研製電漿輔助氣相化學沉積法成長奈米碳管於玻璃基版與場發射特性之探討

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研究生：	董建宏 Chien-Hung Tung
論文名稱：	研製電漿輔助氣相化學沉積法成長奈米碳管於玻璃基版與場發射特性之探討
指導教授：	蔡春鴻博士 Dr. Chuen-Horng Tsai 柳克強博士 Dr. Keh-Chyang Leou
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：	2004
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	79
中文關鍵詞：	奈米碳管、電漿輔助氣相化學沉積法、場發射
外文關鍵詞：	carbon nanotube, PECVD, field emission
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由於奈米碳管材料的多元性，使得其應用方面於近幾年來引起了廣泛的探討與研究。在場發射應用方面上，由於奈米碳管具有特殊的幾何結構與材料本身的性質，使其得以在元件製程整合上最具有潛力的奈米材料之一。目前場發射平面顯示器在主要的製程方式多利用電弧放電法產生大量奈米碳管，再以銀膠混合後以網印製程方式將其塗佈於基板上，由於利用電弧放電法所產生的奈米碳管含有許多雜質，因此亦必須經過純化過程，而網印過程中也會造成奈米碳管的均勻度問題。因此我們在本論文研究中，利用黃光微影製程方式定義出催化劑金屬薄膜的位置進而能夠選區成長奈米碳管，並且利用電漿輔助氣相化學沉積法 ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD ) 於低溫製程環境成長奈米碳管於玻璃基板上，並且在玻璃基板上加入金屬導電層使其能夠量測奈米碳管場發射特性，而透過掃描式電子顯微鏡與穿透式電子顯微鏡得知所成長的奈米碳管頂端有催化劑鎳金屬，其成長模式為頂端成長。我們也對於製程參數的控制，例如催化劑金屬薄膜的厚度、氨氣電漿前處理時間等等製程參數來控制奈米碳管成長的密度，在場發射特性量測實驗中發現，奈米碳管成長密度較低時，會得到較大的場發射特性電流值。

目　錄
誌謝•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••i
摘要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••v
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圖表目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••x
表目錄••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••xv
第一章 緒論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••01
第二章 文獻回顧••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••03
1奈米碳管的簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••03
2奈米碳管成長方式••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••06
3奈米碳管成長機制••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
4製程參數對奈米碳管結構的影響••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
4. 1溫度對奈米碳管的影響••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
4. 2金屬催化劑厚度對奈米碳管結構的影響••••••••••••••••••••••••••••••••12
5奈米碳管低溫製程••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
6奈米碳管的應用••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
7奈米碳管與場發射特性••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
8研究方向••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
第三章 基本原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
1電感式耦合電漿源基本原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
1. 2阻抗匹配原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
1. 3電漿鞘層的形成•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
1. 4 自我偏壓的形成••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••25
2場發射(Field emission) ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
2. 1場發射原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
2. 2 Fowler-Nordheim方程式•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
2. 3場發射特性量測機台•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
3微影(Photolithography)製程原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
3. 1光阻塗佈••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
3. 2曝光••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••37
3. 3光罩••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••37
3. 4曝光技術與光源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
3. 5顯影••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
3. 6光阻去除••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
第四章 實驗儀器與機台設備••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43
1黃光微影製程實驗室••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43
1. 1加熱平台••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
1. 2光阻塗佈機台••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
1. 3曝光機台••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••45
1. 4電子蒸鍍槍設備••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••45
2電感式耦合電漿源機台••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••46
2. 1真空系統••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••47
2. 2 壓力量測與控制••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
2. 3流量控制器•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
2. 4溫度控制與量測•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49
2. 5射頻功率產生器•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••51
2. 6射頻匹配網路箱•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••51
2. 7電腦操作介面•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••51
第五章 研究方法與實驗結果••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••53
1研究方法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••53
2奈米碳管低溫製程實驗••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••54
2. 1提高氫氣和乙炔氣體的比值••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••54
2. 2改變電漿功率••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••56
3導電層的製備••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••57
3. 1加入鉻金屬導電層厚度••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••57
4降低奈米碳管密度••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••62
4. 1降低催化劑鎳金屬薄膜厚度••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••62
4. 2改變氨氣電漿前處理射頻偏壓功率••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••68
4. 3延長氨氣電漿前處理時間••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••70
5奈米碳管場發射特性量測••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••72
第六章　結論與未來展望••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••77
1結論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••77
2未來展望••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••78
參考文獻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••79

                                

參考文獻
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全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
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