-7 torr有較佳的製膜品質。
關鍵字：ITO薄膜蝕刻、蝕刻速率、薄膜表面粗糙度、表面平整度、E-beam、蒸鍍、黏著層、田口方法

Abstract

This study consists of two parts. The first part is to investigate four kinds of commonly used etching liquids to etch the thin film of indium tin oxide (ITO), and then compares the differences among them. When the ITO film is etched, the photo resistant layer usually serves as an etching mask to etch the required pattern. Therefore, it is necessary to find out the fastest way to etch the ITO film but almost not to etch the photo resistant layer. This study not only compares the etching rate of ITO film by four kinds of etching liquids at different temperatures and concentrations, but also measures the roughness of etched surface by an atomic force microscopy (AFM). Four kinds of etching liquids used in this study are HCl, HCl+H2O2, HCl+FeCl3 and (COOH)2·2H2O+H2O. Experimental results show that the four kinds of etching liquids have a faster etching rate at about 80°C and the highest concentration; their averages are 600, 450, 900, 37.5 nm/min, respectively. All etching liquids with lowest concentration lead to better surface roughness. The etching liquids HCl+H2O and HCl+H2O2 have better surface roughness of 0.4 nm and 0.6 nm, respectively, at 50°C; while (COOH)2·2H2O+H2O and FeCl3+HCl have better surface roughness of 0.03 nm and 0.5 nm at 80°C. The results of this study could be applied to the surface treatment of biochips that commonly use the ITO film as an electrode and to the combination of PDMS and ITO film glass.
The second part of this study is to investigate metals as electrodes or conducting layers which are common used in the processes of micro-electro-mechanic-system (MEMS). Since the common used gold (Au) is difficult to affix on glass while evaporating, it needs a sticking layer to make gold adhere on glass. Therefore, common used metal chromium (Cr) is selected as sticking layers in this study. Evaporating rate, chamber temperature, and chamber vacuum are chosen as factors and an orthogonal array L9 with three levels is designed by Taguchi method. The changes of thin film characteristics and the quality of evaporated gold are examined by varying the parameters. Experimental results show that the condition of evaporating rate 0.5 Å/s, chamber temperature 21°C, and chamber vacuum 4.0´10-7 torr has better quality of thin film.

Keywords: etching of ITO film, etching rate, roughness of etched surface, e-beam, evaporation, sticking layer, Taguchi method

摘要……………………………………………………………………………………..iv
誌謝……………………………………………………………………………………..vi
目次…………………………………………………………………………………….vii
表目錄…………………………………………………………………..………………ix
圖目錄…………………………………………………………………………….……..x
第一章 緒論……………………………………………………………………….….1
1.1 研究動機………………………………………………………………..…….1
1.2 研究目的…………………………………………………………………..….2
1.3 文獻回顧…………………………………………………………………..….3
第二章 理論基礎………………………………………………………………….….5
2.1 薄膜製程…………………………………………………………………..….5
2.1.1 物理氣相沉積…………………………….…………………………...6
2.1 蝕刻………………………………………………………………………..….7
2.2.1 濕蝕刻………………….…………………………………………..….8
2.2.2 乾蝕刻……………….………………………………………………...9
2.2 田口式品質工程…………………………………………………………..….9
2.3.1 田口法概述………………………………………………..………..…9
2.3.2 實驗計畫法………………………………………………………..….10
第三章 儀器原理與實驗方法及步驟…………………………………………….....14
3.1 電子束蒸鍍機………………………………………………………………..14
3.1.1 工作原理…………………………………………………………..….15
3.1.2 電子束蒸鍍機膜厚量測原理………………………………………...16
3.1.3 電子束蒸鍍的特點…………………………………………………...18
3.2 表面測厚儀…………………………………………………………………..18
3.3 原子力顯微鏡………………………………………………………………..19
3.4 四點探針測量儀………………………………………….…………..….…..21
3.5 實驗內容………………………………………………………………...…...21
3.5.1 ITO薄膜蝕刻……………….……………………….…………..…...22
3.5.2 電子束蒸鍍法蒸鍍Cr薄………………………………………..…...23
第四章 結果與討論……………………………………………………………...…..26
4.1 ITO玻璃蝕刻蝕刻速率…………………………...…………………….…....26
4.1.1 HCl溶液……………………………………………...…………….....26
4.1.2 HCl+H2O2溶液………………………………………………………..27
4.1.3 FeCl3+HCl溶液..……………………………………………………...28
4.1.4 (COOH)2·2H2O+H2O溶液.…………………………………………...29
4.1.5 討論…………………………………………………………………...30
4.2 ITO玻璃蝕刻後之表面粗糙度……………………………………………...30
4.2.1 HCl溶液……………………………………………………………...30
4.2.2 HCl+H2O2溶液……………………………………………..………...33
4.2.3 FeCl3+HCl溶液…………………………………………….………...35
4.2.4 (COOH)2·2H2O+H2O溶液…………………………………………...38
4.2.5 討論…………………………………………………………………...41
4.3 E-beam蒸鍍Cr……………………………………………………….……...41
4.3.1 討論…………………………………………………………………...44
第五章 結論及未來工作……………………………………………….…….……...46
5.1 結論………………………………………………………………………......46
5.2 未來工作……………………………………………………………………..47
參考文獻………………………………………….……………………………………48
表目錄
表2.1 一次一因子實驗法……………………………………………………………11
表2.2 一次一因子實驗法結果及因子效應…………………………………………11
表2.3 L8直交表實驗規劃及結果……………………………………………………12
表2.4 L8直交表因子反應表…………………………………………………………13
表3.1 ITO蝕刻參數表………………………………………………………………22
表3.2 實驗變因及各水準數值………………………………………………………24
表3.3 蒸鍍Cr 實驗L9直交表………………………………………………………24
表4.1 HCl+H2O溶液之蝕刻速率…………………………………………………...26
表4.2 HCl+H2O2溶液之蝕刻速率…………………………………………………..27
表4.3 HCl+FeCl3溶液之蝕刻速率………………………………………………….28
表4.4 (COOH)2 ·2H2O+H2O溶液之蝕刻速率………………………………………29
表4.5 ITO玻璃經HCl溶液蝕刻後之表面粗糙度…………………………………30
表4.6 ITO玻璃經HCl/H2O2溶液蝕刻後之表面粗糙度…………………………..33
表4.7 ITO玻璃經FeCl3+HCl溶液蝕刻後之表面粗糙度…………………………36
表4.8 ITO玻璃經(COOH)2 ·2H2O/H2O溶液蝕刻後之表面粗糙度……………….39
表4.9 九次蒸鍍Cr所得Ra…………………………………………………………42
表4.10 各因子反應表…………………………………………………………………42




圖目錄
圖2.1 薄膜成長機制圖………………….……………………………………………6
圖2.2 蝕刻示意圖…………………………………………………………………….7
圖2.3 濕蝕刻反應示意圖…………………………………………………………….8
圖2.4 L8直交表因子反應圖…………………………………………………………13
圖3.1 電子束蒸鍍機外觀圖…………………………………………………………14
圖3.2 Cr靶材………………………………………………………………………...15
圖3.3 石墨坩鍋………………………………………………………………………15
圖3.4 電子束蒸鍍機工作原理圖……………………………………………………16
圖3.5 石英震盪測厚儀………………………………………………………………17
圖3.6 置放石英震盪片的載具………………………………………………………17
圖3.7 石英震盪片……………………………………………………………………17
圖3.8 膜厚測量值比較圖……………………………………………………………17
圖3.9 表面測厚儀……………………………………………………………………19
圖3.10 原子力顯微鏡(AFM)………………………………………………………..20
圖3.11 四點探針測量儀……………………………………………………………..21
圖4.1 HCl溶液之蝕刻速率曲線……………………………………………………26
圖4.2 HCl+H2O2溶液之蝕刻速率曲線……………………………………………..27
圖4.3 HCl+FeCl3溶液之蝕刻速率曲線…………………………………………….28
圖4.4 (COOH)2 ·2H2O+H2O溶液之蝕刻速率曲線…………………………………29
圖4.5 HCl溶液蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度比較圖……………………………31
圖4.6 HCl溶液濃度4.0M蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度………………………...31
圖4.7 HCl溶液濃度6.0M蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度……………………….32
圖4.8 HCl溶液濃度8.6M蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度……………………….32
圖4.9 HCl+H2O2溶液蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度比較圖…………………….33
圖4.10 HCl+H2O2溶液濃度4.0M, 0.6M蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度………..34
圖4.11 HCl+H2O2溶液濃度6.0M, 0.4M蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度………..34
圖4.12 HCl+H2O2溶液濃度8.6M, 0.3M蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度………..35
圖4.13 FeCl3+HCl溶液蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度比較圖…………………..36
圖4.14 FeCl3+HCl溶液濃度1.6m蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度………………37
圖4.15 FeCl3+HCl溶液濃度3.1m蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度………………37
圖4.16 FeCl3+HCl溶液濃度4.6m蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度………………38
圖4.17 (COOH)2·2H2O+H2O溶液蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度比較圖……….39
圖4.18 (COOH)2·2H2O+H2O溶液濃度4.0m蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度……40
圖4.19 (COOH)2·2H2O+H2O溶液濃度8.0m蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度……40
圖4.20 (COOH)2·2H2O+H2O溶液濃度16.0m蝕刻ITO玻璃後之表面粗糙度….41
圖4.21 各因子反應圖………………………………………………………………..43
圖4.22 實驗1之表面形貌圖………………………………………………………..43
圖4.23 實驗2之表面形貌圖………………………………………………………..43
圖4.24 實驗3之表面形貌圖………………………………………………………..43
圖4.25 實驗4之表面形貌圖………………………………………………………..43
圖4.26 實驗5之表面形貌圖………………………………………………………..44
圖4.27 實驗6之表面形貌圖………………………………………………………..44
圖4.28 實驗7之表面形貌圖………………………………………………………..44
圖4.29 實驗8之表面形貌圖………………………………………………………..44
圖4.30 實驗9之表面形貌圖………………………………………………………..44

參考文獻
[1]林彥亨，“利用介電泳力操控細胞之生物晶片研究”，國立成功大學工程科學所碩士班碩士論文，2002。
[2]J. Takadum, H. Houmid Bennani, “Influence of substrate roughness and coating thickness on adhesion, friction and wear of TiN films,” Surface & Coating Technology, 272-282, 1997.
[3]徐國洲，“在不同基板溫度下以磁控濺鍍法成長氮化鎵薄膜之研究”，國立中山大學物理研究所碩士論文，2000.06。
[4]Kyu-Hyun Bang, Deuk-Kyu Hwang, Sang-Wook Lim, Jae-Min Myoung, “Effects of growth temperature on the properties of ZnO/GaAs prepared by metal organic chemical vapor deposition,” Journal of Crystal Growth, 250, 437-443, 2003.
[5]施茂源，“探討蒸鍍溫度對光學薄膜結合能與其殘留應力之影響”，國立中興大機械工程研究所碩士論文，2003。
[6]Scarel G., Ferrari S., Spiga S., Wiemer C., Tallarida G., Fanciulli M.,“Effects of growth temperature on the properties of atomic layer deposition grown ZrO2 films,” Journal of Vacuum Science and Technology A, 21(4), 1359-1365, 2003.
[7]Ozkan Sarikaya, “Effect of the substrate temperature on properties of plasma
sprayed Al2O3 coatings,” Materials and Design 26, 53-57, 2005.
[8]Ju-Ho Kim, C.J. Kang, D. Jean, Yong-Sang Kim, “A disposable capillary electrophoresis microchip with an indium tin oxide decoupler/amperometric detector,” Microelectronic Engineering, 78-79, 563-570, 2005.
[9]Jin-Ho Kim, Kwang-Ho Na, C.J. Kang, Yong-Sang Kim, “A disposable thermopneumatic-actuated microvalve stacked with PDMS layers and ITO-coated glass,” Microelectronic Engineering, 73-74, 864-869, 2004.
[10]謝秀春，“氧化銦鋅透明導電薄膜之熱穩定性”，國立清華大學材料工程學系碩士論文，2002。
[11]張百裕，“平面電極式微型葡萄糖感測器之研製”，國立雲林科技大學電子工程系碩士論文，2004。
[12]台大奈米機電系統研究中心，http://140.112.38.52/guestbook/list.asp?id=431
[13]莊達人，“VLSI製造技術”，高立圖書公司。
[14]張景學，“半導體製程技術”，文京圖書公司。
[15]李世鴻，“積體電路製程技術”，五南圖書公司。
[16]Taguchi, G. and Wu,Y., “Introduction to Off-line Quality Control,” Nagoya, Japan: Central Japan Quality Control Association, 1980.
[17]李輝煌，“田口方法品質設計的原理與實務”，高立圖書有限公司。
[18]Hyung J. Lee, Debasis Baral,IEEE Trans. Magn. MAG-21, No.5, 1477, 1985.
[19]鄭智元，“銻化銦薄膜之電子特性與微觀組織之研究”，國立中山大學材料科學研究所碩士論文，2002。