大面積低溫微波電漿輔助化學氣相沉積矽薄膜之研究

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林桔仁(Gi-Zen Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

大面積低溫微波電漿輔助化學氣相沉積矽薄膜之研究
(Apply microwave PECVD to deposit silicon thin film at low temperature.)

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摘要(中)

摘要
本實驗採用大面積化微波電漿輔助化學氣相沉積系統，研究沉積低溫多晶矽的最佳參數。以矽甲烷、氫氣、氬氣為反應氣體原料。藉由改變微波、高週波功率、反應氣體流量、鍍膜時間等參數，來研究對薄膜品質的影響。另外我們以掃描式電子顯微鏡、原子力掃描顯微鏡、X-Ray繞射儀、傅利葉紅外光譜儀、及探針測厚儀來鑑定薄膜的品質與特性。經由實驗觀察，在矽甲烷流量1 scmm、在氫氣流量25 sccm、氬氣流量50 sccm、微波功率700 W、高週波功率15 W、鍍膜時間7 hrs的參數下。薄膜試片在電子顯微鏡與原子力顯微鏡下可以看到較大晶粒尺寸的顆粒沉積，晶粒尺寸可達100 nm。經X-Ray繞射儀分析，沒有明顯的繞射峰、經傅利葉紅外光譜儀分析，薄膜含有Si-H與Si-H2鍵結。

摘要(英)

Abstract
It applies microwave PECVD to deposit silicon thin film at low temperature,searching for the best parameter of low temperature poly silicon.Our gas source are silane,hydrogen,and argon,and we study the quality of thin film by changing some parameter.After deposition,we analyse the thin film by SEM,AFM,X-Ray Diffraction,FTIR,and α-Step.We find the best parameter when silane,hydrogen,and argon flow are 1,25,and 50 sccm,respectively,microwave power and rf power are 700W and 15W.respectively,deposition time is 7 hrs.After analysing the sample, we can find grain size which is larger than 100 nm by SEM and AFM,without diffraction peak by XRD,with Si-H and Si-H2 by FTIR.

關鍵字(中)

★ 矽薄膜
★ 微波
★ 電漿
★ 多晶矽
★ 液晶

關鍵字(英)

★ silicon
★ microwave
★ pecvd

論文目次

目錄
內容頁次
摘要………………………………………………………………….….i
謝誌…………………………………………………………………..…ii
目錄…………………………………………………………………….iii
圖目錄…………………………………………………………………….v
表目錄……………………………………………………………..….vii
第一章前言………………………………………………………………1
第二章文獻回顧……………………………………………….…….…3
2.1 矽的特性………………………………………………….........3
2.2 矽薄膜的分類…………………………………………….........6
2.3 薄膜電晶體……………………………………………….........9
2.4 液晶顯示器………………………………………………........13
2.5 複晶矽薄膜的製造技術………………………………..........18
2.6 大面積化微波電漿源…………………………………..........20
第三章基礎理論…………………….………………………………..25
3.1 電漿簡介………………………………………………..........25
3.2 薄膜沉積機制…………………………………………..........29
3.3 微波系統理論……………………………….………...........31
3.4 高週波偏壓應用………………………………………..........39
第四章實驗方法及步驟……………………………………………… 41
4.1實驗系統及裝置..……………………………………...........41
4.2系統改良……....……………………………………….........42
4.3基板沉積前處理………………………………………...........53
4.4實驗步驟….….………………………………………...........54
4.5薄膜分析與鑑定………………………………………...........55
第五章結果與討論.……………………………………………………62
5.1第一階段－rf輸入功率對薄膜的影響………………...........65
5.2第二階段－氫氣對薄膜的影響……………...………..........70
5.3第三階段－提高微波功率……………………………….........77
5.4第四階段－增長鍍膜時間….………….……………….........81
第六章結論與未來展望……………………………………………….86
參考文獻………………………………………………………………..87
圖目錄
圖頁次
1. 矽的結晶結構…………………………….…………………........... 4
2. 矽薄膜的分類與能階圖…………………..……………………….. 8
3. LTPS TFT 的結構剖面圖………………….………………………..........11
4. 雷射後處理示意圖…………....................................... 12
5. TFT-LCD的結構圖………………….…………………………….. .........15
6. 液晶的動作原理………………….……………………….………..........16
7. 各種a-Si TFT 結構剖面圖…….………………………….……….........17
8. ECR 平面型磁場系統圖………………………………….………. .........22
9. 三度空間ECR電漿源系統圖…………………………………….. .........23
10. Duo-plasmaline系統圖…………………………………….……….........24
11. 氬氣電漿之電子溫度及電漿溫度隨系統壓力變化關係圖……… .........28
12. PECVD的薄膜沉積機制………………………………………….. .........30
13. 入射平面與材料面的示意圖………………………………………..........35
14. 天線作用示意圖……………………………………………………..........36
15. 天線產生輻波的原理示意圖………………………………………..........37
16. 系統傳遞能量示意圖………………………………………………..........38
17. rf self-bias 之示意圖…………………………………………….........40
18. 短路活塞…………………………………………………………............43
19. Choke-type adjustable short circuit………………………….........45
20. Choke-type adjustable short circuit………………………...........46
21. 微波能量重新分配示意圖…………………………………………..........48
22 石英玻璃受碳膜污染圖……………………………………………..........49
23. 基板支撐架位置示意圖及基板支撐架設計圖…………………............51
24. 原子力顯微鏡示意圖…………………………………….........56
25. 探針針尖至樣品表面間距離與作用力關係圖…………………… 57
26. 低掠角X光繞射儀示意圖………………………………………… 59
27. A1、A2與A3之SEM影像……………………………………….. 66
28. A1、A2與A3之AFM影像……………………………………… 67
29. A1、A2與A3之XRD的繞射圖譜………………………………. 68
30. A1、A2與A3之FTIR之吸收光譜圖…………………………… 69
31. B1、B2與B3之SEM影像………………………………………. 73
32. B1、B2與B3之AFM影像…………………………………….... 74
33. B1之XRD繞射光譜圖…………………………………………… 75
34. B1與B3之FTIR吸收光譜圖……………………………………. 76
35. C1與B2之SEM與AFM影像…………………………………… 78
36. C1與B2之XRD繞射圖譜………………………………………. 79
37. C1與B2之FTIR吸收光譜圖……………………………………. 80
38. D1與D2之SEM與AFM影像………………………………….. 82
39. D1與D2之XRD繞射圖譜……………………………………… 83
40. D1與D3之FTIR吸收光譜圖……………………………………. 84
41. D3之薄膜沉積速率與基板位置關係圖………………………….. 85
表目錄
表頁次
一. 矽的物理性質表……………………………………………….. 5
二. 冷熱電漿特性的比較…………………………………………. 27
三. 各種材料的XRD繞射角度對照表…..………………………. 60
四. 各種矽氫鍵結的吸收峰值表..………………………………… 61
五. 各實驗之系統操作條件……………………………………….. 64
六. 各種鍵結能的數據…………………………………………….. 72

參考文獻

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31. 陳家豪,“大面積低溫微波電漿輔助化學氣相沈積薄膜之研究”國立中央大學光電科學研究所,2002。

指導教授

陳培麗(Pe-Li Chen)

審核日期

2004-7-8

推文