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矽鋁薄膜的製備、光學性質分析和在薄膜電晶體鈍化層應用的研究

為了解決金屬探測儀的問題，作者董寰乾 這樣論述：

本研究經由矽鋁靶材製備，探討矽鋁及矽鋁化合物薄膜在非導電性真空鍍膜，及非晶質銦鎵鋅氧薄膜電晶體鈍化層的應用。論文第一部份比較液相製程和固相製程製備矽鋁靶材之優缺點，嘗試建立質地均勻、可大型化的量產技術。第二部分應用研究製備的矽鋁靶材，探討濺鍍之矽鋁薄膜的光學及電學性質，開發特殊應用的新穎功能性薄膜；第三部分則聚焦於反應性濺鍍技術，沈積矽鋁氮氧化物薄膜，研究此類薄膜對提升薄膜電晶體環境穩定性的效果與機構。論文首先透過薄片模具設計和澆鑄參數控制，產出縮孔和巨觀偏析缺陷大幅改善的靶材，但是微觀偏析和粗大的鑄造組織仍使得靶材在實際濺鍍時薄膜品質不盡理想。熱壓製程經適當的參數調整，可以得到密度、微觀組

織細緻度和組成均勻性均優的矽鋁合金，但是製程可調整範圍小。熱等均壓製程製作之矽鋁靶材不論在緻密度或微結構細緻均勻性都遠比熔煉鑄造和熱壓製程佳，能有效提升濺鍍薄膜的成分與結構的均勻性。在高反射率、高電阻值薄膜開發部分，本論文嘗試從金屬粒子平均散佈在非導電基質中的觀點，發展全新的NCVM鍍膜技術，確認發展之矽鋁靶材可以濺鍍出奈米粒徑的鋁顆粒均勻散佈在非晶質矽的雙相結構，有異於傳統共濺鍍的固溶非晶質組織，使得合金薄膜兼具獨特的高可見光反射率與高電阻率特性。在鋁含量為15-30 at%，膜厚20-50 nm範圍內的矽鋁薄膜，面電阻可達106 Ω／□以上，可見光反射率高於60 %，符合NCVM的要求。

理論計算部分，MGT描述薄膜光學行為僅適用於複合物材料的組成比例差異極大的條件，EMA雖然是解決MGT先天限制而推導出的模型，但從模擬結果可知，EMA較適用於具有金屬性質，即鋁含量大於滲透臨界值的矽鋁薄膜，在此成分範圍內模擬的結果與實驗值較為接近。論文最後將矽鋁靶材的應用從NCVM延伸至a-IGZO TFTs的鈍化層，發現此一濺鍍製程沈積的矽鋁氮氧化物薄膜不僅可以保護a-IGZO不受氧氣和水氣影響，提昇薄膜電晶體電氣性質穩定性，並可降低照光後臨界電壓偏移量，具備減少主動層損傷的優點。研究認為施加負偏壓後氧空缺向閘極漂移，降低與電子復合機率，使得自由電子有更多機會躍遷至導帶，因此臨界電壓漂移量比

單純照光、未施加負偏壓的實驗來得大。研究亦發現矽鋁氮氧化物薄膜具備修補主動層缺陷的能力，因此達到防止氧氣和水氣對元件電氣穩定性的影響。研究亦根據氧化鋁具有高電子表面密度，可吸引電洞、排斥電子的特性，解釋矽鋁氮氧化物做為鈍化層，照光後a-IGZO臨界電壓偏移程度降低的原因。矽鋁氮薄膜經退火處理後，形成矽鋁氮氧化物薄膜，可修補a-IGZO缺陷外，並可完全修復矽鋁氮氧化物薄膜的未鍵結鍵數量，降低未鍵結鍵對主動層提供電子能力，使得元件從導體狀態恢復半導體性質。研究發現增加矽鋁氮氧化物薄膜的鋁含量，或者增加薄膜厚度，均可達到與Al2O3薄膜相同的保護元件不受氧氣和水氣影響的效果。從隔絕氧氣、水氣、防止光

照等影響保護主動層效果的評比，本論文測試的Al2O3、SiO2及各種SiAlNO等鈍化層材料中，SiAlNO具有較佳的應用優勢，其中又以Si-30AlNO薄膜有較好的保護效果。