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研究生: 葉博文
Yeh, Po-wen
論文名稱: 氧化鋅摻雜鎂薄膜之光學特性與在拉福波感測器之應用
The Optical Characteristics of ZnO:Mg Thin Films and Their Applications on Love-Wave Acoustic Sensors
指導教授: 朱聖緣
Chu, Sheng-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: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 125
中文關鍵詞: 氧化鋅拉福波光特性
外文關鍵詞: optical characteristics, ZnO, Mg, Love wave
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  • 本論文主要以射頻磁控濺鍍法,研究在石英 ( Fused Quartz )與鈮酸鋰 (64°YX LiNbO3 )基板上成長C軸(002)軸向的氧化鋅:鎂( MZO )薄膜。我們設計不同的製程參數:控制氬氣與氧氣的比例、腔體內壓力、濺鍍功率、濺鍍時間、靶材成分、改變基板溫度及退火處理溫度,分別在兩種基板上成長出具有(002)軸向的氧化鋅薄膜,利用X光繞射儀 ( XRD )、掃描式電子顯微鏡 ( SEM )、原子力顯微鏡(AFM)、紫外光-可見光光譜儀、表面分析儀檢測薄膜晶體的結構、內應力、薄膜表面粗糙度、穿透度與功函數。
    首先,將此薄膜應用於以64°YX LiNbO3為基板的拉福波 ( Love wave ) 感測器上。在此種基板上成長不同條件的MZO薄膜,研究其對元件頻率響應、靈敏度和溫度頻率係數的影響。厚度方面︰最大靈敏度發生在厚度與波長比值t / λ=0.041(膜厚1.67 μm,中心頻率108.6 MHz)時。第二部份,拉福波感測器則在基板不加溫時有比加溫基板提供更好之靈敏度,其靈敏度為3.86× 10-8 m2s kg-1,表面粗糙度為7.42nm。摻雜不同鎂含量方面:在鎂摻雜3%時,有使靈敏度最佳之粗糙度7.42nm。而對於溫度頻率係數而言,此基板由於與薄膜皆為負溫度係數,故沒有明顯改善效果
    第三部份將沈積薄膜在Fused Quartz基板,探討其光學特性,包含穿透度、能隙、功函數與折射率之影響。根據實驗結果,薄膜沉積在不加溫基板有較佳的光學穿透度。除此之外能隙與功函數隨溫度上升略微下降;MZO薄膜在基板溫度250℃有最高之穿透度。我們發現薄膜之光學穿透度則隨退火溫度上升而下降,然而,能隙與功函數無明顯變化,而折射率隨退火溫度上生而增加。最後,穿透度對於不同鎂摻雜比例並無明顯影響,能隙與功函數隨鎂摻雜量上升而增加,折射率則隨鎂摻雜量上升而下降。

    Poly-crystal ZnO:Mg ( MZO ) films with c-axis ( 002 ) orientation have been successfully grown on the Fused quartz and 64° YX-LiNbO3 substrate by RF magnetron sputtering technique. We try to deposit c-axis ( 002 ) orientation ZnO film on the two substrates. The deposited films were characterized as a function of argon-oxygen gas flow ratio, chamber pressure, RF power, deposited time, target component, substrate temperature, and annealing temperature. Crystalline structures, stress, surface roughness, transmittance and work function characteristics of the films were investigated by X-ray diffraction ( XRD ), scanning electron microscopy ( SEM ), atomic force microscopy ( AFM ) measurement, UV-visible spectrometer and Photo-electron spectrometer in air Modol (AC-2).
    Firstly, we deposited the films on the LiNbO3 substrate ( MZO / IDTs / LiNbO3 ) as a Love wave sensor. With different conditions of MZO thin film, the frequency response, the sensitivity, and the temperature coefficient of frequency are measured. As a function of layer thickness., the maximum sensitivity is obtained under the ratio of thickness to wave length t/λ of 0.041 (1.67 um film thickness with the center frequency of 108.6 MHz). Secondly, the Love wave sensor provides higher sensitivity for MZO films sputtered on unheated substrate than on heated substrate, the sensitivity is 3.86× 10-8 m2s kg-1 and the roughness 7.42nm. With the different doping ratio of Mg , the ratio of 3 mol % Mg doped ZnO films has the best sensitivity with the roughness of 7.42nm. Since the substrate and the films both have negative temperature coefficient of frequency, there are little improvements on the temperature coefficient of frequency.
    Thirdly, we deposit thin film on Fused Quartz substrate and investigate its optical characteristics, including the transmittance, the band gap, the work function, and the refractive index. According to the experimental result, the films depositied on the unheated substrate show better optical transmittance. Besudes, both the band gap and the work function decrease with increasing temperature, and the maximum refractive index is obtained for the substrate temperature of 250oC. It is found that the optical transmittance of the MZO films decrease with increasing the annealing temperature, However, the band gap and the work function doesn’t change obviously, and the refractive index increases with increasing the annealing temperature. Finally, the transmittance doesn’t change obviously with the different doping ratio of Mg, the band gap and the work function increases with increasing the ratio of Mg, and the refractive index decreases with increasing the ratio of Mg.

    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1 1-1 前言1 1-2 研究動機 3 1-3 論文架構 3 第二章 原理與文獻回顧 5 2-1 壓電特性 5 2-1-1 正壓電效應 5 2-1-2 逆壓電效應 6 2-2 表面聲波元件的基本材料與特性 6 2-2-1 壓電材料及其應用 6 2-2-2 指叉換能器 7 2-2-3 機電耦合係數 8 2-2-4 表面聲波相速度 8 2-2-5 溫度效應 9 2-3 氧化鋅薄膜的結構與特性 9 2-3-1 零維 11 2-3-2 一維 11 2-3-3 二維 12 2-3-4 三維 13 2-3-5 氧化鋅摻雜質 13 2-4 氧化鋅鎂之特性 14 2-4-1 成長機制及特性 15 2-4-2 熱穩定 15 2-4-3 光特性 16 2-4-4 應用元件 16 2-5 濺鍍原理 17 2-5-1 電漿原理 17 2-5-2 射頻濺鍍系統 18 2-6 表面聲波 19 2-6-1 雷利表面聲波 19 2-6-2 剪力水平聲波 19 2-6-3 表面飄移塊體波 19 2-6-4 拉福表面聲波 20 第三章 實驗過程與研究方法 21 3-1 實驗材料 21 3-1-1 基板材料 21 3-1-2 靶材材料 21 3-1-3 基板清洗溶劑及實驗氣體 21 3-2 靶材配置 21 3-3 基板選擇與清洗 22 3-3-1 石英 22 3-3-2 鈮酸鋰 22 3-3-3 基板的清洗 23 3-4 樣品準備與實驗過程 23 3-5 影響氧化鋅薄膜成長因素 24 3-6 薄膜結構的品質分析 24 3-6-1 X光粉末繞射儀 24 3-6-1-1 基本工作原理 25 3-6-1-2 儀器規格與特徵 26 3-6-1-3 應用 27 3-6-2 掃瞄式電子顯微鏡 28 3-6-2-1 基本工作原理 28 3-6-2-2 儀器規格與特徵 29 3-6-2-3 應用 30 3-6-3 原子力顯微鏡 31 3-6-3-1 基本工作原理 31 3-6-3-2 儀器規格與特徵 31 3-6-3-3 應用 32 3-6-4 紫外光-可見光光譜儀 33 3-6-4-1 基本工作原理 33 3-6-4-2 儀器規格與特徵 33 3-6-4-3 應用 34 3-6-5 表面分析儀 34 3-6-6 應力分析 35 3-7 拉福波感測元件製程 36 3-8 拉福波感測器的量測系統 37 第四章 實驗結果與討論 39 4-1 MZO在拉福波感測器之應用 39 4-1-1 濺鍍參數對MZO薄膜在LiNbO3上物理結構的影響 39 4-1-1-1 腔體壓力 39 4-1-1-2 氧氣氛比例 40 4-1-1-3 射頻能量 41 4-1-1-4 薄膜成長時間 42 4-1-1-5 基板溫度 42 4-1-1-6 不同摻雜鎂比例 43 4-1-2 拉福波感測器的分析 45 4-1-2-1 不同膜厚 45 4-1-2-2 不同基板溫度 46 4-1-2-3 不同摻雜鎂比例 47 4-1-2-3 grating影響 48 4-2 MZO薄膜的光學特性 49 4-2-1 濺鍍參數對MZO薄膜在Fused Quzrtz上物理結構的影響 49 4-2-1-1 腔體壓力 49 4-2-1-2 氧氣氛比例 49 4-2-1-3 射頻能量 50 4-2-1-4 薄膜成長時間 50 4-2-1-5 基板溫度 51 4-2-1-6 退火溫度 52 4-2-1-7 不同摻雜鎂比例 53 4-2-2 MZO薄膜的光學特性 54 4-2-2-1 不同摻雜鎂比例 54 4-2-2-2 不同基板溫度 55 4-2-2-3 不同退火溫度 56 第五章 結論與建議 57 5-1 MZO薄膜特性 57 5-1-1 XRD 57 5-1-2 SEM、AFM 57 5-2 拉福波感測器 57 5-3 MZO薄膜光學特性 58 5-3-1 穿透度 58 5-3-2 能隙與功函數 58 5-3-3 折射率 58 5-4 未來研究建議 59 參考文獻 121 表1-1 氧化鋅材料在聲波元件上的應用 60 表2-1 表面聲波常用的基板材料特性參數 61 表2-2 雷利表面波元件的壓電參數及其應用 62 表2-3 64°YX LiNbO3在洩漏波的傳播常數 62 表3-1表面聲波之材料 63 圖2-1 ( a )正壓電效應,( b )逆壓電效應 64 圖2-2 基本的表面聲波延遲線結構 65 圖2-3 表面聲波元件的指叉狀電極結構圖 65 圖2-4 氧化鋅晶體的材料結構 66 圖2-5 磁控式射頻濺鍍系統示意圖 67 圖2-6 拉福波形式的波導結構 67 圖3-1 複三方晶面示意圖 68 圖3-2 ( a )當溫度低於居禮溫度時,LiNbO3晶體呈現鐵電性 68 ( b )當溫度低於居禮溫度時,LiNbO3晶體呈現順電性 68 圖3-3 實驗流程 69 圖3-4 濺鍍時的操作程序 70 圖3-5 單一晶格產生的繞射現象 71 圖3-6 多晶體繞射環之形成原理 71 圖3-7 X光繞射儀之基本裝置 72 圖3-8 氧化鋅粉末的JCPDS資料 72 圖3-9 氧化鎂粉末的JCPDS資料 73 圖3-10 電子束撞擊試片時各種訊號產生的範圍及空間解析度示意圖 73 圖3-11 掃描式電子顯微鏡主要構造示意圖 74 圖3-12 原子力顯微鏡( a )外觀、( b )硬體構造 75 圖3-13 熱應力和內應力與沈積溫度的關係 76 圖3-14表面聲波元件製作IDTs的過程 77 圖3-15 舉離法的處理過程 78 圖3-16 拉福波感測器元件的( a )切面圖,( b )俯視圖 79 圖3-17 拉福波元件量測裝置示意圖 80 圖4-1 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同腔體壓力之 ( a ) XRD,( b ) FWHM與應力關係圖 81 圖4-2 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同腔體壓力之SEM圖( a ) 10mtorr,( b ) 15mtorr,( c ) 20mtorr,( d ) 25mtorr,( e ) 30mtorr 82 圖4-3 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同氧氣比例之 ( a ) XRD,( b ) FWHM與應力關係圖 83 圖4-4 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同氧氣比例之SEM圖( a ) 0%,( b ) 20%,( c ) 40%,( d ) 60% 84 圖4-5 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同濺鍍功率之 ( a ) XRD,( b ) FWHM與應力關係圖 85 圖4-6 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同濺鍍功率之SEM圖( a ) 50W,( b ) 60W,( c ) 70W,( d ) 85W,( e ) 100W 86 圖4-7 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同成長時間之 ( a )XRD、( b )FWHM與應力關係圖 87 圖4-8 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同成長時間之SEM圖 ( a ) 2小時,( b ) 3小時,( c ) 5小時,( d ) 7小時,( e ) 10小時 88 圖4-9 Zn0.97Mg0.03O / LiNbO3於不同基板溫度之 ( a )XRD、( b )FWHM與應力關係圖 89 圖4-10 MZO/LiNbO3於不同基板溫度之SEM圖 ( a ) 200 ℃,( b ) 250 ℃,( c ) 300 ℃,( d ) 350 ℃ 90 圖4-11 MZO/LiNbO3於不同摻雜鎂比例之( a )XRD、( b )FWHM與C值關係 91 圖4-12 MZO/LiNbO3於不同摻雜鎂比例之SEM圖 ( a ) 0%,( b ) 1%,( c ) 3%,( d ) 5%,( e ) 10%,(f) 20% 92 圖4-13 Zn0.97Mg0.03O / IDTs / LiNbO3元件於不同膜厚成長時間之頻率響應圖 ( a ) 0小時,( b ) 3小時,( c ) 5小時 94 圖4-14 Zn0.97Mg0.03O / IDTs / LiNbO3元件之膜厚與其相速度關係圖 95 圖4-15 Zn0.97Mg0.03O / IDTs / LiNbO3元件之膜厚與其靈敏度關係圖 95 圖4-16 Zn0.97Mg0.03O / IDTs / LiNbO3元件之頻率溫度係數與其厚度的關係圖 96 圖4-17 Zn0.97Mg0.03O / IDTs / LiNbO3元件之基板溫度相位移與甘油濃度關係圖 96 圖4-18 Zn0.97Mg0.03O / IDTs / LiNbO3元件之基板溫度與其靈敏度關係圖 97 圖4-19 Zn0.97Mg0.03O / IDTs / LiNbO3於不同基板溫度之表面粗糙度關係圖 ( a ) 200 ℃,( b ) 250 ℃,( c ) 300 ℃,( d ) 350 ℃ 98 圖4-20 MZO/IDT/LiNbO3元件之不同摻雜鎂比例相速度與甘油濃度變化關係圖 99 圖4-21 MZO/IDT/LiNbO3元件之頻率溫度係數與其摻雜鎂比例的關係圖 99 圖4-22 MZO/IDT/LiNbO3於不同摻雜比例之表面粗糙度關係圖 ( a ) 0%,( b ) 1%,( c ) 3%,( d ) 5%,( e ) 10%,(f) 20% 100 圖4-23 MZO / IDTs / LiNbO3元件之 有無grating之相速度與甘油濃度變化關係圖 101 圖4-24 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同腔體壓力之 ( a ) XRD,( b ) FWHM關係圖 102 圖4-25 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同氧氣比例之 ( a ) XRD,( b ) FWHM關係圖 103 圖4-26 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同濺鍍功率之 ( a )XRD,( b )FWHM關係圖 104 圖4-27 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同成長時間之 ( a )XRD,( b )FWHM關係圖 105 圖4-28 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同基板溫度之 ( a ) XRD,( b ) FWHM與應力關係圖 106 圖4-29 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同基板溫度之SEM圖 ( a ) 200 ℃,( b ) 250 ℃,( c ) 300 ℃,( d ) 350 ℃ 107 圖4-30 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同基板溫度之表面粗糙度關係圖 ( a ) 200 ℃,( b ) 250 ℃,( c ) 300 ℃,( d ) 350 ℃ 108 圖4-31 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同退火溫度之 ( a )XRD,( b )FWHM與應力關係 109 圖4-32 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同退火溫度之SEM圖 ( a ) 0%,( b ) 1%,( c ) 3%,( d ) 5%,( e ) 10%,(f) 20% 110 圖4-33 Zn0.97Mg0.03O / Fused Quartz於不同退火溫度之表面粗糙度關係圖 無退火(150 ℃),( b ) 200 ℃,( c ) 400 ℃,( d ) 600 ℃,( e ) 800 ℃ 111 圖4-34 MZO/Fused Quartz於不同摻雜鎂比例之 ( a )XRD,( b )FWHM與C值關係 112 圖4-35 MZO/Fused Quartz於不同摻雜鎂比例之SEM圖 ( a ) 0%,( b ) 1%,( c ) 3%,( d ) 5%,( e ) 10%,(f) 20% 113 圖4-36 MZO/Fused Quartz於不同摻雜鎂比例之穿透度關係圖 115 圖4-37 MZO/Fused Quartz於不同摻雜鎂比例之 - 關係圖 115 圖4-38 MZO/Fused Quartz於不同摻雜鎂比例之能隙與功函數關係圖 116 圖4-39 MZO/Fused Quartz於不同摻雜鎂比例之折射率關係圖 116 圖4-40 Zn0.97Mg0.03O/Fused Quartz於不同基板溫度之穿透度關係圖 117 圖4-41 Zn0.97Mg0.03O/Fused Quartz於不同基板溫度之 - 關係圖 117 圖4-42 Zn0.97Mg0.03O/Fused Quartz不同基板溫度之能隙與功函數關係圖 118 圖4-43 Zn0.97Mg0.03O/Fused Quartz於不同基板溫度之折射率關係圖 118 圖4-44 Zn0.97Mg0.03O/Fused Quartz於不同退火溫度之穿透度關係圖 119 圖4-45 Zn0.97Mg0.03O/Fused Quartz於不同退火溫度之 - 關係圖 119 圖4-46 Zn0.97Mg0.03O /Fused Quartz於不同退火溫度之能隙與功函數關係圖 120 圖4-47 Zn0.97Mg0.03O/Fused Quartz於不同退火溫度之折射率關係圖 120

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    下載圖示 校內:2007-06-23公開
    校外:2008-06-23公開
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