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研究生： 蕭仲軒
論文名稱： 氧氣輔助電漿輔助式化學氣相沉積法低溫合成單壁奈米碳管之研究
Low Temperature Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes by Oxygen-Assisted Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
指導教授： 蔡春鴻
柳克強
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 79
中文關鍵詞： 單壁奈米碳管 、場效電晶體 、電漿輔助式化學氣相沉積法
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    • 單壁奈米碳管( SWNTs)由於其特殊的物理性質與廣泛的應用潛力，尤其在場效電晶體( FET)與奈米光電元件( nano-photonic devices)等，因此掀起了近年來的研究熱潮。為了將定位成長單壁奈米碳管的技術與現今半導體製程整合，因此發展低溫合成單壁奈米碳管製程是絕對需要的。目前常用的單壁奈米碳管製程方法為催化劑式化學氣相沉積法( Catalytic Chemical Vapor Deposition, CCVD)，其可分為熱裂解式化學氣相沉積法( Thermal pyrolysis CVD, TPCVD)與電漿輔助式化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)兩種，兩者之間的最大差異在於利用後者成長單壁奈米碳管所需的溫度較前者低。本研究將利用PECVD來合成單壁奈米碳管，藉由電漿輔助碳源氣體的裂解，以降低合成單壁奈米碳管所需的溫度。
    本論文的實驗部份將分成兩部份來討論。首先在論文實驗的一開始，以CH4與H2作為製程氣體，利用Ni/Al催化系統，在600 ℃下，以PECVD在矽基板上合成出單壁奈米碳管。為了更進一步地改善單壁奈米碳管的品質，因此在原先的製程氣體中混入0.25% O2，進而合成出高品質的單壁奈米碳管，其ID/IG比值( 表示奈米碳管之石墨化程度)約為0.1。依目前為止的實驗結果與部份文獻比較，推測由於在電漿環境中的H自由基會抑制sp2之石墨結構的單壁奈米碳管形成，因此藉由通入適量的O2，可使製程環境中的O自由基與H自由基產生反應而形成OH分子，降低H自由基對單壁奈米碳管的傷害，因而合成出高品質的單壁奈米碳管。除了Ni/Al催化系統之外，適量的O2對改善單壁奈米碳管的品質之功效也可應用於其它的催化系統，例如SiO2/Ni/SiO2/Si催化系統。利用SiO2/Ni/SiO2/Si催化系統進行橫向成長實驗時，若在製程氣體中通入微量O2(0.25 % O2)，可使成長好的單壁奈米碳管之ID/IG比值，由原先未通O2之0.68降至0.29，雖然未針對此催化系統進行不同O2通量對於單壁奈米碳管品質影響之探討，但單就此實驗結果而言，通入微量O2確實對於其他催化系統仍有幫助。在本論文的第二部份中，利用SiO2/Ni/SiO2/Si催化系統，成功地在PECVD製程系統橫向成長出單壁奈米碳管。並藉由在碳源氣體CH4中添入少量C2H2，可將橫向成長的單壁奈米碳管之長度，由原先的1μm增長至3-5 μm。未來若能細調實驗參數，將橫向成長的單壁奈米碳管長度增長至10μm以上，將可提供本實驗室一個低溫元件製程的新選擇。

    摘要......................................................I 誌謝....................................................III 目錄.....................................................VI 圖表目錄.................................................IX 第一章 研究動機...........................................1 第二章 文獻回顧...........................................3 2-1 簡介奈米碳管........................................3 2-2 奈米碳管之合成......................................7 2-2-1 電弧放電法.....................................7 2-2-2 雷射剝蝕法....................................7 2-2-3 催化劑式化學氣相沉積法........................8 2-3奈米碳管之成長機制..................................10 2-3-1 VLS機制......................................11 2-3-2 SLS機制......................................12 2-3-3 SWNT直徑與催化顆粒之關係.....................13 2-4溫度對奈米碳管之影響................................15 2-5電漿功率對奈米碳管之影響............................17 2-6 微量氧氣對奈米碳管成長之影響.......................19 2-7 單壁奈米碳管之橫向成長.............................24 第三章 研究方法與設備....................................25 3-1 實驗方法...........................................25 3-2 試片製備...........................................25 3-3 實驗設備...........................................27 3-3-1 電子槍蒸鍍機.................................27 3-3-2 電感耦合式電漿輔助化學氣相沉積法.............29 3-3-3 場發射掃描式電子顯微鏡.......................35 3-3-4 微拉曼光譜儀.................................36 第四章 結果與討論........................................39 4-1 單壁奈米碳管之成長.................................40 4-1-1 熱前處理.....................................40 4-1-2 氣體比例之影響...............................42 4-1-3 電漿功率比例之影響...........................45 4-1-4 氣體壓力之影響...............................50 4-1-5 成長時間與單壁奈米碳管之影響.................53 4-1-6 微量氧氣之影響...............................55 4-2 單壁奈米碳管之橫向成長.............................63 4-2-1 通入微量氧氣之效果對橫向成長是否存在.........63 4-2-2 發展低溫橫向成長單壁奈米碳管.................67 第五章 總結與未來展望....................................70 5-1 總結...............................................70 5-2 未來展望...........................................71 參考文獻.................................................73 附錄.....................................................76 圖表目錄 圖2-1 利用電弧放電法所合成之多壁奈米碳管之HRTEM影像。.....3 圖2-2 單壁奈米碳管的分類：(a) armchair、(b) zigzag、(c) chiral。..................................................4 圖2-3 單壁奈米碳管結構上參數的定義。......................4 圖2-4 單壁奈米碳管的結構與如何估計其電性的示意圖。........6 圖2-5 TPCVD系統之示意圖。.................................9 圖2-6 PECVD系統之示意圖。................................10 圖2-7 HRTEM影像-SWNT證明.................................10 圖2-8 (a)底端成長模式，(b)頂端成長模式。.................11 圖2-9 VLS模式描述單壁奈米碳管成核與成長之示意圖。........12 圖2-10 SLS模式描述單壁奈米碳管成核與成長之示意圖。.......13 圖2-11 HRTEM影像顯示催化金屬顆粒與奈米碳管之關係。.......13 圖2-12 利用Al支撐Ni催化金屬合成單壁奈米碳管之示意圖。....15 圖2-13 利用MPCVD以不同成長溫度合成單壁奈米碳管之拉曼光譜。.....................................................17 圖2-14 利用PECVD以不同電漿功率合成單壁奈米碳管之SEM影像。18 圖2-15 利用PECVD以不同電漿功率合成單壁奈米碳管之ID/IG比值比值。.....................................................18 圖2-16 電漿功率對合成出的單壁奈米碳管之直徑分布。........19 圖2-17 電漿功率所合成之SWNT為金屬性或半導性的數目統計。..19 圖2-18 ID/IG比值與成長時間之關係。通入水蒸氣之製程所合成出的單壁奈米碳管之品質較優於未通水蒸氣者。...................20 圖2-19 氧氣與氫氣在合成單壁奈米碳管時所扮演之角色示意圖。21 圖2-20 O自由基清除H自由基之示意圖。......................22 圖2-21 製程氣體中之O2含量與合成出的奈米碳管之拉曼光譜。..22 圖2-22 不同O2濃度對於CH-H-O電漿光激發強度( 相對O2之強度)之影響。.....................................................23 圖2-23 (a) 橫向成長SWNT之SEM影像，(b) SWNT之HRTEM影像。..24 圖3-1 電子槍蒸鍍機系統全圖。.............................28 圖3-2 透過線圈產生時變磁場，進而感應時變磁場。...........30 圖3-3 ( a) ICP-CVD之示意圖，( b) ICP-CVD之實際機台外觀圖。.....................................................31 圖3-4 (a)機械幫浦，(b)乾式幫浦。.........................31 圖3-5 氣體之質量流量控制器。.............................33 表3-1 氣體之質量流量控制器之最大值表。...................33 表3-2 Ar與O2之C.F.值整理表...............................33 圖3-6 (a) 溫度校正配置圖之示意圖，(b) 實際校正溫度之關係圖。.....................................................34 圖3-7 ICP-CVD系統操作介面................................35 圖3-8 JEOL 6330F場發射掃描式電子顯微.....................36 圖3-9 微拉曼光譜儀系統之 (a)示意圖，(b)實際圖。..........37 圖3-10 利用拉曼光譜儀測得之本研究所用試片的單壁奈米碳管特徵譜線。...................................................38 圖4-1 實驗流程示意圖。...................................39 圖4-2 本實驗所用的試片各層膜之種類與厚度。...............40 表4-1 熱前處理參數。.....................................41 圖4-3 Ni/Al/SiO2/Si試片經熱前處理後之SEM影像。...........41 圖4-4 Ni/Al/SiO2/Si試片之AFM影像。(a) 熱前處理前，(b)熱前處理後。...................................................41 表4-2 製程參數-不同氣體比例。............................42 圖4-5 不同CH4/H2比例成長單壁奈米碳管之SEM影像。..........43 圖4-6 不同CH4/H2比例成長單壁奈米碳管。(a) 拉曼光譜；(b) 氣體比例與ID/IG比值之關係；(c) 氣體比例與單壁奈米碳管相對產量IG/ISiO2之關係。.........................................43 圖4-7 在500℃下，電漿功率與製程環境中之氣體成分關係圖。..46 表4-3 製程參數-不同電漿功率。............................46 圖4-8 不同電漿功率成長單壁奈米碳管之SEM影像。............47 圖4-9 不同電漿功率成長單壁奈米碳管。(a) 拉曼光譜；(b) 電漿功率與ID/IG比值之關係；(c) 電漿功率與單壁奈米碳管相對產量IG/ISiO2之關係。.........................................48 表4-4 製程參數-不同氣體壓力。............................50 圖4-10 不同氣體壓力成長單壁奈米碳管之SEM影像。...........50 圖4-11 不同氣壓成長SWNT。(a) 拉曼光譜；(b) 氣體壓力與ID/IG比值之關係；(c) 氣體壓力與單壁奈米碳管相對產量IG/ISiO2之關係。.....................................................51 表4-5 製程參數-不同成長時間。............................53 圖4-12 不同成長時間成長單壁奈米碳管之SEM影像。...........53 圖4-13 不同成長時間SWNT。(a) 拉曼光譜；(b) 成長時間與ID/IG比值之關係；(c) 成長時間與單壁奈米碳管相對產量IG/ISiO2之關係。.....................................................54 表4-6 製程參數-不同O2流量比例。..........................56 圖4-14 不同O2流量比例成長單壁奈米碳管之SEM影像。.........56 圖4-15 不同O2流量比例成長SWNT之拉曼光譜。................57 圖4-16 不同O2流量比例成長SWNT (a) ID/IG比值與O2流量比例之關係，(b) 品質改善程度與O2流量比例；(c) O2流量比例與單壁奈米碳管相對產量IG/ISiO2之關係。...............................58 表4-7 製程參數-不同成長時間。............................60 圖4-17 未通與通入0.25% O2流量比例成長單壁奈米碳管之SEM影像。.....................................................61 圖4-18 (a) 未通O2與通0.25 % O2，不同成長時間之拉曼光譜；(b) 成長時間與ID/IG比值之關係；(c) 成長時間與單壁奈米碳管相對產量IG)/ISiO2之關係。......................................62 表4-8 橫向成長之實驗參數。...............................64 圖4-19 SiO2/Fe/SiO2/Si：通入0.25% O2流量比例進行橫向成長單壁奈米碳管之SEM影像。......................................64 圖4-20 SiO2/Ni/SiO2/Si：通入0.25% O2流量比例進行橫向成長單壁奈米碳管之SEM影。........................................64 圖4-21 兩種不同催化系統，在相同製程條件下所成長之SEM影像。.....................................................65 圖4-22未通與通入0.25% O2流量比例進行橫向成長單壁奈米碳管。(a) 為拉曼光譜儀的雷射點聚焦於試片位置之示意圖，(b) 拉曼光譜，(c) ID/IG比值與成長時間之關係。......................66 表4-9 橫向成長之實驗參數。...............................68 圖4-23不同CH4與C2H2比例成長單壁奈米碳管之SEM影像。.......68 圖4-24未通與通入1 sccm乙炔進行橫向成長單壁奈米碳管之拉曼光譜。.....................................................69

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