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研究生：	張境尹 Chang, Ching-Yin
論文名稱：	掺雜與製程條件對於氧化鋅薄膜特性之影響及其在氣體感測器之應用 The Effects of Dopants and Deposition Conditions on the Characterization of ZnO Thin Films and Its Applications on Gas Sensors
指導教授：	朱聖緣 Chu, Shen-yuan
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	118
中文關鍵詞：	薄膜、感測器、氧化鋅
外文關鍵詞：	sensor, thin film, ZnO
相關次數：	點閱：41 下載：0
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本論文主要以射頻磁控濺鍍法，探討氧化鋅薄膜對於有毒氣體一氧化碳(CO)的感測特性。我們首先設計不同的製程參數：控制氬氣與氧氣的比例、濺鍍時間、改變基板溫度及退火處理溫度；接下來以選定之成長條件成長不同錫掺雜量之氧化鋅薄膜。利用X光繞射儀 ( XRD )、掃描式電子顯微鏡 ( SEM )、原子力顯微鏡(AFM)檢測薄膜晶體的結構、表面形態與粗糙度。
將此薄膜應用在以SiN/Si(氮化矽/矽)基板的氣體感測器上，研究改變製程條件及摻雜對氣體感測靈敏度和反應時間的影響。在成長時間為20分鐘、氧氣氛比例為20 %、在不加溫的基板及不退火的情況下，在操作溫度為400oC時對250ppm的CO其靈敏度為23.27 %，反應時間約為23分鐘。在相同的製程條件下，摻雜錫比例為20 mol%時因為其薄膜表面型態的改變，其靈敏度可達到31.622 % ，反應時間約為18分鐘。

In this study , Poly-crystal ZnO films have been grown by RF magnetron sputtering technique and were investigated the CO gas sensing properties . First , the deposited films were characterized as a function of argon-oxygen gas flow ratio, deposited time, substrate temperature, and annealing temperature. According to above sputter conditions, deposited the ZnO films with the different Sn content . Crystalline structures, surface morphology of the films were analysed by X-ray diffraction ( XRD ), scanning electron microscopy ( SEM ), atomic force microscopy ( AFM ) measurement.
The resulting films were applied to the gas sensor based on ZnO/SiN/Si structure . The effect of deposition conditions and dopants on the sensitivities and response time were studied. The sensitivity(23.27%) and response time(23 minutes)of pure ZnO thin film were obtained under a sputtering time of 20 minutes , containing 20% oxygen and 80% argon for none treatment .At the same process , the sensitivity of 20mol% Sn doped ZnO films arrive up to 31.622% due to the variation of surface morphology . It`s response time was about 18 minutes .

目錄
中文摘要................................................I
英文摘要................................................III
目錄.....................................................V
表目錄...................................................IX
圖目錄...................................................X

第一章  緒論	I
1-1  前言	1
1-2  氣體感測器	1
1-3  研究動機	3
1-4  論文架構	4

第二章  原理與文獻回顧	5
2-1　半導體氣體感測材料	5
2-1-1  二氧化錫(SnO2)的結構與特性	5
2-1-2  氧化鋅(ZnO)的結構和特性	7
2-2　吸附理論(adsorption theory)	9
2-2-1　物理吸附	9
2-2-2　化學吸附	11
2-3　金屬氧化物半導體之感測原理	13
2-3-1　晶界能障模式	13
2-3-2  表面電導模式	14
2-3-3  氧離子陷阱模型	15
2-4影響感測性質之因素	16
2-4-1　降低晶粒尺寸	16
2-4-2　表面催化劑	17
2-5 濺鍍原理	18
2-5-1  電漿原理	18
2-5-2  射頻濺鍍系統	19

第三章 實驗過程及研究方法	21
3-1 實驗流程	21
3-2 實驗材料	22
3-2-1  基板材料	22
3-2-2  靶材材料	22
3-2-3  基板清洗溶劑及實驗氣體	22
3-3 純氧化鋅/掺雜錫之氧化鋅靶材配置	23
3-4 基板的清洗	23
3-5 樣品的準備及實驗過程	24
3-6 影響氧化鋅薄膜成長的因素	25
3-7 薄膜結構的品質分析	25
3-7-1  X-Ray分析	25
3-7-2  SEM和AFM的分析	26
3-8 氣體感測特性之量測	27
3-8-1  氣體感測器製作	27
3-8-2  氣體感測器的量測系統	27

第四章  實驗結果與討論	29
4-1 成長時間	29
4-1-1  ZnO薄膜成長時間改變對物理結構的影響	29
4-1-2  ZnO薄膜成長時間改變對CO氣體感測特性的影響	30
4-2 氧氣氛比例	33
4-2-1  ZnO薄膜氧氣氛比例改變對物理結構的影響	33
4-2-2  ZnO薄膜氧氣氛比例改變對CO氣體感測特性的影響	35
4-3 基板溫度	37
4-3-1  ZnO薄膜基板溫度改變對物理結構的影響	37
4-3-2  ZnO薄膜基板溫度改變對CO氣體感測特性的影響	39
4-4 退火溫度	40
4-4-1  ZnO薄膜退火溫度改變對物理結構的影響	40
4-4-2  ZnO薄膜退火溫度改變對CO氣體感測特性的影響	42
4-4 摻雜	44
4-4-1  ZnO薄膜於不同摻雜錫比例對物理結構的影響	44
4-4-2  ZnO薄膜於不同掺雜錫比例對CO氣體感測特性的影響	45

第五章  結論與建議	48

參考文獻	96








表目錄

表1-1  可燃性氣體可引起爆炸濃度	50
表1-2  Threshold limited values of toxic gases	50
表 2-1　物理吸附和化學吸附的比較	51















圖目錄

圖2-1  二氧化錫的單位晶格結構圖	52
圖2-2  SnO2氣體感測器結構圖	52
圖2-3  氧化鋅晶體的材料結構	53
圖2-4　物理吸附的五種形式	54
圖2-5　固體表面/吸附氣體系統中相互問的距離與能量的關係圖	55
圖2-6  電子傳導能障圖	55
圖2-7　影響傳導的晶粒接合情形。（a） 開口頸縮（open neck）、（b）封閉頸縮（closed neck）、（c） Schottky 能障	56
圖 2-8  氧離子陷阱能隌示意圖	57
圖2-11 磁控式射頻濺鍍系統示意圖	59
圖3-1  濺鍍時的操作程序	60
圖3-2  氧化鋅粉末的JCPDS資料	61
圖3-3  氧化鋅薄膜氣體感測器 (a) 俯視圖 (b) 剖面圖	62
圖4-2  ZnO薄膜於不同的成長時間 FWHM關係圖	64
圖4-3  薄膜成長示意圖	65
圖4-4 ZnO薄膜於不同成長時間之SEM圖 (a) 20 (b) 40 (c) 60 (d) 80 (e)100分鐘	66
圖4-5不同成長時間之AFM圖(a)20(b)40(c)60(d)80(e)100分鐘	67
圖4-6 ZnO薄膜於不同成長時間對CO感測靈敏度與操作溫度關係圖	68
圖4-7 ZnO薄膜於不同成長時間在操作溫度400oC時之CO感測靈敏度與操作時間關係圖	68
圖4-8 ZnO薄膜於成長時間20分鐘對不同操作溫度之CO感測靈敏度與操作時間關係圖	69
圖4-9 ZnO薄膜於成長時間20分鐘對不同溫度之反應時間關係圖	69
圖4-11 ZnO薄膜於不同的氧氣氛比例 FWHM關係圖	70
圖4-12 不同氧氣氛比例之SEM圖 (a) 20 (b) 40 (c) 60 (d) 80 %	71
圖4-13 ZnO薄膜於不同氧氣氛比例之AFM關係圖(a)20 % (b)40 %   (c)60 % (d)80 %	72
圖 4-14 ZnO薄膜於不同氧氣氛比例時其表面粗糙度關係圖	73
圖4-15 ZnO薄膜於不同氧氣氛比例對CO感測靈敏度與操作溫度關係圖	73
圖4-16 ZnO薄膜於不同氧氣氛比例在操作溫度400oC時之CO感測靈敏度與操作時間關係圖	74
圖4-17 ZnO薄膜於氧氣氛比例20 % 對不同操作溫度之CO感測靈敏度與操作時間關係圖	74
圖4-18 ZnO薄膜於不同氧氣氛比例在操作溫度400oC時之反應時間關係圖	75
圖4-19 ZnO薄膜於氧氣氛比例為20 % 對不同溫度之反應時間關係圖	75
圖4-21 ZnO薄膜於不同的基板溫度 FWHM關係圖	76
圖4-22 ZnO薄膜於不同基板溫度之SEM圖 (a)不加溫 (b) 100 (c) 200 (d) 300 (e)400 oC	77
圖4-23不同基板溫度AFM圖(a)不加溫(b)100(c)200(d)300(e)400 oC	78
圖 4-24 ZnO薄膜於不同基板溫度時其表面粗糙度關係圖	79
圖 4-25 ZnO/Fused Quartz於不同基板溫度之穿透度關係圖	79
圖 4-26 ZnO/Fused Quartz於不同基板溫度之(αhv)2-hv關係圖	80
圖 4-27 ZnO/Fused Quartz於不同基板溫度之能隙關係圖	80
圖4-28  ZnO薄膜於不同基板溫度對CO感測靈敏度與操作溫度關係圖	81
圖4-29 ZnO薄膜於不同基板溫度在操作溫度400oC時之CO感測靈敏度與操作時間關係圖	81
圖4-30 ZnO薄膜於不同基板溫度在操作溫度400oC時之反應時間關係圖	82
圖4-32 ZnO薄膜於不同的退火溫度FWHM關係圖	83
圖4-33 ZnO薄膜於不同退火溫度之SEM圖 (a)不加溫 (b) 100 (c) 200 (d) 300 (e)400 oC	84
圖4-34不同退火溫度AFM圖(a)不加溫(b)100(c)200(d)300(e)400oC	85
圖 4-35 ZnO薄膜於不同退火溫度時其表面粗糙度關係圖	86
圖 4-36 ZnO/Fused Quartz於不同退火溫度之穿透度關係圖	86
圖 4-37 ZnO/Fused Quartz於不同退火溫度之(αhv)2-hv關係圖	87
圖 4-38 ZnO/Fused Quartz於不同退火溫度之能隙關係圖	87
圖4-39  ZnO薄膜於不同退火溫度對CO感測靈敏度與操作溫度關係圖	88
圖4-40 ZnO薄膜於不同退火溫度在操作溫度400oC時之CO感測靈敏度與操作時間關係圖	88
圖4-41 ZnO薄膜於不同退火溫度在操作溫度400oC時之反應時間關係圖	89
圖4-43 ZnO薄膜於不同掺雜錫比例之 FWHM關係圖	90
圖4-44不同錫掺雜比例SEM圖 (a)0 % (b)10 % (c)15 % (d)20 %	91
圖4-45 ZnO薄膜於不同錫掺雜比例之AFM關係圖(a)0 % (b)10 %  (c)15 % (d)20 %	92
圖4-46  ZnO薄膜於不同錫掺雜比例對CO感測靈敏度與操作溫度關係圖	93
圖4-47 ZnO薄膜於不同掺雜錫比例在操作溫度400oC時之CO感測靈敏度與操作時間關係圖	93
圖4-48 ZnO薄膜於不同錫掺雜比例在操作溫度400oC時之反應時間關係圖	94
圖4-49 ZnO薄膜於掺雜錫20 mol%對CO感測靈敏度與操作次數關係圖	94
圖4-50  ZnO薄膜於掺雜錫20 mol%對不同濃度CO感測靈敏度與操作溫度關係圖	95
                                    

參考文獻
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