第三章 實驗方法與步驟
3.6 薄膜分析及量測
3.6.4 薄膜表面分析
使用場發射電子顯微鏡(JEOL JSM-6500F)，來觀察薄膜的表面，如圖 3-8所示。電子束與試片的作用可分為彈性及非彈性碰撞兩類，掃描式電子 顯微鏡以偵測器偵測物質表面，因電子束撞擊而產生的二次電子及背向散 射電子，可推知表面結構的起伏。
圖3-8 場發射電子顯微鏡外觀圖
3.6.5 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析
使用UV-VIS 光譜儀(Spectrophotometer)，如圖3-9所示。利用UV-VIS 光譜儀進行可見光穿透率及薄膜吸收光譜之量測。其工作原理是讓UV光束 先後通過基準試片及另一已待測試片，經接收器所接收後，比較能量變 化，即可得到光穿透率與薄膜吸收光譜；掃瞄範圍：300nm~800nm。
圖3-9 UV-VIS光譜儀外觀圖
3.6.6 薄膜表面形態分析 薄膜表面形態分析 薄膜表面形態分析 薄膜表面形態分析
使用原子力顯微鏡(SPA-400)來觀察表面形態，如圖 3-10 所示。利用具 有原子級解析度的 AFM 檢測，可以得知薄膜表面的粗糙度與微觀表面結 構。其工作原理是原子與原子因距離近時會產生引力及斥力兩種原子力，
一般利用探針與試片表面之固定距離範圍之原子力，以雷射反射原理，偵 測探針之高低起伏，掃描後形成影像，即是原子力顯微鏡成像之原理。
圖3-10 原子力顯微鏡外觀圖
第四章 第四章 第四章
第四章 結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論
4.1 薄膜表面形態與結構分析 薄膜表面形態與結構分析 薄膜表面形態與結構分析 薄膜表面形態與結構分析
圖4-1(a)~(i)為氧化鋅鎵薄膜SEM表面形態(No.1~No.9)，圖4-1顯示，
(a)~(c)為較低的射頻功率(R.F. 50W) ， 所鍍製的薄膜表面並無明顯顆粒產 生；但(c)(圖4-1)的濺鍍參數不但氬氣含量較高、基板溫度較高且濺鍍時間 也較久，故能形成較大的結晶，(d)~(i)(圖4-1) 顯示隨著射頻功率的提升，
薄膜表面有較大的晶粒產生，推斷當射頻功率提升時，可使被濺擊出靶材 表面的粒子有足夠的動能往基板飛行，當粒子沉積於基板表面時也有足夠 的能量進行擴散與結合，故可形成較大的結晶；其中(d)與(g)(圖4-1)雖然也 在較高的功率下鍍製薄膜，但因為通入的氣體流量較少，降低了電漿密 度，故鍍製的薄膜品質也相對受到影響。
圖4-2為氧化鋅鎵薄膜XRD繞射圖(No.1~No.9)，從圖中可得知，薄膜 的XRD繞射波峰約在34.5°，在C軸方向上ZnO(002)面有較明顯的波峰出 現，且隨著射頻功率上升，波峰的繞射強度有愈明顯的現象。
(a) No.1 (50 W, 6.0 mTorr, room, 20 min) (b) No.2 (50 W, 7.5 mTorr, 50℃, 40 min)
(c) No.3 (50 W, 9.0 mTorr, 80℃, 60 min) (d) No.4 (85 W, 6.0 mTorr, 50℃, 60 min)
(e) No.5 (85 W, 7.5 mTorr, 80℃, 20 min) (f) No.6 (85 W, 9.0 mTorr, room, 40 min)
(g) No.7 (120, W 6.0 mTorr, 80℃, 40 min) (h) No.8 (120 W, 7.5 mTorr, room, 60 min)
(i) No.9 (120 W, 9.0 mTorr, 50℃, 20 min)
圖4-1 (a)~(i)氧化鋅鎵薄膜SEM表面形態(No.1~No.9)
圖4-2 氧化鋅鎵薄膜XRD繞射圖(No.1~No.9), b為半高寬 (b: full width at half maximum, FWHM)
4.2 薄膜沉積速率 薄膜沉積速率 薄膜沉積速率 薄膜沉積速率
沉積速率為單位時間內薄膜的厚度，提升沉積速率，及獲得薄膜最佳 品質，是研究的重點。製程參數對薄膜沉積速率有相當程度的影響，且沉 積速率對薄膜表面形態及結構也有很大的關係，在此先探討濺鍍參數與薄 膜沉積速率之間的關係。
利用田口實驗法，分別設計四個因子來評估薄膜沉積速率與濺鍍參數 之關係，目的在找出影響薄膜沉積速率最大的因子及最佳的參數組合；變 異數分析可提供在不同因子相對的效果下，得到更客觀的判斷方式。表4-1 為沉積速率與信號雜訊比(S/N)，表4-2為沉積速率之變異數分析，顯示射 頻功率為影響薄膜沉積速率的主要因子(貢獻度:95.28%)，其餘參數因子影 響不大；根據各因子水準的S/N比值可建構出因子回應圖，如圖4-3所示，
顯示隨著提高射頻功率，薄膜沉積速率也隨之提高 [52-53]，乃因提高射 頻功率會使陰極所產生的自生負偏壓(self-bias)提高，使得氬離子與陰極的 電位差加大，讓氬離子有較高的加速度撞擊靶材，使靶材濺射出數量較多 的粒子，且提高射頻功率可使濺射出的靶材粒子獲得較大的能量，不易與 其他粒子產生散射，因此可提昇薄膜沉積速率。
表4-1 薄膜沉積速率與信號雜訊比(S/N)
S/N ratios of deposition rate (dB)
Note:A=Power(W), B=pressure(mTorr), C=Temperature (℃), D= Time(min)
4.3 薄膜電性分析 薄膜電性分析 薄膜電性分析 薄膜電性分析
晶性也因晶粒排列更緊密而獲得改善，使之能夠成長出較好的結晶。
S/N ratios of resistivity (dB)
Note:A=Power(W), B=pressure(mTorr), C=Temperature (℃), D= Time(min)
4.4 薄膜光學性質分析 薄膜光學性質分析 薄膜光學性質分析 薄膜光學性質分析
表4-5 薄膜光穿透率與信號雜訊比(S/N)
S/N ratios of transmittance (dB)
Note:A=Power(W), B=pressure(mTorr), C=Temperature (℃), D= Time(min)
4.5 灰關聯分析與驗證實驗 灰關聯分析與驗證實驗 灰關聯分析與驗證實驗 灰關聯分析與驗證實驗
數組合，如表4-10所示。
表4-9 灰關聯因子之變異數分析
S/N ratios of grey relation
120
Note:A=Power(W), B=pressure(mTorr), C=Temperature (℃), D= Time(min)
表4-10 本系統最佳參數組合
沉積時間不若直交表序列來的長，粒子還處於孕核狀態時就停止鍍膜，使 粒子沒有足夠時間來聚結形成更大的結晶，故表面形態為較平整的片狀連 續膜(厚度約為170 nm)，由灰關聯預測所得之參數組合所鍍製的薄膜，因 有較長時間可讓粒子於基板表面進行擴散、互相結合，其表面形態為較粗 糙且凹凸不平的島狀連續膜(厚度約為1 µm) [54] ，也因表面較為粗糙，所 以薄膜透光率稍稍下降；在電阻率方面，由於片電阻值相較於直交表序列 所鍍製的薄膜大幅下降(直交表:1573 Ohm/sq 優於灰關聯186 Ohm/sq)，即 使薄膜厚度較厚，但本文電阻率是由(3-5)式所求得，經過計算，由灰關聯 所鍍製之薄膜電阻率還是比直交表所鍍製之薄膜來的好。
圖4-10為薄膜之XRD繞射圖，由灰關聯所預測參數組合所鍍製的薄膜 雖然繞射強度與直交表序列參數組合相較之下並不明顯， 但其半高寬(b:
full-width at half-maximum, FWHM)仍比直交表序組合低，顯示其晶粒尺 寸較大，由此可知，由灰關聯所預測之參數組合為本系統最佳沉積參數。
(a) 50 W, 7.5 mTorr, 50 ℃, 40 min (b) 50 W, 7.5 mTorr, 50 ℃, 60 min 圖4-7 AFM薄膜表面形態
(a) 直交表序列參數組合所鍍製之薄膜 ( Ra : 0.305 nm ) (b) 灰關聯預測參數組合所鍍製之薄膜 ( Ra : 0.529 nm )
(a) 50 W, 7.5 mTorr, 50 ℃, 40 min (b) 50 W, 7.5 mTorr, 50 ℃, 60 min 圖4-8 SEM薄膜表面形態
(a) 直交表序列參數組合所鍍製之薄膜 ( Thickness :約170 nm ) (b) 灰關聯預測參數組合所鍍製之薄膜 ( Thickness :約300 nm )
圖4-9 薄膜光穿透率圖
(a) 直交表序列參數組合所鍍製之薄膜(Transmittance : 87.6 %) (b) 灰關聯預測參數組合所鍍製之薄膜(Transmittance : 83.0 %)
圖4-10 薄膜XRD繞射圖 (b為半高寬)
(a) 直交表序列參數組合所鍍製之薄膜 (b) 灰關聯預測參數組合所鍍製之薄膜
4.6 改變 改變 改變 改變射頻功率 射頻功率 射頻功率 射頻功率
經實驗驗證後，得知灰關聯預測因子(50 W, 7.5 mTorr, 50 ℃, 60 min) 為本系統最佳沉積參數組合，再將此組合選出最重要參數因子功率並改變 其鍍膜參數，如表4-12所示，觀察對GZO透明導電膜之表面結構、XRD繞 射強度、電阻率及光穿透率的影響。
表4-12 改變功率鍍膜參數表
Substrate PET 25mm × 25mm × 0.1mm
Target
ZnO: Ga2O3 (97:3 wt . %)；
99.9 95 % p uri t y; 51. 2 mm diameter
Gas Argon (99.995%)
Base pressure 5.0 × 10-6 torr Substrate-to-target distance 85 mm
Substrate rotate vertical axis 30 rpm Sputtering pressure 7.5 mTorr
Temperature 50℃
Deposition time 60 min
R.F. power 30, 40, 50, 60,70 W
4.6.1 薄膜表面結構分析 薄膜表面結構分析 薄膜表面結構分析 薄膜表面結構分析
圖4-11(a)~(e)為改變功率鍍膜參數下的氧化鋅鎵薄膜表面形態，可看 出當射頻功率增大時，可發現薄膜表層結晶有明顯變大的趨勢。
(a) RF power 30 W (b) RF power 40 W
(c) RF power 50 W
(d) RF power 60 W (e) RF power 70 W
圖4-11 改變功率鍍膜參數薄膜表面結構(a)~(e)
4.6.2 薄膜 薄膜 薄膜XRD繞射分析 薄膜 繞射分析 繞射分析 繞射分析
圖4-12為改變功率鍍膜參數下薄膜XRD繞射圖，可明顯得知隨著射頻 功率的提升，其薄膜的繞射峰強度越強。在射頻功率為30 W時其強度已無
法測知，可能是因為射頻功率過低，使得粒子無法有效的附著在基材上。
利用繞射峰的半高寬(Full width half maximum, FWHM)可以計算出晶 粒大小D，其關係式如下[55]：
D = cos
k b
λ
θ (4-1) 其中 k=0.9 為常數，λ為 X-ray入射波長(λ=1.54Å)，b為半高寬(弳 度)，θ為繞射角度，由上式可知當半高寬變小時，其結晶顆粒會越大。
圖4-12 改變功率鍍膜參數薄膜XRD繞射圖 (b為半高寬)
4.6.3 薄膜電性分析 薄膜電性分析 薄膜電性分析 薄膜電性分析
圖4-13為改變功率鍍膜參數下薄膜電阻率圖，隨著射頻功率提升，薄 膜電阻率有明顯下降的趨勢，在功率為30 W~50 W時，電阻率急速下降，
而在50 W~70 W時電阻率下降的速度趨於平緩。
圖4-13 改變功率鍍膜參數薄膜電阻率圖
4.6.4 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析
圖4-14為改變功率鍍膜參數下薄膜光穿透率圖，可得知隨著射頻功率 的改變，薄膜的可見光穿透率隨之成正比的趨勢。
圖4-14 改變功率鍍膜參數薄膜光穿透率圖
4.7 改變 改變 改變 改變濺鍍 濺鍍 濺鍍 濺鍍壓力 壓力 壓力 壓力
經實驗驗證後，得知灰關聯預測因子(50 W, 7.5 mTorr, 50 ℃, 60 min) 為本系統最佳沉積參數組合，再將此組合選出次重要參數因子壓力並改變 其鍍膜參數，如表4-13所示，觀察對GZO透明導電膜之表面結構、XRD繞 射強度、電阻率及光穿透率的影響。
表4-13 改變壓力鍍膜參數表
Substrate PET
Target
ZnO: Ga2O3 (97:3 wt . %)；
99.9 95 % p uri t y; 51. 2 mm diameter
Gas Argon (99.995%)
Base pressure 5.0 × 10-6 torr Substrate-to-target distance 85 mm
Substrate rotate vertical axis 30 rpm
R.F. power (W) 50 W
Temperature 50℃
Deposition time 60 min
Sputtering pressure 6.75, 7.13, 7.5, 7.88, 8.25 mTorr
4.7.1 薄膜表面結構分析 薄膜表面結構分析 薄膜表面結構分析 薄膜表面結構分析
圖4-15(a)~(e)為改變壓力鍍膜參數下的氧化鋅鎵薄膜表面形態，可看 出當製程壓力改變時，發現薄膜表層結晶有並無明顯變化。
(a) Pressure 6.75 mTorr (b) Pressure 7.13 mTorr
(c) Pressure 7.5 mTorr
(d) Pressure 7.88 mTorr (e) Pressure 8.25 mTorr 圖4-15 改變壓力鍍膜參數薄膜表面結構(a)~(e)
4.7.2 薄膜 薄膜 薄膜XRD繞射分析 薄膜 繞射分析 繞射分析 繞射分析
圖4-16為改變壓力鍍膜參數下薄膜XRD繞射圖，可明顯得知當改變濺 鍍壓力的情況之下，得知通以適量的氬氣，對於晶粒的強度提升，有相當 大的幫助。
圖4-16 改變壓力鍍膜參數薄膜XRD繞射圖 (b為半高寬)
4.7.3 薄膜電性分析 薄膜電性分析 薄膜電性分析 薄膜電性分析
圖4-17為改變壓力鍍膜參數下薄膜電阻率圖，隨著濺鍍壓力的提升，
電阻率有上升的趨勢，當壓力處於7.5mTorr的情況下，薄膜的電阻率達到 最高。
圖4-17 改變壓力鍍膜參數薄膜電阻率圖
4.7.4 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析 薄膜光穿透率分析
圖4-18為改變壓力鍍膜參數下薄膜光穿透率圖，可得知當濺鍍壓力在 7.5mTorr時，光穿透率能夠達到最佳的狀態，不論是改變瓦數或是改變壓 力的情況下其最佳光穿透率在可見光(500~600 nm)範圍，都有80 %以上之 光穿透率。
圖4-18 改變壓力鍍膜參數薄膜光穿透率圖
第五章 第五章
第五章 第五章 結論 結論 結論 結論
本研究以RF磁控濺鍍沉積氧化鋅鎵(GZO)薄膜於PET 上，以田口實驗 設計配合灰關聯分析，探討製程參數及再線性對GZO薄膜光電性質的影 響，茲將本文結論歸納如下：
1. 經由田口實驗之變異數分析後可得知，射頻功率為影響薄膜沉積速率 及電阻率的主要因子；隨著射頻功率的提升，靶材上被濺射出的粒子 有更大的動能向基板移動，當粒子到達基板表面時，也有足夠的能量 進行擴散使其再結合，形成較大的晶粒，電子只需通過較少的阻礙來 進行傳遞。此外，影響薄膜透光率的主要因子為濺鍍壓力，當濺鍍壓 力在7.5 mTorr時，光穿透率能夠達到最佳的狀態。
2. 由灰關聯理論分析，經實驗應証，求得本系統多重品質特性最佳鍍膜 參數，其水準組合為 : 射頻功率 50 W、濺鍍壓力 7.5 mTorr、濺鍍溫 度 50 ℃、沉積時間 60 min，所獲得的沉積速率為5.12 nm/min、電阻 率為5.5×10-3 Ω‧cm、表面粗糙度為0.529 nm及可見光穿透率約為83
%。
3. 在改變單一鍍膜參數下，不論是改變瓦數或是改變壓力，其電阻率及 光穿透率，皆比灰關聯鍍膜參數組合要來的差，故再次驗證灰關聯鍍 膜參數組合是本次實驗參數設置中之最佳鍍膜參數。
參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻
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