氧化鋅薄膜之成長與奈米尺度表面電性研究

Abstract

氧化鋅薄膜之成長與奈米尺度表面電性研究 陳彰豪 陳燕華* 國立成?大學地球科學系 摘要 氧化鋅為當今廣泛使用的半導體材料之一，可作為壓電材料、表面聲波元件、透明電極等。因此，系統性探討影響氧化鋅導電特性之變因具有其必要及價值。本研究係利用射頻磁控濺鍍系統鍍製不同製程參數之氧化鋅薄膜於導電矽基板上，利用導電力顯微鏡量測不同樣品的導電特性差異，輔以XRD、XPS、AFM對樣品進行結構分析、價態分析、表面特性分析，藉以比較製程參數與導電特性之關聯。結果可得知：氧化鋅薄膜的導電特性與其結構、元素配比、表面特性等皆有關聯，製程上的參數變因使得氧化鋅薄膜的特性變化，確實影響氧化鋅薄膜最終的導電特性。 關鍵字：氧化鋅薄膜，價態分析，導電性，導電力顯微鏡。 介紹 氧化鋅薄膜之導電特性優劣在工業利用上佔有一定的重要性，為此，有不少前人文獻已對影響氧化鋅導電特性的因素做相關研究。但在薄膜製程上，有?多種不同的製程因素會影響薄膜特性之優劣，前人文獻所運用之鍍膜方式及探究的特性亦有所不同，難以有系統性整合之文獻。因此，本研究利用射頻磁控濺鍍系統鍍製氧化鋅薄膜，調控不同的濺鍍?率、工作氣體比例以及基板溫度等參數，利用電漿轟擊鋅靶與工作氣體之氧氣反應形成氧化鋅附著於導電矽基板上，最後以XRD、XPS、CAFM等儀器分析其薄膜特性。在特性分析結果可發現：不同的濺鍍參數確實影響到薄膜最終的導電特性，我們的研究目標則在於探究影響其導電特性的主要因素。 材料及方法 本研究使用射頻磁控濺鍍系統鍍製氧化鋅薄膜，將兩吋金屬鋅(純度99 99%)靶材安裝於濺鍍槍上，靶材距離基板13公分，工作氣壓固定為5 mtorr，濺鍍時間固定為1小時，變動之參數有濺鍍?率(80 W、100 W、120 W)、氬氧比例(2：8、5：5、8：2)及基板溫度(300 °C、400 °C、500 °C)。於CAFM量測上，給予樣品的電壓固定為0 5 V，掃描範圍為1 μm?1 μm，訊號放大倍率固定為?10?^7倍，使用Pt/Ir合金鍍層之導電探針進行量測。 結果與討論 研究結果發現，各薄膜之XRD繞射圖像均為六方纖鋅礦相，且(002)繞射峰強度明顯優於其他晶面繞射峰，顯示此薄膜具有(00l)優選排列之性質；從AFM影像圖中可了解：隨著薄膜粒徑增加，表面粗糙度也隨之提升；由CAFM的訊號大小可反應出在高濺鍍?率、高氬氣含量與高基板溫度之參數下擁有較佳的導電性；經XPS分析結果可得知：由磁控濺鍍法所製備之氧化鋅薄膜普遍存有氧缺問題，而Zn?O劑量比確實會影響氧化鋅薄膜之導電性。 比較XRD、XPS、AFM及CAFM所獲得之結果可發現：(1)氬氧比及基板溫度參數對結晶度與導電性之影響較為明顯、(2)晶體粒徑越大其樣品導電性越佳、(3) Zn?O比例確實對導電性影響甚鉅。 結論 我們對於氧化鋅薄膜在製程中可能影響其導電性質的參數進行研究與探討，並比較氧化鋅薄膜各個特性的變化及關連性。比起單一變因，同時探討多個製程變因能夠提供更多的資訊，以期製備出更加導電性更優良的氧化鋅薄膜。

Date of Award	2014 Sept 5
Original language	Chinese
Supervisor	Yen-Hua Chen (Supervisor)