不同氧氣流量對非晶系銦鎵鋅氧薄膜電晶體製程之影響

國 立 交 通 大 學

光電工程研究所

碩 士 論 文

不同氧氣流量對非晶系銦鎵鋅氧薄膜電晶體製程

之影響

Effects of different Oxygen flow in the Fabrication of

Amorphous Indium-Gallium-Zinc-Oxide Thin-Film

Transistors

研 究 生 : 徐智弋

指 導 教 授 : 陳皇銘

不同氧氣流量對非晶系銦鎵鋅氧薄膜電晶體製程之影響

Effects of different Oxygen flow in the Fabrication of Amorphous

Indium-Gallium-Zinc-Oxide Thin-Film Transistors

研 究 生 : 徐 智 弋

_{Student : Chin-Yi Hsu}

指 導 教 授 : 陳 皇 銘

_{Advisor : Huang-Ming Philip Chen}

國 立 交 通 大 學

光 電 工 程 研 究 所

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to the Institute of Electro-Optical Engineering College of Electrical and Computer Engineering

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master in

Electrical-Optical Engineering August 2010

Hsinchu, Taiwan, Republic of China.

不同氧氣流量對非晶系銦鎵鋅氧薄膜電晶體製程之影響

研究生: 徐智弋 指導教授: 陳皇銘 博士

國立交通大學光電工程研究所

摘要

近年來，有許多關於非晶系氧化半導體(AOS)的研究著作產出，銦鎵鋅氧(IGZO) 是 AOS 的其中一種，其物理特性相當適合於作為薄膜電晶體(TFT)的主動層，相對於 非晶矽(a-Si)或多晶矽(p-Si)，銦鎵鋅氧具有許多優點如高載子漂移率、低製程溫度和 屬於透明材質等；但是 AOS 本身也具有一些缺點，其對於環境中的氧氣、水氣、光源 照射以及製程參數等都相當的敏感，根據過去關於 AOS 的文獻指出，以上的敏感要素 皆能夠改變氧空缺的濃度使得製程的元件電性產生改變。本論文的實驗可分成兩個部 分，分別為探討製程氣體 Ar/O2比例對於元件的影響以及嘗試將元件製作於可撓式不 鏽鋼基板上，利用 XPS 能譜的分析取得不同 Ar/O2比例下金屬原子比例(銦、鎵、鋅) 和氧空缺濃度的變化情形，我們推斷在不同製程氣體 Ar/O2比例下因金屬原子的變化 才導致氧空缺濃度改變間接使得臨限電壓(threshold voltage, Vth)產生偏移；另外在不鏽 鋼基板製程方面，我們雖然將元件製作於基板上並且可在平面與彎曲情況下成功量 測，但經過所有彎曲量測程序後元件便毀壞，所以減少元件所受的應力破壞將是未來 研究的目標之一。

Effects of different Oxygen flow in the Fabrication of

Amorphous Indium-Gallium-Zinc-Oxide Thin-Film Transistors

Student: Chin-Yi Hsu Advisor: Dr. Huang-Ming Philip Chen

Institute of Electro-Optical Engineering

National Chiao Tung University

Abstract

Recently, there are many researches about amorphous oxide semiconductors (AOSs). IGZO is one kind of AOSs and possesses physical characterictics that are suitable for TTFTs. Relative to a-Si or p-Si, IGZO have lots of advantages of high mobility, low fabrication temperature, viewing light transparency and so on. However, they are sensitive to oxygen, moisture, light illumination and fabrication parameters. According to many researches about IGZO, the key issue about unstable properties was caused by the variation of oxygen vacancy concentration. In this thesis, we made a study of the effects of Ar/O2

ratio in a-IGZO deposit processes and attempted to fabricate device on flexible stainless steel foils. The metal atomic ratios (In, Ga and Zn) and oxygen vacancy concentrations in different Ar/O2 ratio were presented by XPS spectra analysis. We inferred that the variations

of oxygen vacancy concentration were caused by the varied metal atomic ratios and resulted threshold voltages shift indirectly. In devices on the SSFs, the TFT characteristics were obtained successfully in planar and bend state but failed after all bending measurement processes. The improvement stresses on devices is one of the future plans.

誌謝

在這兩年的研究所生涯中，曾受到許多人的幫助。首先誠摯感謝指導教授 陳皇銘 老師，當我一無所知的時候，總是耐心指導著我，當我徬徨無助的時候，總是能適時 給我客觀的建議及分析，幫助我做出適當的決定，在研究上，引領我走出各種問題的 迷宮，對於我的研究有莫大的幫助；另外也特別感謝交大材料工程所謝宗雍教授和羅 俊傑學長，提供我實驗所需的材料與建議使我的實驗能順利進行。 其次，很感謝畢業的學長姐們－怡帆、謹瑋、祥志、蓮馨的細心教導及建議，讓 我在剛進實驗室的時候，能很快地進入狀況，知道做研究的方法，以及在生活上、待 人處事上給我適當的幫助。感謝實驗室的學長－淇文，與同學們－永星、珮宜、益興、 宣穎、丞富、毓筠，以及學弟妹－則賢、柏叡、智一，感謝你們這兩年來給我的協助， 不論是實驗上的討論或是彼此之間互相的加油鼓勵，讓我深刻體驗到這裡的溫暖，也 幫助我的實驗可以順利完成。 特別感謝毓如這一路走來始終陪伴在我身邊，度過所有困境與難過的時刻。最後， 將此論文呈現給我最摯愛的爸媽，謝謝你們一直默默的支持我，使我能一直堅持下去， 順利的完成碩士的學業。

目錄

中文摘要 i 英文摘要 ii 誌謝 iii 目錄 iv 表目錄 vi 圖目錄 vii Chapter 1 序論 1 1.1 背景 1 1.2 非晶系氧化半導體 2 1.3 薄膜電晶體的未來發展 7 1.4 研究動機與目標 8 1.5 論文架構 8 Chapter 2 理論基礎 9 2.1 薄膜電晶體結構與操作原理 9 2.2 非晶系氧化半導體操作原理 11 2.2.1 載子的產生 11 2.2.2 光學特性 12 2.2.3 載子的漂移率 13 2.2.4 電性的穩定性 16 Chapter 3 製程與量測設備 21 3.1 靶材 21 3.2 六靶濺鍍系統 23 3.3 電漿輔助化學氣相沉積系統 24 3.4 熱蒸鍍系統 25

3.5 原子力顯微鏡 25 3.6 X 射線光電子能譜儀 26 3.7 元件件性量測系統 29 Chapter 4 實驗與討論 31 4.1 緒論 31 4.2 元件製程 31 4.2.1 N++ Silicon wafer 31 4.2.2 不鏽鋼基板(SSF) 32 4.3 氬氣與氧氣流量比例對元件的影響 34 4.3.1 元件的電性 34 4.3.2 原子比例的變化 36 4.3.3 氧空缺的變化 39 4.3.4 討論 42 4.4 元件製作於不銹鋼基板之電性 43 4.4.1 元件在不鏽鋼基板的電性 44 4.2.2 討論 47 Chapter 5 結論 49 5.1 結論 49 5.2 未來計畫 49 參考文獻 51

表目錄

表(一) 各種可應用在 AOSTFT 主動層材料在地球的存量、採集購買成本、年 產量以及對人體是否有毒。 ... 3 表(二) 1995~2008 有機半導體的發展狀況，(v)代表以蒸鍍方式沉積，(s)則是 溶液製程，至 2008 年止，載子漂移率已達到 5.5cm2_‧V-1_{‧s-1，On/Off} ratio 則>105。 ... 8 表(三) J. S. Park 等人所做的實驗，IGZOTFT 在濕度 100%的環境下暴露 12 小 時候的變化。Rubbing Conditions for Polyimide glasses ... 20

表(四) 不同製程氣體比例下所製程出的元件特性。 ... 36

表(五) 各種製程氣體比例所得銦鎵鋅原子比例。 ... 39

表(六) 各種製程氣體比例所測得 OⅡ和 OⅢ佔有 O1s 能帶面積比例。 ... 41

圖目錄

圖 1-1-1 薄膜電晶體可應用的相關產品。 ... 1 圖 1-2-1 元素週期表，其中能用來當作非晶系氧化半導體的元素電子組態必須為 (n-1)d10s0，共有銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鎵 (Ga)、銦(In)、铊(Tl)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi) 等 15 種。 ... 3 圖 1-2-2 依據工研院經資中心的統計資料所示，2003 年全球銦的消費量約為 425 噸，其中鍍膜（主要為 ITO）占 70%，合金占 12%，複合物占 8%，半 導體占 5%，其他占 5%。 ... 4 圖 1-2-3 IGZO 薄膜在 In2O3、Ga2O3 和 ZnO 等不同組成比例與常溫環境下載子

漂移率的關係圖，純 In2O3 薄膜和純 ZnO 薄膜的載子漂移率分別約為 34cm2‧V-1‧s-1 和 19cm2‧V-1‧s-1，另外漂移率會隨著 Ga2O3 的混 成比例增加而減少。 ... 5 圖 1-2-4 a-IGZO 載子濃度(Ne)與溫度(T)關係圖，當載子濃度大於 1017cm-3時，

載子濃度將不隨著溫度改變，呈現一穩定的狀態。。 ... 6 圖 1-2-5 原子比例 In：Ga：Zn = 1：1：1 的 a-IGZO 與原子比例為 In：Ga = 2：3

的 a-IZO 的漂移率與載子濃度關係圖，圖中顯示 a-IGZO 的載子濃度大 於 1017

cm-3後漂移率相當穩定。 ... 6 圖 2-1-1 薄膜電晶體主要四種不同的結構(a)staggered top-gate (b)staggered

bottom-gate (c) coplanar top-gate (d)coplanar bottom-gate。 ... 9 圖 2-1-2 薄 MOSFET 示意圖，給予閘極一正向偏壓能使得介電層與 P-Si 產生一 反轉層(Inversion layer)行程元件通道。 ... 10 圖 2-1-3 半導體能帶圖：閘極為(a)零偏壓(b)正向偏壓(c)負向偏壓。 ... 11 圖 2-2-1 氧空缺示意圖，在 AOS 薄膜上面本身就會殘留部分的氧空缺和自由電 子，經過可見光或 UV 光是激發會產生出更多的電子電洞對造成載子濃 度增加。 ... 12 圖 2-2-2 IGZO 薄膜在玻璃上面的光譜圖，在可見光(400nm~700nm)區域幾乎是 完全穿透的狀態。 ... 13 圖 2-2-3 半導體原子結構示意圖：(a)c-Silicon (b)a-Silicon (c)c-AOS (d)a-AOS，廣

大的 ns 電子軌域使得 AOS 即使在非晶系的狀態下也能相互重疊。 ... 15 圖 2-2-4 IGZO 吸收氧氣示意圖，在元件操作時表面可吸收環境中的氧氣造成載

圖 2-2-5 D. Kang 等人在不同氧氣分壓下測量同一個元件的電性，(a)當氧氣 分壓 減少，Vth會往負向偏壓移動 (b)接著將氧氣分壓增加，Vth會往正偏壓 移動回復原始電性。 ... 18 圖 2-2-6 D. Kang 等人使用不同材料作為保護層以隔絕 IGZO 薄膜與環境的交互 作用，其中 SiOx 具有最好的隔絕效果。 ... 19 圖 2-2-7 IGZO 吸附、移除水氣示意圖，對閘極給予一正向偏壓可使移除表面水 分子並留下電子。 ... 20

圖 3-1-1 SEM 掃描 IGZO4粉體結構圖 (a)燒結前 (b)經過 1300°C 燒結 6 小時後。 ... 21 圖 3-1-2 XRD 相圖，(a)燒結後剩下 IGZO4的相 (b)JCPD-381104、燒製靶材與凱 駿(Seiftek)比較，凱駿所提供的靶材殘有 ZnGa2O4的相 (c)燒製出粉體 與塊錠具有相圖的相。 ... 22 圖 3-2-1 濺鍍系統腔體結構示意圖。 ... 23 圖 3-3-1 PECVD 腔體結構示意圖，元件置於下基板上，製程溫度約 300°C。 ... 24 圖 3-3-2 PECVD 操作系統可分成三部分，在質量傳輸控制區間溫度影響反應速 率較不明顯，可由氣體通量控制反應速率。 ... 25 圖 3-5-1 AFM 基本結構示意圖。 ... 26 圖 3-6-1 XPS 基本結構示意圖。 ... 28 圖 3-6-2 球扇形電子能量分析器結構示意圖。 ... 29

圖 3-7-1 電晶體電性分析器(Keithley 4200IV analyzer)。 ... 30

圖 4-1-1 IGZO-TFT 結構示意圖。 ... 32 圖 4-2-1 不鏽鋼基板(a)未平整化(planarization)前原始圖片 (b)平整化後圖片 (c) 未平整化前表面結構(AFM)，roughness 約 47.325nm (d)平整化厚表面結 構(AFM)，roughness 約 0.627nm。 ... 33 圖 4-2-2 不鏽鋼基板 IGZO-TFT 結構示意圖。 ... 34 圖 4-3-1 製程氣體比例為 Ar/O2＝10/0 的 IDVD曲線。 ... 35 圖 4-3-2 製程氣體比例 Ar/O2分別為 10/0.6、10/1.2、10/1.8 所得到之 IDVG曲線。 ... 35 圖 4-3-3 各種 Ar/O2比例所測得 XPS 全能譜圖。 ... 37 圖 4-3-4 原子能譜圖(a)In3d(b)Ga2p(c)Zn2p。 ... 38

圖 4-3-5 製程氣體 Ar/O2為(a)10/0 (b)10/0.6 (c)10/1.2 (d)10/1.8 的 O1s 能帶圖。 ... 40

圖 4-3-7 金屬原子比例與製程氣體比例 O2/Ar 關係圖。 ... 43

圖 4-4-1 在不同曲率半徑下之(a)IDVG (b)IGVG 曲線。... 45

圖 4-4-2 薄膜受(a)張應力(b)壓應力 破壞結構示意圖。 ... 47

第一章

序論

1-1 背景

薄膜電晶體(Thin Film Transistor，TFT)的發展在光電產業相當重要，它可應用在許 多地方如液晶顯示器、LED 顯示器、電子紙或是醫療用的感測器如圖 1-1-1 所示々而關 於顯示器的應用方面，對於 TFT 的要求有電子的漂移率(Mobility, μ)、電性在不同情況 下的穩定性以及可見光的穿透性，如果是將元件製作在可撓式基板(Flexible substrate)上 如塑膠基板(PET)、不鏽鋼基板(Stainless Steel Substrate)等，則還必須考慮基板是否可以 滿足到製程的溫度以及彎曲時應力造成的影響，元件在彎曲狀態若能夠維持原始的特 性，那元件便能廣泛應用在各種不同的商業產品。

圖 1-1-1 薄膜電晶體可應用在太陽能光電板、可撓式基板、液晶顯示器或電子紙等 不同的地方。

現 今 可 撓 式 基 板 所 使 用 主 動 層 材 料 是 以 矽 薄 膜 為 主 ， 矽 薄 膜 可 分 成 多 晶 矽 (Poly-crystalline, p-Si)和非晶矽(Hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)兩種々多晶矽薄膜

的製程溫度超過 350°C[1]，大部份軟性基板無法承受此溫度，另外在大面積製程時，多 晶矽薄膜會有許多結晶界面(Grain boundary)會造成部份區域電性的不均勻以及彎曲時 的不穩定性[2]々非晶矽薄膜雖然沒有結晶界面的問題，但是因為原子結構的影響，電子 漂移率太低(μ<2cm2 V-1s-1)不利於顯示器的應用，並且其對於光有高度的敏感性，以上 特性皆不利於可撓式面板的應用。 為了解決以上的問題，人類又開發出許多種不同的材料來取代矽薄膜，如有機半導 體 、 非 晶 系 氧 化 半 導 體 (Amorphous oxide semiconductor, AOS) 等 ， 而 銦 鎵 鋅 氧 (Indium-gallium-zinc oxide, IGZO)便是其中一類，本實驗便是用 a-IGZO 薄膜當主動層進 行一系列的實驗與分析。

1-2 非晶系氧化半導體

非晶系氧化半導體有相當多種如氧化鋅(Zinc oxide, ZnO)、(Zinc-tin oxide, ZTO)或 IGZO 等，透明玻璃基板所使用的透明電極 ITO 也包括在內，此類材料由重金屬離子 (Heavy metal cations, HMCs)和氧所組成[3-4]，這些組成金屬離子電子組態皆為(n-1)d10s0 如圖 1-2-1，一共有 15 種原素滿足此條件，組合成的非晶系氧化半導體具備高電子漂移 率、透明和低溫製程等優點，未來在透明或可撓式基板上有很大的應用空間。 在金屬離子的選擇方面，原則上所使用的材料裡混合的金屬種類越多，成膜後原子 結構的方向性越低，以 ZnO 為例，ZnO 是最早使用來做為透明半導體的非晶系氧化半 導體，但 ZnO 薄膜容易產生許多結晶介面造成電性的不穩定，接著有雙金屬原子或三 金屬離子透明半導體產生，ZTO 和 IGZO 就是其中一種，只要能將不同金屬氧化物燒成 混合相，那麼形成的薄膜就越均勻應用在 TFT 的主動層電性便越穩定。 然而並非在圖 1-2-1 中所有元素都適合用來當作 AOS 的金屬離子[5]，銅(Cu)、銀 (Ag)、金(Au)適合用在 p-type 的材料，在金屬離子的選擇上必須先被刪除，而砷(As)、 鎘(Cd)、銦(In)、汞(Hg)、鉈(Tl)和鉛(Pb)等材料具有毒性對人體有害，原則上也是盡量 不用，但是銦在電子傳導中伴演著一個重要的角色如產生氧空缺或使電子的漂移率提 升，所以銦在半導體工業中用量還是相當的大，不過未來會盡可能減少銦的用量，如表

(一)所示，銦的價錢相當昂貴且取得技術門檻較高不利於商業的應用，銦的地質含量約 為 1.6 萬噸，在 ITO 被廣泛應用在光電產業後，全球每年對於銦的需求約為 500 噸，如 圖 1-2-2 所示 ITO 等薄膜佔了 70%，另外在半導體、合金以及複合物等也有一定的需求 量，若不考慮銦的回收率，根據工研院資經中心的資料，全球目前剩下的存量剩不到 30 年，所以關於銦的回收也是目前光電產業中一個重要的議題。 圖 1-2-1 元素週期表，其中能用來當作非晶系氧化半導體的元素電子組態必須為 (n-1)d10s0，共有銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鎵(Ga)、 銦(In)、铊(Tl)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)等 15 種。[4] 表(一) 各種可應用在 AOSTFT 主動層材料在地球的存量、採集購買成本、年產量以及 對人體是否有毒性。[5] Element Abundance (Earth’s Crust ppm by mass) Cost ($/ton 2006) World-wide Production (tons/year) Toxic? Bi 0.0000004 11,100 5,700 No Ga 2 443,000 73 No Ge 0.0001 950,000 90 No In 0.0002 918,000 581 Yes Sb 0.000004 5,250 134,000 No Sn 0.2 12,500 302,000 No Zn 8 3,500 9,520,000 No

圖 1-2-2 依據素週期工研院經資中心的統計資料所示，2003 年全球銦的消費量約 425 噸，其中鍍膜（主要為 ITO）占 70%，合金占 12%，複合物占 8%，半導體占 5%，其他占 5%。

銦在 IGZO 薄膜中伴演的角色主要是提高電子的濃度，In-O 的鍵結相對於 Ga-O 較 不穩定，容易產生氧空缺而釋放出電子成為半導體中的載子，如圖 1-2-3 所示[2]，ZnO 和 In2O3皆具有 10cm2〄V-1〄s-1以上的漂移率，尤其是 In2O3的漂移率可高達 34 cm2〄 V-1〄s-1_{，但是 In} 2O3本身的載子濃度(carrier concentration)遠大於 1017cm-3，應用上希望 將載子濃度降至 1015 cm-3以下，如此元件會有較佳的操作穩定性以及得到較高的 On/Off ratio，為了降低載子濃度故添加和氧鍵結較強的金屬氧化物如 Ga2O3，Ga-O 的鍵結穩定 不容易產生氧空缺可達到降低載子濃度的目的，但是添加有 Ga2O3兩個缺點，由圖 1-2-3 可知當 Ga2O3比例增加時載子漂移率會下降，另一個缺點如表(一)所示，In 和 Ga 都屬 於價錢相當昂貴且產量有限的金屬，不適合拿來大量使用，為了解決這些難題，科學家 使用在這之前研究已經相當成熟 ZnO 混合在新型的非晶系氧化半導體中，ZnO 中 Zn-O 的鍵結強度介於 In-O 和 Ga-O 之間，加上 Zn 相對於 In 和 Ga 是相當廉價地球蘊藏相當 豐富的金屬，所以在金屬氧化物的選擇上，便將 In2O3、Ga2O3和 ZnO 混合燒出 IxGyZzO

載子濃度和漂移率可藉由改變三種金屬的不同比例和製程參數來控制，當載子濃度 Ne<1017cm-3時，載子濃度會隨著溫度改變如圖 1-2-4 所示[6]，若 Ne>1017cm-3，則不會 隨著溫度有顯著的改變，所以在三種不同金屬氧化物的比例分配上，我們希望能夠降低 載子濃度並且達到穩定的漂移率，目前文獻上面 In〆Ga〆Zn 最常出現的比例為 1〆1〆 1，圖 1-2-5 為漂移率和載子濃度的關係圖，當三種金屬比例相同時，調整製程參數使得 在載子濃度大於 1017 cm-3後，漂移率便穩定於 10cm2_〄V-1_〄s-1_{左右，所以 IGZO 的靶材} 大部分就以此比例燒結而成，鑒於以上原因，本研究也是利用銦、鎵、鋅等三種金屬原 子比例相同的靶材進行一系列製程與電性測量，並且針對濺鍍好的 a-IGZO 薄膜原子比 例再做進一步的分析，以原子比例的角度來探討製程參數對元件的影響。 而非晶系氧化半導體的特性與工作原理將在第二章中將會有一系列的介紹。

圖 1-2-3 IGZO 薄膜在 In2O3、Ga2O3和 ZnO 等不同組成比例與常溫環境下載子漂移率

的關係圖，純 In2O3薄膜和純 ZnO 薄膜的載子漂移率分別約為 34cm2〄V-1〄s-1

和 19cm2_〄V-1_〄s-1_{，另外漂移率會隨著 Ga}

圖 1-2-4 a-IGZO 載子濃度(Ne)與溫度(T)關係圖，當載子濃度大於 1017cm-3時，載子濃

度將不隨著溫度改變，呈現一穩定的狀態。[6]

圖 1-2-5 原子比例 In〆Ga〆Zn = 1〆1〆1 的 a-IGZO 與原子比例為 In〆Ga = 2〆3 的 a-IZO 的漂移率與載子濃度關係圖，圖中顯示 a-IGZO 的載子濃度大於 1017

cm-3後漂 移率相當穩定。[2]

1-3 薄膜電晶體的未來發展 未來薄膜電晶體的發展趨勢可能會朝向大面積與可撓式基板兩個方向發展，大面積 基板可應用在大型顯示器，可撓式基板可則應用在電子紙、彎曲式廣告看板等各式彎曲 的顯示器上面，而目前碰到最大的困難便是製程溫度必須下降至 150°C 以下以符合可撓 式基板的耐熱度以及大面積製程時的均勻性，滿足上述條件的透明薄膜電晶體便是現在 科學家努力的方向。 因為最常使用的 a-Si:H 無法完全滿足其應用的條件，p-Si 也因為製成溫度過高不適 合應用在可撓式基板上，所以人類開始研發有機半導體以及非晶系氧化半導體，有機半 導體整體而言載子漂移率偏低如表(二)[7]，即使這幾年利用 SAM 進行界電層表面改質 或是利用 Polyvinyl Phenol (PVP)共聚物作為介電層可將漂移率提升致 5.5cm2_〄V-1_〄s-1_， 但其易和環境中的空氣反應且使用壽命不如無機半導體，導致其在應用上受到一定的限 制々而在 AOSs 的開發方面，最近最熱門的是 IGZO 薄膜，IGZO 薄膜相較於 ZnO，對 光的敏感度較低並且在大面積製程時，三原子金屬氧化物具有的方向性較低不容易形成 結晶界面，膜的品質較穩定，而 ZnO 容易形成許多結晶介面造成電性的不穩定，另外 IGZO 的能隙(band gap)約 3.1~3.4eV 導致可見光可穿透[3]，所以 IGZO 在光電產業的應 用上，相信是潛力無窮的一種材料。

表(二) 1995~2008 有機半導體的發展狀況，(v)代表以蒸鍍方式沉積，(s)則是溶液製程， 至 2008 年止，載子漂移率已達到 5.5cm2_〄V-1_{〄s-1，On/Off ratio 則>10}5_。[7]

Year Mobility(cm2/Vs) Material(deposition method) IOn/Ioff

1995 0.03 0.038 α-sexithiophere (v) Pentacene >106 140 1996 0.02 0.045 0.62 Phthalocyanine (v) Poly (3-hexylthiophene) (s) Pentacene (v) 2x105 340 108 1997 1.5 0.13 0.05 Pentacene (v) α-ω-dihexyl-sexithiophene (v) Bis (dithienothiophene) (v) 108 >104 108 1998 0.1 Poly (3-hexylthiophene) (s) >106

0.23 0.15 α-ω-dihexyl-quaterthiophene (v) Dihexyl-anthradithiophene NR NR 2000 0.1 2.4 α-ω-dihexyl-quinquethiophene (s) Pentacene (v) NR 108 2008 5.5 Pentacene (v) >105 1-4 研究動機與目標 因為 a-Si 的一些基本物理特性無法滿足現今對於薄膜電晶體的需求，於是近幾年關 於非晶系氧化半導體的研究相當的多，其中 IGZO 是目前最有潛力的材料，科學家將元 件製作在不同基板如矽晶圓或塑膠軟板並測量其電性和穩定性，在不同研究中製程參數 和材料不盡相同，得到的結果也不一定一樣，本研究便是要探討這個問題。本實驗的目 的是將原件製作在不鏽鋼軟性基板上並測量其在平坦以及彎曲時的電性々另外利用 XPS 分析薄膜的原子比例，由原子的角度來分析為何不同製程參數會產生不同的結果以及參 數造成的趨勢，期待在未來把靶材的製作上能減少貴重金屬的需求。 1-5 論文架構 本論文一共分為五個部分，第一部分為緒論，介紹目前非晶系氧化半導體電晶體的 發展概況和研究目的々第二部分介紹實驗的相關原理如電晶體結構或非晶系氧化半導體 的工作原理等々第三部分是針對實驗製程程序、使用材料以及量測儀器部分進行一系列 介紹，包括 sputter、熱蒸鍍機、XPS(X-ray Photoelectron Spectrom)和原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)等儀器々第四部分則是實驗的結果以及數據分析，主要為量測出 來的電性和 XPS 分析出來的結果々最後一部分為本研究的結論以及未來的研究方向。

第二章

理論基礎

2-1 薄膜電晶體結構與操作原理

圖 2-1-1 薄膜電晶體主要四種不同的結構(a)staggered top-gate (b)staggered bottom-gate (c)coplanar top-gate (d)coplanar bottom-gate。

薄膜電晶體就結構來說大概有圖 2-1-1 中的四種，利用元件中閘極(gate)、渉極(drain) 和 源 極 (source) 電 極 的 位 置 來 分 類 ， 分 別 為 ( 圖 2-1-1-a)staggered top-gate 、 ( 圖 2-1-1-b)staggered bottom-gate 、 ( 圖 2-1-1-c)coplanar top-gate 和 ( 圖 2-1-1-d)coplanar bottom-gate，若閘極電極在主動層通道的上方稱為 top-gate，反之則為 bottom-gate々若 渉極和源極電極和通道面同側稱為 coplanar configuration 如圖 2-1-1，反之通道形成在涉 極與源極的另一面則稱為 staggered configuration。

如果從操作電性來分類可分為 enhancement-mode 和 depletion-mode 兩種，當閘極電 壓為零時通道即打通的為 depletion-mode，反之若閘極電壓為零時無導通電流的稱為 enhancement-mode。

TFT 和一般金屬氧化層場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Transistor, MOSFET)操作相當類似，所以有些物理參數的計算方式也是套用 MOSFET 的模式如載 子漂移率々但此二種原件還是有些許不同之處，主要是通道形成的原理，以 p-type Si 為基板的 MOSFET 為例，在閘極給予一正向偏壓能使得介電層與 P-Si 間形成一反轉成 而成為元件的通道如圖 2-1-2，閘極的正向偏壓首先將電洞(多數載子)排出閘極下的基板 區域，這些電洞被推入基板內部後形成一個空乏區(depletion region)，這個空乏區是由不 能移動的受體雜質電荷構成的，正閘極電壓也會將電子從源極或涉極引入閘極下方形成 通 道 (channel) ， 此 通 道 又 稱 為 反 轉 層 (inversion layer) ， 而 行 程 通 道 的 機 制 稱 為 Inversion-mode。 圖 2-1-2 MOSFET 示意圖，給予閘極一正向偏壓能使得介電層與 P-Si 產生一反轉層 (Inversion layer)行程元件通道。 TFT 則為另一種機制稱為 Accumulation-mode，圖 2-1-3 代表的是半導體的能帶圖， (圖 2-1-2-a)代表當閘極未給予一電壓時，能帶處於一平衡的狀態，能帶維持在最原始的 狀態々(圖 2-1-2-b)代表當閘極給予一負電壓，造成的電場使得導體表面附近的能帶彎曲， 半導體中的電子被推離介電層和半導體的接觸面於是形成一個正電荷的空乏區々同理， (圖 2-1-2-c)代表當閘極給予一個正電壓，造成的電場亦能使介面的能代彎曲，半導體中 的電子堆積在介電層表面，閘極電場激發出的電荷也形成元件不同類型的通道因而產生 工作電流，AOSTFT 就屬於(圖 2-1-2-c)這種模態。

圖 2-1-3 半導體能帶圖〆閘極為(a)零偏壓(b)正向偏壓(c)負向偏壓。 2-2 非晶系氧化半導體操作原理 2-2-1 載子的產生 氧空缺(oxygen vacancy)是非晶系氧化半導體最主要的載子來源，如圖 2-2-1 所示， 氧空缺伴演的角色是載子的來源，反應為 O = 1/2O2 + 2e-1，氧離子釋放出電子成為氧 原子[8]。當 IGZO 薄膜沉積後，本身就會產一定量的氧空缺，可能和製程的參數如氣壓、 氣體流量或沉積速率有關，在 UV 光的照設下亦可能被激發出來，IGZO 靶材的原子比 例和薄膜的原子比例不完全相同，尤其是氧原子的比例會隨著製程的參數改變，當氧空 缺過多時 IGZO 薄膜可能就會變成一個導電薄膜々如果薄膜吸收環境中的氧氣，則可能 會變成電子的陷阱(trap)，這個結果會導致電性不穩定，關於電性不穩定的理論，在 2-2-4 會有較詳細的論述。

圖 2-2-1 氧空缺示意圖，在 AOS 薄膜上面本身就會殘留部分的氧空缺和自由電子，經 過可見光或 UV 光是激發會產生出更多的電子電洞對造成載子濃度增加。[8]

2-2-2 光學特性

氧化系統提供了非晶系氧化半導體一個較大的能隙(band gap)，例如 IGZO 的能隙在 3.1~3.4eV 之間，價帶(valance band)的最上層由 O 2p 軌域組成，其數學式可寫成[4]

2 2 2 / 3 ( / 2 *)(3 / ) opt G E E   m N  (2.1) 其中 EG代表材料本質的能隙，N 為載子濃度而 m*為 IGZO 中載子的有效質量，由 Eq. 2.1 可看出，影響 Eopt最大的關鍵是 EG，第二項的數值遠小於第一項的數值。可見光的能量

約為 1.8eV~3.1eV(400nm~70nm)小於 IGZO 的能隙，故可見光可以穿透 IGZO 薄膜，圖 2-2-2 為 IGZO 薄膜在可見光的穿透光譜，圖中顯示在可見光區域幾乎完全穿透。

圖 2-2-2 IGZO 薄膜在玻璃上面的光譜圖，在可見光(400nm~700nm)區域幾乎是完全穿 透的狀態。

2-2-3 載子的漂移率

AOS 另一個優點是具有大於 a-Si:H 的電子漂移率μ，a-IGZO 的電子漂移率可以超 過 10cm2 V-1s-1，載子漂移率可寫成 * q m   (2.2) 其中 q 代表電子的電荷，τ則代表電子兩次碰撞所經過的時間，m*為載子的等效質量 (carrier effective mass)，m*的定義為

2 2 1 2 * (d ) m dk    (2.3) 其中 a 為晶格常數，當自由原子靠近時，原子核與電子間的庫倫作用力交互作用會使得 能接分裂並散佈成能帶，能帶的寬度正比於相鄰原子間重疊交互作用的強度，假設在晶 體中原子對另一原子影響很小，整個晶體中個別電子的近似波函數可假設為

( ) i k rj ( ) k j j r e r r  _



  _ (2.4) 此為布洛赫函數(Bloch Function)的形式，其第一階能量為 * ( ) ( ) i k pm k m m e r p H r dV      



_

 _(2.5) 其中p_m r_m r_j ，除了對同一原子和由p連繫之最近原子間的積分之外，其餘一律忽略 不計並假設 * ( )r H ( )r dV    



； * (r p H) ( )r dV     



(2.6) 將(2.6)代入(2.5)後可將一階能量改寫為 m i k p k m e  _{  } 



  (2.7) 為了簡化數學式，以一個簡單立方結構為例子，離中心原子最近的原子位於 pm=(± a,0,0)々(0,±a,0)々(0,0,±a)，代入(2.7)後一階能量變成

2 (cos cos cos )

k k ax k ay k az        (2.8) 當 ka<<1 時，一階能量如(2.8)可改寫為 2 2 6 k k a       (2.9) 將(2.9)代入(2.3)後可將有效質量改寫成 * 2 2 / 2 m  a ，對應到(2.3)中可知道當重疊能量 γ越大時，會使得有效質量減少而使得載子的漂移率也會越大，而對 a-IGZO 而言，m* 約為 0.34me[6]，me為電子的靜止質量(9.1 x 10-31Kg)。 如圖 2-2-3 所示，非晶系氧化半導體如 a-IGZO，所選的金屬離子電子組態皆為 (n-1)d10ns0，對於 IGZO 而言，單晶系或是非晶系的原子排列方式，s 軌域皆可重疊增加

重疊能量，所以即使是非晶系的結構也具有高漂移率的物理特性々[3]而圖 2-2-3-a、b 中 c-Si 和 a-Si 則不同，軌域重疊的量和原子排列有關，對於 a-Si 而言電子傳輸必須靠跳躍 (hopping)的方式，所以 a-Si:H 的漂移率大約只有 1.1cm2V-1s-1。 當製程基板屬於可撓式基板如 PET 等不耐高溫材料時，薄膜沉積必須在較低溫的情 況下製程，非晶系的薄膜在完全沉積後經過回火(annealing)的後可使原子重新排列成 poly-crystalline 或 single-crystalline，但是其所須提升的溫度常常會超過基板所能承受的 溫度，而 a-IGZO 沉積後不需要回火的步驟便擁有不錯的電性，此優勢對於低溫製程而 言相當有價值。

圖 2-2-3 半導體原子結構示意圖〆(a)c-Silicon (b)a-Silicon (c)c-AOS (d)a-AOS，廣大的 ns 電子軌域使得 AOS 即使在非晶系的狀態下也能相互重疊。[3]

2-2-4 電性的穩定性 AOSTFT 電性的不穩定性來源大概可分成兩種，第一種是元件結構本身所具有的缺 陷，另一種則是和外界環境交互作用所造成的結果。 在半導體的製程中，如果有金屬離子如鈉離子 Na+或鉀離子 K+_{的殘留都或是氧化層} 中的氧空缺 O2+_{都會捕陷住電子，而現代的無塵室製程技術已經將金屬離子盡可能降} 低，氧化層的氧空缺也因製程技術的改進獲得大幅的改善，另外半導體與氧化層的介面 或是氧化層皆可能會有電子的捕陷，這些電子的捕陷在元件進入微米等級後影響變的越 來越嚴重，是 TFT 元件一個重要的議題。 但對於 AOSTFT 而言，和環境的交互作用也不能忽略，IGZO 和外界的氧氣與水氣 皆會作用影響載子的數量，造成電性的不穩定。其中氧氣對於電性的影響最大，關於氧 氣對於電性影響的文獻很多[9-13]，在 AOSTFT 工作的情況下，IGZO 會吸收環境中的 氧氣， O2 + e- →O2-(ads) (2.10) 如圖 2-2-4，氧氣會吸收主動層的電子形成氧離子，形成電子的陷阱(Trap)，這種現象對 於臨界電壓(Threshold Voltage, Vth)的影響相當顯著，吸收的氧氣越多代表捕獲的電子越 多，則在 ID-VD圖中 Vth會往電壓正的方向偏移，如圖 2-2-5 所示[11]，D. Kang 等人在 不同的環境下測量同一個元件的電性，圖 2-2-5-a 代表隨著氧氣壓力的減少，會被氧氣 捕獲的電子減少，Vth不斷往負電壓的方向偏移々而圖 2-2-5-b 則是隨著氧氣壓力的增加， 元件操作時被捕獲的電子不斷增加造成 Vth往正電壓的方向偏移，氧氣吸收量和平衡常 數 K 有關9_， . 2 [ ] [ ] abs O O K P n   (2.11) 其中[O -]abs.代表 IGZO 表面吸收之氧氣濃度，PO2代表環境中氧氣的分壓，[n]為通道中電

子的濃度，而平衡常數 K 只和環境溫度有關々在相同環境下為了滿足 K 所以當氧氣分 壓 PO2改變，分子項的吸收氧氣濃度[O-]abs.也會隨著改變，所以在氧氣分壓的改變下會 有不同的電性，要還原電性只需還原原始的環境即可。 另一方面，從式(2.6)也可以知道吸收氧氣濃度[O-]abs.和電子濃度[n]亦有關係，在相 同環境 K 為常數的情況下，若電子濃度[n]提升，吸收氧氣濃度[O -]abs.也會提升，AOSTFT 屬於 Accumulation-mode，給予閘極一正向偏壓時電子會集中在介電層與半導體表面， 使得式(2.6)中右式的分母變大，在氧氣分壓 PO2與溫度都不變的情況下為了滿足 K，吸 收氧氣濃度[O -]abs.於式也跟著提升，圖 2-2-6 為 J.K. Jeong 等人的實驗9，閘極正向偏壓 操作下，隨著時間拉長 Vth 的變化會往正的方向變大，並且在主動層沒有保護層

(passivation layer)或是使用 PA(photoacryl)當作保護層效果較明顯，若使用無機材料 SiOx 當保護層以隔絕主動層與外界的接觸，則 Vth變化的現象便獲得明顯的改善々Vth的變化 量數學式可表為10 ( ) ( ) / th ox V t Q t C   (2.12) Q(t)為被捕陷住的電量，Cox為介電層單位面積的電容值，假設被捕陷的電子在空間 上為均勻分佈，則 Q(t)可寫為 0 0 ( ) ` ` ( `) exp[ ( `) `] t x tr Q t 

 

dt dx N



x 



x t (2.13) Ntr 代表介電層中電子陷阱的密度， (x)代表電子穿隧介電層的機率，式(2.7)和式 (2.8)求解可得 0 0 ( ) log( ) th t V t r t   _(2.14)

r0為衰退速率常數(decay rate constant)，其和 Ntr與穿隧常數(tunneling constant)的乘

圖 2-2-4 IGZO 吸收氧氣示意圖，在元件操作時表面可吸收環境中的氧氣造成載子被捕 陷住使得 Vth(Threshold voltage)提升。[10] (a) (b) 圖 2-2-5 D. Kang 等人在不同氧氣分壓下測量同一個元件的電性，(a)當氧氣 分壓減 少，Vth會往負向偏壓移動 (b)接著將氧氣分壓增加，Vth會往正偏壓移動回復 原始電性。[11]

圖 2-2-6 D. Kang 等人在不同氧氣分壓下測量同一個元件的電性，(a)當氧氣 分壓減 少，Vth會往負向偏壓移動 (b)接著將氧氣分壓增加，Vth會往正偏壓移動回復

原始電性。[9]

除了氧氣之外，水氣也是造成AOSTFT不穩定的原因之一，如圖2-2-7所示，水氣可 扮演電子陷阱(electron trap center)或電子源(electron donor)，通道表面的水氣可以捕陷住

電子如氧氣捕陷電子一樣，會使得Vth往正向偏壓移動々另一種情況，當閘極給予一正向

偏壓，可能使得水分子離開通道表面而留下電子，此時水氣扮演的即為電子源，此情況 會造成Vth產生負向偏移，表(三)為J. S. Park等人所做的實驗[13]，元件暴露在濕度為100%

的環境12小時後和原始做比較，除了Vth產生改變外，SS和Ion/Ioff ratio也會產生明顯的改

變，以主動層厚為35nm的元件為例，SS在元件經過水氣暴露後由0.18V/decade提升至 4.40V/decade，Ion/Ioff ratio則由~108減少至~104，所以對於AOSTFT而言，克服氧氣、水

氣的影響也是個重要的議題，最常看到的方法是在主動層上面增加一層保護層，但是在 增加保護層的方法中最常使用的方法為 電漿輔助化學氣相沉積法 (Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition, PECVD)，過程中電漿是否會對元件產生破壞和如何避免電漿 影響皆是另一個待研究的議題。

圖 2-2-7 IGZO 吸附、移除水氣示意圖，對閘極給予一正向偏壓可使移除表面水分子並 留下電子。[10]

表(三) J. S. Park 等人所做的實驗，IGZOTFT 在濕度 100%的環境下暴露 12 小時後的變 化。[4]

第三章

製程與量測設備

3-1 靶材 本實驗沉積 IGZO 薄膜所使用的靶材是由交通大學材料科學與工程所謝宗雍教授實 驗室製作提供[14]，為了得到 In〆Ga〆Zn ＝ 1〆1〆1 的靶材，所以將 In2O3、Ga2O3與 ZnO 粉體以 1〆1〆2 莫耳比進行球磨混合，經過壓錠後進行 900-1500C 燒結，燒結完 如圖 3-1-1，在經過 1300°C 燒結 6 小時後在掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)掃描下可發現 IGZO4粉體的結構與之前不同，代表產生了單一的相。

接著再利用 X-ray 繞射光譜(X-ray diffraction, XRD)分析來判斷燒出來新的相是否為 IGZO4，如圖 3-1-2，將燒出的靶材與 JCPD-381104 以及由國內產商凱駿(Seiftek)所提供 的靶材做比較，謝教授實驗室所製作的靶材在 XRD 測量的結果顯示燒製出來的粉體與 塊錠皆有相同的相，和 JCPD-381104 所得到峰值(peak)對應角度相同並且峰值訊號更明 顯，代表此靶材 IGZO4相的純度比 JCPD-381104 高，而凱駿所提供的靶材 IGZO4的純 度則較低並且還殘有 ZnGa2O4的相，較不適合拿來製作 IGZO4薄膜。 (a) (b)

(a)

(b) (c)

圖 3-1-2 XRD 相圖，(a)燒結後剩下 IGZO4的相[14] (b)JCPD-381104、燒製靶材與凱駿

(Seiftek)比較，凱駿所提供的靶材殘有 ZnGa2O4的相 (c)燒製出粉體與塊錠

3-2 六靶濺鍍系統 濺鍍(sputter)在本實驗元件製程中是最關鍵的步驟，目的是沉積均勻的 a-IGZO 薄膜 作為主動層，濺鍍法的製程溫度，基板溫度約 50°C，對於本實驗的平坦層(EOC130B) 不會有影響，也適合在各種軟性基板的應用上。 腔體結構如圖 3-2-1，靶材在下方以金屬榫卯固定，而製程基板置於上方以一遮板 掩蓋，開始沉積時才將其開啟，操作前腔體壓力約 10-7 torr，電漿生成時主要氣體為 Ar 壓力約 10-3

torr，使用的 RF power 頻率為 13.6MHz，腔體中的電子經過 RF power 驅動撞 擊腔體中輸入的 Ar 藉由鬆弛激發等過程產生電漿，電漿已擴散(Diffusion)的方式移動進 入鞘區(Sheath)，鞘區中的電場使得離子撞擊 IGZO 靶材，靶材表面被撞擊的部分產生零 碎的原子或離子並重新沉積在樣品上產生均勻的薄膜，在操作上可控制電源的功率以改 變電漿的密度，電漿密度越高則轟擊靶材的粒子量越大，可藉此提高鍍率，反之亦然々 另外也可控制 Ar 和 O2的比例，Ar 最大流量為 10sccm 而 O2最大流量為 2sccm，O2的 流量也會影響薄膜沉積速率，比例越高薄膜鍍率會越低，另外許多文獻也提到 O2會改 變 Vth，本實驗也改變 O2比例探討其電性的不同。 圖 3-2-1 濺鍍系統腔體結構示意圖。

3-3 電漿輔助化學氣相沉積系統

電漿輔助化學氣相沉積系統(Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition, PECVD)在 本實驗是用在沉積介電層如 SiOx或 SiNx，機台為國家奈米實驗室(NDL)提供係由英國表 面技術系統科技公司製造的 STS PE-CVD System。 本機台使用的電漿源為電容耦合型(Radio Frequency, RF)電漿源，腔體結構如圖 3-2-1，輸入氣體經過被 RF 電源震盪加速過的自由電子撞擊後分解或離子化以生成反應 自由基，產生新的物質一部分便沉積在製程基板上面產生薄膜，製程溫度約為 300°C， 系統操作在質量傳輸控制區間，反應沉積速率取決於化學反應速率，可由控制輸入氣體 流量改變如圖 3-3-2。 圖 3-3-1 PECVD 腔體結構示意圖，元件置於下基板上，製程溫度約 300°C。

圖 3-3-2 PECVD 操作系統可分成三部分，在質量傳輸控制區間溫度影響反應速率較 不明顯，可由氣體通量控制反應速率。 3-4 熱蒸鍍系統 熱蒸鍍(Thermal Evaporation)系統相對於濺鍍系統是一種簡易的薄膜沉積技術，沉積 過程可分成三步驟〆1)昇華蒸發欲鍍材料 2)蒸發後的材料移動至基板 3)材料沉積至基 板表面，熱蒸鍍具備了成本低廉以及高鍍率的的優點，但是並不適合用來沉積 IGZO 薄 膜，其組成元素的蒸氣壓相差過大，不同元素沉積速率並不相同，在本實驗此系統是用 來進行鋁電極的沉積。 3-5 原子力顯微鏡 在測量膜厚以及表面粗糙度(Mophology)方面，本實驗所使用的是原子力顯微鏡 (Digital Instruments Dimension 300 atomic force microscope, AFM)，AFM 屬於掃描探針顯 微技術其中一個應用，利用探針與樣品表面的微小作用力(例〆原子力、電磁作用力等) 來分析表面結構，結構如圖 3-5-1。

移能力的壓電陶瓷掃描器能使探針對於樣品做不同方向的掃描，輕拍式 AFM 屬於非接 觸式 AFM 的改良，針尖會比非接觸式更接近表面使得彼此間的凡德瓦耳力(Van der Waals forces)增加以提升良策精準度，針尖以頻率約 300KHz 在樣品表面震盪，針尖與 樣品表面的凡德瓦耳力會因為表面的起伏產生改變，使得連接針尖的懸樑產生不同的振 幅，此訊號藉由懸樑反射的雷射光束至光偵測器，接著將訊號傳入電腦運算分析出影像 便可得知所需要的物理參數，精準度可達到 1nm 以下。 圖 3-5-1 AFM 基本結構示意圖。 3-6 X 射線光電子能譜儀

X 射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)又稱化學分析電子能譜 (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA)，在表面分析上是一種相當實用的儀 器，其不僅能偵測化學組成亦能確定個元素的化學狀態，在化學、材料科學上具有相當 大的應用範圍。

物質表面時能量關係式為〆 B K

h





E



E

(3.1) 其中 h 為普朗克常數（Planck's constant, 6.626×10-34 J〃s），υ為入射光數頻率，ＥＢ為遭 撞擊出的電子與原軌道的結合能，ＥＫ為電子離開原軌道後的動能，XPS 結構如圖 3-5-1， 在真空腔體內，X-ray 光源照射樣品撞擊出光電子，光電子在經過球扇形電子能量分析 器（Ｓpherical Sector Analyzer,SSA）如圖 3-5-2，在曲率半徑為 R1、R2的部分電壓分別

為 V1、V2，裡面的電位分佈可用拉普拉斯方程式(Laplace Equation)表示〆 2

( , , )

0

V R

 





(3.2) 在 SSA 中，電位分佈只和曲率半徑 R 有關，(3.2)可改寫成 2 2

1

(

R

V

)

0

R

R

R





_





(3.3) (3.2)代入邊界條件 VR1=V1和 VR2=V2可解出 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 ( ) 1 ( ) R R V V R V V V V R R R R R        (3.4) 電場則為－▽V 可表為 2 1 1 2 2 2 1 1 ˆ_R ( ) R R E a V V R R R    (3.5) 被 X-ray 激發出的光電子進入 SSA 後受電場作用成一半徑為 R0的圓周運動，令其動能 為 V0，其向心力來源為電場作用力，數學式可表為 0

2eV

eE

R



(3.6)

由(3.5)和(3.6)解聯立方程式可得 1 2 2 1 0 2 0 2 1 2 V V R R V R R R    (3.7) 所以在操作上，系統調變出適當的 V1、V2使得電子能以半徑 R0做圓周運動後進入 電子檢測器，如此便可計算出電子能量以解讀實驗所需數據。 圖 3-6-2 XPS 腔體結構示意圖。

圖 3-6-2 球扇形電子能量分析器結構示意圖。

3-7 元件電性量測系統

在製程後的元件電性量測方面，本實驗所使用的是 Keithley 4200IV analyzer(圖 3-7-1) 連結個人電腦輸出資料，在常溫常壓的腔體中進行電性量測，量測的數據分為 ID-VG和 ID-VD兩種圖形，在量測 ID-VG時，首先固定涉極電壓(VD)，以閘極電壓 VG為變數測量 涉極電流(ID)大小，VG 範圍視元件特性而定，為了防止元件因大電壓崩壞，VG 起始由 0~10V 範圍開始測試，接著分別向正負兩方向增加範圍，在負向電壓方面取至 Vth後約 5V 處，正向電壓則取至 ID電流飽和後約 5V々而 ID-VD方面，則是固定閘極電壓 VG， 以涉極電壓 VD為變數量測 ID，VG大小由 ID-VG所得到的結果而定，VD則是取至 ID飽 和後約 5V。

得到的數據可判讀與計算 threshold voltage(Vth)、On/Off ratio(Ion/Ioff)和 subthreshold

swing(SS)等物理參數，至於載子漂移率方面，因為目前針對 TFT 並無一個嚴格的公式 來定義漂移率，所以採用的計算方式是利用 MOSFET 的飽和區公式來推導，涉極電流(ID)

2 D 1 I = ( C )( )( ) 2 ox G th W V V L



 (3.8) 其中 Cox代表閘極氧化層單位面積的電容，W 代表元件通道寬度，L 代表元件通道長度， 接著在(3.2)左右兩式在開根號後分別對 VG微分可得〆 D I 1 C 2 ox G W V  L    (3.9) (3.3)左右兩式平方整理後可得 2 2 ( D) ox G I L C W V



   (3.10) (3.4)中( D) G I V   代表 ID-VG圖中的斜率，所以在操作上便是取出斜率後帶入其他製程參數 以求出載子漂移率。

第四章

實驗與討論

4-1 緒論

AOS 的發展大約從 1990 年前便開始發展[4]，發展的材料有 a-AgSbO3、a-Cd2PbO4、

Cd2GeO4以及 ZnO 等，在眾多種 AOS 中 ZnO 是最先應用在 TTFT 主動層的材料，而關

於 a-IGZO 的文獻大約是由 Nomura 等人在 2004 年在 Nature 所提出的著作開始[3]，其 將 a-IGZO TFT 製作在 PET 基板上，元件的漂移率約 8.3cm2

V-1s-1，製程溫度接近室溫可 廣泛應用在不同的軟性基板上，緊接著便有許多相關的研究文獻陸續被發表，元件的特 性也受到大幅度的改善，[15]在 2007 年 Kim 等人使用 pc-In2Ga2ZnO7的靶材並且在主動

層上增加一層保護層(Passivation layer)後已將漂移率提升至 35.8cm2 V-1s-1，On/Off ration 為 4.9×106_{々在所有使用濺鍍法沉積 a-IGZO 薄膜的文獻中，引入氣體大部分為 Ar 為主} 的 Ar+O2的混合氣體，使用不同的氣體比例可以得到不同的元件特性，可藉此控制 Vth 的大小甚至可使薄膜成為導體。 本論文亦在元件製程上改變 O2的比例做電性的比較研究，探討除了氧空缺外薄膜 在 In、Ga 和 Zn 原子比例上是否有變化，嘗試在不同製程參數中歸納出特定規則以應用 在不同的機台上，並且將元件應用在不鏽鋼基板上，量測元件在平坦與彎曲時的電性。 4-2 元件製程

本實驗可分成兩部分，其一為將 IGZO-TFT 製作在 N++ Silicon wafer 上並改變 Ar 和

O2的比例，接著再對元件電性做比較以及使用 XPS 對薄膜做一系列分析々第二部分為

將元件應用在不鏽鋼基板(Stainless Steel Foil, SSF)上，將元件製作在 SSF 上後量測基板 在平坦時與彎曲時的電性。詳細的製程步驟在本節有詳細的論述。

4-2-1 N++ Silicon Wafer

使用的矽晶圓為阻值 0.001~0.003 Ohm-cm 並且具有一層厚 100nm 的 dry oxide，低 電阻的晶圓本身可直接做為閘極，使用前先進行矽晶圓清洗，在超音波震盪器中以丙酮

(Acetone)和去離子水(DI water)分別震盪 30min，目的為去除表面顆粒以及有機殘留物， 接著濺鍍 a-IGZO 薄膜，將鍍好的薄膜使用 AFM 測量膜厚以計算鍍率，將膜後控制於 40nm，工作氣體為 Ar〆20sccm 和 O2〆0~2sscm，工作壓力約 3×10-3torr，接著再透過遮 罩利用熱蒸鍍法沉積 60nm 的 Al 薄膜做為電極，透過遮罩控制使得元件通道長寬比為 16/1(L＝1.4mm, W＝100μm)，結構如圖 4-1-1。 圖 4-1-1 IGZO-TFT 結構示意圖。 4-2-2 不鏽鋼基板(SSF) 製程所用的基板為厚度 75μm、roughness～47.325nm 的不鏽鋼基板，首先將基板 清洗乾淨後旋塗上一層厚約 1.5μm 的光阻(EOC130B; Everlight Chemical Industrial Corporation)做為平坦層，光阻塗佈步驟如下〆

i. 清洗不鏽鋼基板。

ii. 旋塗(spin coating) EOC130B 在不鏽鋼基板上(1000rpm x 40s)。 iii. 軟烤(pre-bake)100°C-10 分鐘。 iv. UV 曝光 30 分鐘。 v. 硬烤(post-bake)230°C-30 分鐘。 將 EOC130B 作為平坦層可有效的使不鏽鋼基板表面平整化，如圖 4-1-1-(c)和圖 4-1-1-(d)，在 AFM 掃描結果中可知 roughness 由 47.325nm 下降至 0.627nm，並且此平坦 層也可作為閘極電極與基板的絕緣層，使得閘極有辦法進行圖樣化(pattern)。 接下來的製程步驟如下〆

i. 在光阻上透過遮罩沉積厚 50nm 的鋁膜(Aluminum)最為閘極。 ii. 沉積厚 100nm 的 SiOx 或 SiNx 作為絕緣層。

iii. 透過遮罩濺鍍(sputter)IGZO 於閘極電極上。

iv. 透過遮罩沉積厚約 60nm 的鋁膜作為涉極(drain)與源極(source)的電極。 沉積鋁膜所使用的是熱蒸鍍法(thermal evaporation)，絕緣層為電漿輔助化學氣相沉 積 法 (Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition, PECVD) ， IGZO 薄 膜 為 濺 鍍 法 (Sputter)。圖 4-1-2 為元件結構示意圖，透過遮罩控制使得元件通道長寬比為 12/1(L＝ 1.2mm, W＝100μm)，在 TFT 的分類中屬於 staggered bottom-gate(圖 2-1-1-b)。 (a) (b) (c) (d) 圖 4-2-1 不鏽鋼基板(a)未平整化(planarization)前原始圖片 (b)平整化後圖片 (c)未平整 化前表面結構(AFM)，roughness 約 47.325nm (d)平整化厚表面結構(AFM)， roughness 約 0.627nm。

Stainless Steel Foil

IGZO (40nm)

EOC130B

Al

Al

insulator

100nm

60nm

50nm

1.5um

75um

圖 4-2-2 不鏽鋼基板 IGZO-TFT 結構示意圖。 4-3 氬氣與氧氣流量比例對元件的影響 4-3-1 元件的電性 使用不同的製程氣體參數將元件製作在矽晶圓上面，輸入 10sccm 的 Ar 合不同流量 的 O2，氣體比例 Ar/O2分別為 10/0、10/0.6、10/1.2、10/1.8，圖 4-3-1 和圖 4-3-2 為所測 出之電性曲線，當製程時止輸入 Ar 而未通入 O2時，元件呈現導體的狀態如圖 4-3-1， 在 ID-VD curve 中呈現出歐姆特性的直線々而改變不同流量的 O2後，其特性曲線如圖 4-3-2，元件的相關物理參數如表(四)，隨著 O2比例的增加，最顯著的改變便是 Vth會往 正向偏壓方向移動，根據相關文獻[11]的論述，造成此結果的原因為氧氣比例的增加會 減少氧空缺的數量，藉此減少的載子濃度使得 Vth會往正向偏壓方向產生偏移，在製程 未通入 O2則使得氧空缺增加而增加載子的濃度，使得元件呈現出導體的特性，閘極電 壓對於 ID並不會產生任何影響。

圖 4-3-1 製程氣體比例為 Ar/O2＝10/0 的 IDVD曲線

表(四) 不同製程氣體比例下所製程出的元件特性。

Ar/O2 Vth(V) Mobility(cm2V-1s-1) On/Off ratio SS(V/decade)

10/0.6 -79 2.63 104 1.91

10/1.2 -54 1.08 104 1.15

10/1.8 -28 0.54 104 1.16

4-3-2 原子比例的變化

在過去的文獻中[3][15]，Nomura 等人或其他實驗團隊都對其 a-IGZO 薄膜進行過原 子比例的分析，不管使用靶材是 pc-InGaZnO4或是 pc-In2Ga2ZnO7，薄膜的原子比例與原

靶材都有一定的差距，靶材受到 Ar+_{撞擊後產生的離子或是原子會以最低位能的形態在}

基板上重新排列，隨著製程的參數不同製作出有可能會產生不同的排列組合結果，這可 能也是影響元件特性的原因之一。

圖 4-3-3 為使用 X-ray 源 Al kα(hν＝1486.6eV)所測得之能譜圖，Ar/O2比例分別為

10/0、10/0.6、10/1.2、10/1.8，在全能譜圖上各個參數出現類似的峰植(Peak)位置，圖 4-3-4 分別為 In 3d5、Ga 2p3 和 Zn 2p3 的能譜圖，其鍵節能(Binding Energy)測量值分別約為 443.60eV、1118.05eV 和 1021.90eV，積分能帶圖中各原子所代表的波包並代入各種原子 的 sensitive factor 以求出原子比例，方程式如下[16-17]〆

 

100 % j k k j I S X I S   (4.1) I 代表波包積分出之面積，即在這範圍內偵測電子的強度，S 為原子的 sensitive factor，銦鎵鋅的 sensitive factor 分別為 3.777、3.341 和 3.354，X 為 j 和 k 兩種原子的比 例，表(五)為計算後所得出之銦鎵鋅比例，隨者氧氣比例的增加，鎵的相對於銦的比例 會慢慢增加，由圖 1-2-3 可推測此現象會使原件漂移率隨著氧氣比例增加而下降，Ga-O 鍵結強度大於 In-O 和 Zn-O，使得 O2-_{電子受到 Ga}3+_{的影響不易移動形成氧空缺，使得}

元件 Vth上升而漂移率下降，Ar/O2=10/0 則是另一種情況，In-O 鍵結是銦鎵鋅中最弱的

組合，O2-_{電子受到金屬離子的束縛力較小，易脫離形成自由電子可能造成元件 off current}

增加或是直接使得元件呈現導體的特性。

(a)

(c) 圖 4-3-4 原子能譜圖(a)In3d(b)Ga2p(c)Zn2p。 表(五) 各種製程氣體比例所得銦鎵鋅原子比例。 Ar/O2 In Ga Zn 10/0 1.07 0.89 1 10/0.6 0.77 0.78 1 10/1.2 1.06 1.31 1 10/1.8 1.28 1.63 1 4-3-3 氧空缺的變化 在本實驗中，氧空缺的量化是利用 XPS 的 O1s 能帶圖來進行分析，O1s 能帶圖和 In3d、Ga2p3 和 Zn2p3 的單一能帶圖不同，O1s 因化學吸附產生三種不同的鍵結能18-19 並且分別以近似高斯分怖的形態組合而成 O1s 能帶圖，構成此能帶圖主要成份為 OⅠ (~530.35eV)，由 In、Ga、Zn 陣列中的 O2-離子電子所構成，在未產生氧空缺和任何化學

吸附情況下，O1s 能帶圖會以此為中心呈現近似高斯分佈曲線々第二個成份為 OⅡ

(~531.85eV)，由氧空缺的電子所造成，其面積積分可用來量化氧空缺數量，氧空缺得多 寡何導電性和載子數量有直接的關係々第三個成分為 OⅢ(~532.85eV)，此位置為-CO₃、

吸附水或吸附氧等 O2-_{電子的鍵節能，在 a-IGZO 薄膜中造成此能帶的原因主要是後二者}

的吸收所造成。

在 O1s 能帶圖的分割上，本論文所使用的函數為 Gaussian-Lorentzian function[17]〆





2 ₂











2 ₂



0 0 ( ) 1 exp 1 ln 2 peak height f x M x x  M x x    _{ }  _  _      (4.2)

M 為 Gaussian 和 Lorentzian 的比例，M=1 代表純 Lorentzian peak，而 M=0 帶表純 Gaussian peak々x0為能帶峰值位置々β為 Full Width at Half Maximum (FWHM) ，在圖形的處理

上為了消除因 XPS 真空腔體背景值造成的 Binding Energy 差異，另一方面也預期 O1s 主要由 OⅠ所構成，所以取原始數據的波峰作為 OⅠ的 Binding Energy，OⅡ和 OⅢ則以相同

數量偏移，處理後 OⅠ、OⅡ和 OⅢ的 Binding Energy 分別為 529.8±0.2eV、531.3±0.2eV 和

532.3±0.2eV，圖 4-3-5 為製程氣體比例 Ar/O2＝10/0、10/0.6、10/1.2 和 10/1.8 所測得之

O1s 能帶圖，分割出之三能帶總和與原始數據誤差<2%。

(c) (d)

圖 4-3-5 製程氣體 Ar/O2為(a)10/0 (b)10/0.6 (c)10/1.2 (d)10/1.8 的 O1s 能帶圖。

令 O1s 能帶圖波峰扣去背景值總面積為 Ototal，亦可表為 Ototal=OⅠ+OⅡ+OⅢ，表(六)

為在不同製程氣體比例下所測得 OⅡ和 OⅢ所佔有 O_total的比率，隨著氧氣比例逐漸增加， OⅡ所佔的比例有明顯減少的趨勢，代表在 a-IGZO 薄膜沉積的過程中，通入氧氣流量的 增加可減少氧空缺的濃度以改變其電性，所以改變製程氣體參數可以使 a-IGZO 作為 TFT 主動層亦有機會作為透明導電薄膜使用々在 OⅢ所佔 O_total比例方面，由表(六)可得 知隨著氧氣流量比例的增加並無一致性的改變，OⅢ所佔 O_total比例代表的是水和氧的化 學吸附程度，雖然本實驗在元件完成製程後至量測其間並未置於氧氣分壓或濕度恆定的 環境，但是所有元件都是暴露在相同條件的環境下，製程氣體比例 Ar/O2=10/0 時所測得 OⅢ∕O_total 為最大值，此製程參數所產出的元件電性可能比較容易隨著環境改變因此可

應用在氣體感應器上面，而當製程氣體比例 Ar/O2=10/0.6 時 OⅢ∕O_total相對之下數值較

小，可預期在不同環境下具有較穩定的電性，若要應用在顯示器上必須具備此特性。 表(六) 各種製程氣體比例所測得 OⅡ和 OⅢ佔有 O1s 能帶面積比例。

Ar/O2 OⅡ∕O_total (%) OⅢ∕O_total (%)

10/0 14.9 13.0

10/0.6 11.3 9.3

10/1.2 10.8 11.9

4-3-4 討論 綜合 4-3-2 和 4-3-3 之各種原子能帶圖所得到的結果，Zn 原子比例的變化和氧空缺 並沒有顯著關聯，而 In、Ga 原子比例的變化則是和製程氧氣通量有關如圖 4-3-6，In/Ga 和氧空缺的濃度(OⅡ/Ototal)呈現正相關之關係，而製程氧氣通量則分別與前者和後者呈現 負相關和正相關，所以改變製程氧氣通量的結果為改變 In 相對於 Ga 原子的比例，因 In-O 的鍵結比例產生改變也間接使得元件的氧空缺濃度改變，另外如果使用含 Ga 原子比例 較高的靶材沉積薄膜，預期可以降低通氧量並且使得沉積速率提升並得到具有相同氧空 缺濃度的元件。 另外由圖 1-2-3 可知對於 a-IGZO TFT 而言，In 佔有的比例增加時元件具有較高的 載子漂移率，Ga 和 In 有相反的物理特性會降低元件的載子漂移率，是故改變靶材原子 比例有機會改善元件電性，然而製造許多不同的靶材必然會提高製程的成本與時間，而 且還必須考慮在不同原子比例下靶材 InxGayZnzO(1.5x+1.5y+z)的相是否為單一相和在不同溫 度下的穩定性，若能使用單一種類的靶材藉著製程參數的改變取得不同原子比例的元 件，可能也有機會達到相同的效果並且減少靶材重新製作的步驟。 圖 4-3-7 為歸納本實驗結果所繪 In、Ga 和 Zn 三種金屬原子比例與製程氣體流量比 O2/Ar 的關係圖，在 O2/Ar 等於 0 時 In 佔有的比例為 36.1%，這可能是導致此參數所製 程元件為歐姆導體的原因，而 O2/Ar 大於 0.6 後 In 所佔比例雖然緩緩增加但還是比無通

氧時少了 3~6%々Ga 的比例則是隨著 O2/Ar 的增加而提高，在 O2/Ar=1.8 時比無通氧情

況增加了 11%，是故增加氧氣通量可以減少氧空缺的產生々而 Zn 的比例在本實驗所測 得的結果中是最不穩定的，比例的落差高達 13.7%，此現象對於元件的影響雖然未找到 結論，但是在金屬原子比例的控制上，改善氣體製程參數是有機會的，適當的改變製程 參數可以使用單一靶材得到不同金屬比例的元件以滿足不同的需求。

圖 4-3-6 製程參數和 In/Ga 與 OⅡ/Ototal關係圖。

圖 4-3-7 金屬原子比例與製程氣體比例 O2/Ar 關係圖。

4-4 元件製作於不銹鋼基板之電性

在過去文獻中[20-22]，不銹鋼基板應用在軟電子主要以非晶、奈米晶或是多晶矽電 晶體為主，不鏽鋼基本身具有不錯的彈性可自由改變基板的曲率半徑，並且在元件的製

程步驟上可仿造矽晶圓或玻璃基板不需要做太多更改，本實驗亦將 a-IGZO TFT 製作不 鏽鋼基板上，藉由元件在不同情況下所量測出的電性進行一系列討論。 4-4-1 元件在不鏽鋼基板的電性 將元件製作在軟性基板上首先要克服的便是應力的破壞，薄膜所受應力大小一般表 達為21

Y



 



(4.3)

Y 代表薄膜的 Young`s modulus，單位和σ相同為 Gpa，不銹鋼或玻璃的 Young`s modulus 大約 50~200Gpa，而有機材料或是有機半導體大約小於 5Gpa々ε為受到張力大小，是 個無單位的因子，一般以百分比表示。應力來源可分為三個部分，分別為外力所造成的 應力σext、製程中所造成的應力σ0 和因熱膨造係數不同所造成的熱應力σth々σ0 來自 於在薄膜沉積時，原子或分子由一不平衡的起始狀態進行到一個最低位能的平衡狀態過 程中所造成，基板的形狀、基板溫度和腔體內的氣體都可能產生影響，其中軟性基板最 容易改變的便是基板形狀，為了減少此變因造成的應力，故在所有的製程步驟中，皆將 不銹鋼基板平坦的固定在玻璃基板之上以防止在其震動或形變的產生。 不鏽鋼基板上的 EOC130B 除了做為平坦層外也可減少彎曲時元件所承受的應力， 假設 TFT 整體為一層薄膜，而其在基板平坦時受到應力可寫為

1 (

) (

)

M f f f f s s

Y

Y d

Y d







_  _



(4.4) 其中εM=ε0+(αf-αs)ΔT，代表製程過程中所造成的張力加上因熱膨脹係數差所造成的 影響々Y*

=Y/(1-ν)，ν代表薄膜的 Poisson`s ratio，不鏽鋼基板或是 SiOx等無機材料具

有較大的 Young`s modulus，使得(4.3)中 Y*

s增加使得σf增加，選用有機薄膜(EOC130B)

作為平坦層可視為 a-IGZO TFT 直接接觸的基板，使得 Y*

影響。 圖 4-4-1(a)、(b)分別為不同曲率半徑下的 ID-VG和 IG-VD曲線，首先向內彎曲使得 TFT 受一張應力並定義曲率半徑為正，接著再向外彎曲使得 TFT 受一壓應力並定義曲 率半徑為負，表(五)為元件的相關物理參數，在元件平坦和曲率半徑(R)為 5cm 時具有類 似 的 特 性 ， 但 是 在 曲 率 半 徑 為 3cm 後 ， 漂 移 率 大 幅 度 由 1.31cm2 V-1s-1 下 降 至 0.44cm2V-1s-1，而 SS value 則由 3.10 下降至 2.08，另外 IG也很明顯的下降々接著量測元 件受一壓應力時的電性，與元件受張應力情況下相比，在大小為 3cm 的曲率半徑下元件 具有接近的物理參數，而曲率半徑大小為 5cm 情況下，元件在受壓應力時具有較小的 IG和 SS value，接著元件恢復平坦後便失去 TFT 的電性。 (a)

(b)

圖 4-4-1 在不同曲率半徑下之(a)IDVG (b)IGVG 曲線。

表(七) 不同曲率半徑下所得元件特性。

R Vth(V) Mobility(cm2V-1s-1) On/Off ratio SS(V/decade)

planar 4 1.31 104 3.10 5cm 2 1.03 104 2.78 3cm -1 0.44 105 2.08 -5cm 0 0.98 104 1.87 -3cm 0 0.81 104 2.05 在元件彎曲後產生的電性改變可能是由應力所造成，為了量化彎曲造成的應力大 小，可引入 Stoney formula[21][23]〆 * * 2

6

_{f f f} s s

Y d

Y d







(4.5)

其中κ基板的為曲率，和曲率半徑為倒數關係，由 Stoney formula 可得在固定曲率下影 響薄膜張力εf除了基板與薄膜厚度外，最重要的是接觸物質的 Young`s modulus，a-IGZO

薄 膜 位 於 介 電 層 SiOx 之 上 ， SiOx 相 對 於 有 機 材 料 具 有 較 大 的 Young`s

modulus(50~200Gpa)，所以在彎曲時所受張力 大小會比其他接觸 EOC130B(Young`s modulus~5Gpa)的介面大，強大的張力會使得介面間產生錯位或形變，使得 SiOx 和 a-IGZO 薄膜之間的阻抗改變使得 IG在元件經過特定曲率彎曲量測後明顯下降。 另外彎曲時的應力也可能元件產生破壞如圖 4-4-2，受到張應力作用時可能導致薄 膜產生裂縫如圖 4-4-2-a，在彈性係數較大的材料中比較容易產生，此裂縫會隨著彎曲的 過程延伸々而向外彎曲產生的壓應力則可能使得不同介面間產生空隙如圖 4-4-2-b，降低 膜厚可以減少分裂的長度，但在未來改善元件的設計上還是朝著減少彎曲產生的應力為 主。 (a) (b) 圖 4-4-2 薄膜受(a)張應力(b)壓應力 破壞結構示意圖。[21] 4-4-2 討論 在多層薄膜的結構中，應力來源可分為不同介面間本身存在的應力以及外力彎曲基 板所造成的應力[23]，後者為軟性基板面臨的最大挑戰，圖 4-4-3 為代表基板彎曲時在 距離底部 z 所造成的張力大小 0

( )

ben

z

ben

z





 



(4.6)

上下層所受張力方向相反，並且在特定位置為張力的平衡點，此位置所受上下兩物質造 成的張力大小相同而方向相反，另外如圖 4-2-2 所示，TFT 結構自閘極電極以上的厚度 總和佔元件總厚度約 0.2%，所以巨觀來說，若能將 TFT 置於圖 4-4-3 的平衡點上，便可 使 TFT 整體結構所受張力最小化，此位置可利用 Stoney formula 估計判斷，在式(4.4)中 薄膜張力εf 的來源為彎曲時接觸物質所造成，上下兩物質會造成相反方向的張力，所 以在 TFT 結構上再增加一層厚為 dp、Young`s modules 為 Yp的保護膜，並且滿足 2 2 s s p p

Y d



Y d

(4.7) 在此情況下，便可達到圖 4-4-3 中的平衡位置。 另外從微觀的角度探討，在 TFT 結構中的各個介面，亦可使用 Stoney formula 來改 善應力大小，在本實驗中仿造矽晶圓基板的結構使用 SiOx 作為介電層，但為了減少彎

曲造成的應力亦可使用 PVA 或 PVP 等具有較低 Young`s modules 的有機材料取代 SiOx，

未來計畫將朝減少彎曲應力的方向繼續研究以達到彎曲時亦能與平坦狀態具有相同的 電性和彎曲後元件能保持原始狀態。