以溶液法製作ZnO薄膜的方法目前是以sol-gel的方式為主，但因sol-gel製程 常用的溶劑與安定劑為有揮發性的液體或化學物質，在環保署的認定可能對人
Zn(CH3COO)2·2H2O (Aldrich,99.999%)，使其形成0.5M的氧化鋅有機金屬鹽水 溶液，其溶解的化學方程式如下所示： 性劑(polyethylene glycol trimethylnonyl ether-CnH2n+1O(CH2CH2O)nH, 97%)，在 磁石均勻攪拌混合5分鐘後即可得到透明澄清的氧化鋅水溶液，如圖3-1所示，
然後取適量的氧化鋅溶液在每分鐘350轉的轉速下旋轉塗佈在5x5 cm2的玻璃
基板上，在溫度80C的hot plate上pre-baking 10min後，經高溫爐在300~500C 的溫度下通入空氣退火1小時，即可得到透明且連續的氧化鋅薄膜；而本實驗 氧化鋅薄膜的特性也利用X-ray diffraction (XRD)來分析氧化鋅薄膜晶相，原子 力顯微鏡--atomic force microscopy (AFM)、掃描式電子顯微鏡--scanning electron microscopy (SEM)來觀察氧化鋅薄膜表面形態，利用四點探針方式來 量測薄膜電阻係數，紫外光—可見光吸收光譜分析(UV-visible spectrum
analysis)來分析薄膜穿透率等，希望了解本實驗方式成長ZnO薄膜的相關特性。
圖 3-1：本實驗均勻混合後 ZnO 水溶液樣品圖
圖 3-2：ZnO 薄膜製作流程圖
Zn(CH3COO)2·2H2O
50ml Deionized Water
Non-ionic surfactant
ZnO thin film
Mixing and Stirring for 5min
Spin Coating
Pre-baking
Annealing in Air
Clear ZnO Metal Salt Aqueous Solution
UV-Visible analysis XRD
SEM AFM
I-V Curve Analysis TGA
FTIR
3-2、實驗分析
本實驗主要分析包括X-ray diffraction (XRD)、原子力顯微鏡--atomic force microscopy (AFM)、掃描式電子顯微鏡--scanning electron micros -copy
(SEM)、四點探針方式和穿透式電子顯微鏡--tunneling electron microscopy (TEM)等儀器做詳細的分析。
圖 3-3：XRD 量測示意圖[64]
3-2-2、原子力顯微鏡(AFM）
AFM是屬於掃瞄式探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy SPM）的一種，
指具有『掃描機制與動作』及『微細探針機制』的顯微技術，藉由如原子力、
3-2-3、掃描式電子顯微鏡(SEM）
掃描式電子顯微鏡主要工作原理為電子槍外加0.5~30 kV的加速電壓使電子 槍產生電子束，經過電磁透鏡所組成的電子光學系統，使電子束聚焦成一點後 照射在詴片上，主要目的在觀察詴片表面型貌。當電子束與詴片表面作用後會 激發出來各種訊號，包括二次電子、歐傑電子、穿透電子、繞射電子、背向散 射電子、非彈性碰撞電子，特徵X光、螢光等。
一般掃描式電子顯微鏡所偵測的訊號為二次電子與背向散射電子，由於二次 電子微弱鍵結電子，因此只有在距離詴片表面50~500 Å 的範圍內的二次電子才 有機會逃出表面而被偵測到，此外，二次電子的數量會受到材料表面起伏影 響，這些電子經偵測器偵測後會將訊號放大處理，由螢幕輸出影像，因此透過 二次電子影像（Secondary Electron Image，SEI）可觀察到詴片表面的表面型 態[64]。
3-2-4、四點探針電性量測
圖 3-4：四點探針量測原理圖[64]
3-3、氧化鋅水溶液熱重分析--Thermogravimetry analysis (TGA)
本氧化鋅水溶液的TGA分析以10C/min的升溫速率在空氣下進行分析，分析 結果如圖3-5所示，在100˚C~270˚C此階段的重量損失是因為水分的蒸發與醋酸 鋅的醋酸鍵裂解揮發造成，與文獻[86~ 87]有類似的結果；而280˚C~375˚C此階 段的重量損失則為剩餘醋酸鍵的裂解揮發與界面活性劑的裂解揮發所造成，一 直到400˚C後整體重量才不在改變而維持在21.83%，由此資料可了解本實驗 ZnO溶液的裂解情形，而決定所需要的退火溫度。
圖 3-5：ZnO 水溶液材料的 TGA 圖
3-4、薄膜表面形貌觀察與電阻率分析
本氧化鋅薄膜經300~500C的退火後，經SEM分析後，其薄膜的表面形貌如 圖3-6~3-11所示；由資料可看出本ZnO薄膜在不同溫度的退火後皆為一層連續 的結晶薄膜，其厚度約100~130 nm，而晶粒的大小由後面XRD分析與Scherrer equation可計算得知，算式如下所示： 其值分別為9.28x107Ω-cm、3.14x106Ω-cm、5.6x105Ω-cm，雖然電阻係數隨溫 度增加有降低的趨勢，不過電阻係數還是很高，可能是因為結構較鬆散所造成 的。
圖 3-6：ZnO 薄膜經 300 C 退火後的表面型態圖--Tilt View
1um
圖 3-7：ZnO 薄膜經 300 C 退火後的表面型態圖--Cross-section View
500nm
圖 3-8：ZnO 薄膜經 400 C 退火後的表面型態圖--Tilt View
1um
圖 3-9：ZnO 薄膜經 400 C 退火後的表面型態圖--Cross-section View
500nm
圖 3-10：ZnO 薄膜經 500C 退火後的 表面型態 圖--Tilt View
1um
圖 3-11：ZnO 薄膜經 500 C 退火後的表面型態圖 --Cross-section View
500nm
3-5、薄膜晶體結構分析
圖3-12為ZnO薄膜在300~500C退火後利用XRD(PANalytical X'Pert Pro–
MRD) Cu Kα1(1.5406Å )的波長以Scan step size=0.02量測晶相所得到的結果，
經比對JCPDS powder file (附錄一)後，可看出由本實驗的ZnO溶液旋轉塗佈在 玻璃基板上，經300~500C退火後，確實可得到ZnO的結晶薄膜。不過本ZnO
圖 3-12：300、400、500 C 退火後的 ZnO 薄膜 XRD 圖
3-6、薄膜表面粗糙度分析
圖3-13為本ZnO薄膜在500℃退火後利用AFM分析ZnO薄膜的表面粗糙程 度，分析面積為2μm x 2μm，其rms值為4.28nm，由分析結果可看出本薄膜為 連續的薄膜，與SEM的分析對照相符。
圖 3-13：500℃退火後的 ZnO 薄膜 AFM 圖
100
nm
3-7、薄膜光穿透率分析
圖3-14為UV-Visible吸收光譜分析儀器分析本實驗500C退火後的ZnO薄 膜結果，由分析結果可看到薄膜的穿透率在可見光(400~800nm)範圍內可大於 85%；另外，由第二章的資料中可知薄膜的吸收係數(a)與光能量(hν)通常存在 一關係式如下所示：
a = (hν – Eg)1/2/ hν
故將圖3-14中的資料帶入換算並作圖，對圖右半部作線性迴歸得到直線方程式 後，將其延伸至X軸，而與X軸相交之處即為本ZnO薄膜的光能隙，由圖3-15 的結果可知本ZnO薄膜的光能隙約在3.27eV左右。
圖 3-14：500℃退火後的 ZnO 薄膜穿透率圖
圖 3-15：500℃退火後的 ZnO 薄膜光能隙圖
3-8、傅立葉紅外光光譜分析(FTIR)
為了得到本實驗薄膜在500℃的退火後是否仍有有機鍵結的殘留，故利用 FTIR以KBr鹽片法來分析ZnO薄膜在500℃退火後的成分，分析結果如圖3-16 所示；圖中可看到本實驗ZnO材料在500℃的退火後，並未發現明顯的有機鍵 訊號產生，只有些微的OH鍵訊號，推測是ZnO薄膜在退火後與送樣分析過程 中吸附的水氣造成，可利用烘乾程序去除，減少對元件的影響。
圖 3-16：500℃退火後的 ZnO 薄膜的 FTIR 圖
3-9、薄膜電晶體電性量測分析
本實驗利用黃光微影製程來製作的ZnO TFT元件，其元件結構與各層厚度 如圖3-17所示，其中閘極是以磁控濺鍍的方式在功率8kW、溫度180℃以MoW:
65% Mo +35% W(at%)的靶材在Ar氣100sccm下沉積100 nm的MoW薄膜在玻璃 基板後，利用反應式離子蝕刻在800W、真空度100 mtorr，氣氛為SF6、Cl2、 He與O2下定義閘極圖形；而介電材料則以PECVD的方式在功率340W、氣氛為 SiH4、H2與NH3混合氣體，在200℃為下沉積厚度300nm的氮化矽來當絕緣層，
再利用感應耦合電漿離子蝕刻在功率300W、真空度30mtorr，氣氛為SF6與O2 下定義絕緣層圖形；源極與汲極則是用磁控濺鍍方式在絕緣層上在功率 示，ZnO TFT元件通道的width versus length ratio (W/L)為500/50，臨界電壓(Vth) 是以Vd=30V的電流，以(ID,sat)1/2對VG做圖，並做線性回歸，而利用此回歸線的 斜率可推算出載子遷移率μ，且回歸線與X軸的截距即可決定Vth；經上述計算 後本ZnO TFT的臨界電壓約3V左右，載子遷移率μ約為0.005cm2/Vs，汲極電 流約10-9安培，電流開關比(Ion/off)約101~2次方，漏電流Ig約在10-10安培。
一般而言，以可操作顯示器的a-Si TFT元件其特性表現為：臨界電壓約在 0~5V左右，載子遷移率μ約為0.5cm2/V.s，汲極電流至少10-8安培，電流開關
比(Ion/off)約105~6次方，漏電流Ig約在10-10~-11安培；故本元件的TFT特性與其比較
並不好，原因應該是ZnO薄膜缺陷較多且與源極、汲極或絕緣層的界面並不是 很好，如圖3-20所示，導致閘極、源極與汲極在施加電壓後，載子會被捕捉在 缺陷內或在晶界處被散射，使可移動載子的濃度變低，造成TFT開(On)電流與 載子遷移率都不高，電流開關比(Ion/off)只有101~2次方，且電流不能達到完全飽 和；不過雖然元件特性有待改進，但由此可證明以本實驗的水溶液方式確實可 成長ZnO薄膜且可應用在TFT元件上。