網印法製作相對厚PNN-PZT薄膜及特性研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	楊培琳 Pei-Lin Yang
論文名稱：	網印法製作相對厚PNN-PZT薄膜及特性研究
指導教授：	林正雄 Cheng-Hsiung Lin
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2002
畢業學年度：	90
語文別：	中文
論文頁數：	110
中文關鍵詞：	網印、雷射剝離、鐵電薄膜
外文關鍵詞：	Screen-Printing, PNN-PZT, Laser Lift-Off, Ferroelectric thick film
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因矽基板無法承受高溫燒結，造成元件製作上許多限制。為了解決矽基板的限制，使其符合元件製作上的需求，本實驗首先以網板印刷法(Screen Printing)，於氧化鋯基板上製作相對厚Pb0.98Sr0.02(Ni1/3Nb2/3)0.45Zr0.21Ti0.34O3薄膜(大約20 µm)，並探討厚膜微結構及鐵電特性，以求得最佳條件下之厚膜特性；進一步研究雷射剝離法(Laser lift-off)製程的可行性，將燒結後的相對厚PNN-PZT薄膜由單晶氧化鋁基板上成功的轉移至白金矽基板，並得到最佳的鐵電特性為: Pr = 28.9 µC/cm2、Ec = 18.9 kV/cm。
由結果顯示，轉移後的相對厚PNN-PZT薄膜，結晶性及微結構未受到雷射剝離的影響，證明利用此製程，可解決高溫燒結時，Pb與基板、電極間因交互擴散所產生的問題，並應用於元件製作上。

目錄……………………………………………………………………... I
表目錄………………………………………………………..………... IV

圖目錄………………………………………………………………….. V

第一章 前言……………………………………………………….... 1

第二章 文獻回顧……………………………………………………. 3

2.1 強介電性質……………………………………………………... 3

2.2 壓電性與鐵電性………………………………………………... 4

2.2.1 壓電性…………………………………………………… 4

      2.2.2 鐵電性…………………………………………………… 5

  2.3 強介電鈣鈦礦相結構及種類…………………………………... 6

  2.4 三元系與多元系壓電陶瓷……………………………………... 9

  2.5 強介電陶瓷材料之應用………………………………………... 9

      2.5.1 記憶元件……………………………………………….. 10

      2.5.2 積體光學元件………………………………………….. 11

      2.5.3 壓電元件……………………………………………….. 13

      2.5.4 焦電感測元件………………………………………….. 14

  2.6 網板印刷………………………………………………………. 15

      2.6.1 影響網板印刷的因素………………………………….. 15

      2.6.2 提升厚膜緻密度的方法……………………………….. 17

  2.7 PZT厚膜與白金矽基板間的交互作用……………………….. 17

  2.8雷射剝離法…………………………………………………….. 18

      2.8.1 Pd-In 擴散鍵結……………………………………….. 19

      2.8.2 雷射和試片之間的交互作用…………………………. 19

      2.8.3 雷射剝離法運用於PZT系統………………………… 20

第三章   實驗方法………………………………………………….. 39

  3.1 粉末製備流程…………………………………………………. 39

  3.2 胚體製作………………………………………………………. 40

      3.2.1 造粒…………………………………………………….. 40

      3.2.2 成形…………………………………………………….. 40

      3.2.3 去脂…………………………………………………….. 40

      3.2.4 燒結…………………………………………………….. 41

      3.2.5 研磨與電極製作……………………………………….. 41

  3.3 厚膜製備流程…………………………………………………. 41

      3.3.1 清洗基板……………………………………………….. 42

      3.3.2 網印下電極…………………………………………….. 42

      3.3.3 網印PNN-PZT厚膜…………………………………... 42

      3.3.4 平整化………………………………………………….. 42

      3.3.5 烘乾…………………………………………………….. 43

      3.3.6 單軸向壓力…………………………………………….. 43

      3.3.7 去脂…………………………………………………….. 43

      3.3.8 燒結…………………………………………………….. 43

      3.3.9 網印上電極…………………………………………….. 43

3.4 雷射剝離法之研究……………………………………………. 44

      3.4.1 基板的製備…………………………………………….. 44

      3.4.2 熱阻式蒸鍍及熱壓鍵結……………………………….. 44

      3.4.3 雷射設備及雷射剝離法……………………………….. 45

      3.4.4 黃光製程 (製作上電極)………………………………. 46

  3.5 特性量測………………………………………………………. 48

3.5.1 密度量測……………………………………………….. 48

      3.5.2 膜厚量測……………………………………………….. 48

      3.5.3 熱重量分析儀………………………………………….. 48

      3.5.4 結晶結構……………………………………………….. 48

    3.5.5 SEM微觀結構…………………………………………. 49

      3.5.6 極化強度-電場（P-E）的量測……………………….. 49

      3.5.7 電流-電壓（I-V）的量測……………………………… 49

第四章   結果與討論……………………………………………….. 55

  4.1 燒結溫度對PNN-PZT胚體及厚膜之影響………………….. 55

4.1.1 粉體特性……………………………………………….. 55

      4.1.2  PNN-PZT燒結胚體………………………………….. 56

      4.1.3  PNN-PZT厚膜……………………………………….. 58

  4.2 單軸向壓力對PNN-PZT厚膜的影響……………………….. 59

      4.2.1 膜厚分析……………………………………………….. 60

      4.2.2 單軸向壓力的影響…………………………………….. 60

      4.2.3 不同持溫時間的影響………………………………….. 62

4.3 雷射剝離法……………………………………………………. 62

      4.3.1 In-Pd熱壓鍵結………………………………………… 63

      4.3.2 雷射剝離前後的特性比較…………………………….. 63

第五章   結論……………………………………………………….. 97

表 目 錄

表2-1  晶體結構點群與壓電、焦電性及對稱中心的關係………… 22

表2-2  硬性及軟性添加劑對PZT特性的影響……………………. 28

表2-3  單晶氧化鋁的基本性質…………………………………….. 38

表3-1  Pb0.98Sr0.02(Ni1/3Nb2/3)0.45Zr0.21Ti0.34O3 粉末之原始藥品配方

        ………………………………………………………………. 50

表4-1  各階段的膜厚量測………………………………………….. 77

圖 目 錄

圖2-1 正壓電效應示意圖…………………………………………… 23

圖2-2 逆壓電效應示意圖…………………………………………… 23

圖2-3 鐵電材料的晶域結構………………………………………… 24

圖2-4 鐵電材料之店電滯曲線圖…………………………………… 24

圖2-5  Sawyer-Tower 電路圖…………………………………….. 25

圖2-6 鈣鈦礦相結構………………………………………………… 25

圖2-7  A(BIBII)O3，B-site陽離子排列方式示意圖 : (左)規則排列 (右)不規則排列……………………………………………………. 26

圖2-8  PbZrO3-PbTiO3系統的相圖………………….……………. 26

圖2-9  PZT晶格常數對成份的變化………………………………. 27

圖2-10  PZT之MPB成份材料性質表現……….………………… 27

圖2-11 強介電陶瓷於不同性質下之應用………………………….. 29

圖2-12  FRAM元件橫截面圖……………………………………... 29

圖2-13  TIR結構圖…………………………………………….…… 29

圖2-14 光電導記憶元件…………………………………………….. 30

圖2-15 電子發射源………………………………………………….. 30

圖2-16 利用聲波流體特性監測元件之截面圖…………………….. 31

圖2-17 接觸探頭感測器之構造…………………………………….. 31

圖2-18  (a) 壓電微泵浦，用於形成墨滴或液滴，(b) 無閥之微泵浦

         …………………………………………………………….. 32

圖2-19  (a) SAW線性馬達，(b) SAW與液體相互作用產生摩擦流動，(c) SAW泵浦的兩種不同驅動力…….………………. 32

圖2-20  (a) 焦電塊材紅外線感測元件結構圖，(b) 焦電薄膜紅外線

感測元件結構圖，(c) 新型紅外線感測器結圖……….… 33

圖2-21  PZT在Si基板之SEM分析……………………………….. 34

圖2-22 矽基板於不同溫度燒結後之顯微結構…………………….. 34

圖2-23  Ti / Pt底電極處之泡狀突起物….………………………… 35

圖2-24 網板印刷示意圖…………………………………………….. 35

圖2-25 雷射剝離法示意圖………………………………………….. 36

圖2-26  Pd-In相圖………………………………….………………. 36

圖2-27 有限元素分析法模擬雷射能量密度為400mJ/cm2時，PZT系統的時間-溫度-深度圖………………………………….. 37

圖3-1  PNN-PZT粉末製作流程圖………………………………… 50

圖3-2  試片燒結時擺放方式……………………………………….. 51

圖3-3  PNN-PZT相對厚膜製備流程……………………………… 51

圖3-4  熱重量分析(TGA)與熱差分析(DTA) 分析結果…………... 52

圖3-5  試片去脂條件……………………………………………….. 52

圖3-6  雷射剝離之實驗流程……………………………………….. 53

圖3-7  白金基板結構示意圖……………………………………….. 53

圖3-8  試片經熱壓後，其鍵結過程……………………………….. 54圖4-1  PNN-PZT煆燒粉末XRD繞射分析圖…………………….. 65

圖4-2  PNN-PZT塊材不同燒結溫度之XRD繞射分析圖……….. 66圖4-3  不同燒結溫度下燒結胚體的密度……………………….….. 67

圖4-4  PNN-PZT燒結胚體之表面顯微結構分析 (a) 900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃ (e) 1250℃………..…….. 68

圖4-5  PNN-PZT+2wt%PbO燒結胚體之表面顯微結構分(a)900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃ (e) 1250℃…………... 69

圖4-6  PNN-PZT燒結胚體之電滯曲線 (a)900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃ (e) 1250℃…………………..……….. 70

圖4-7  PNN-PZT+2wt%燒結胚體之電滯曲線 (a)900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃ (e) 1250℃……………………….. 71

圖4-8  PNN-PZT厚膜不同燒結溫度之XRD繞射分析圖……….. 72

圖4-9  PNN-PZT厚膜之表面微結構及剖面微結構分析 (a) 1000℃ (b) 1100℃ (c) 1200℃…………………………………….. 73

圖4-10  PNN-PZT+2wt%PbO厚膜之表面微結構及剖面微結構分析

(a) 1000℃ (b) 1100℃ (c) 1200℃……………………….. 74

圖4-11  PNN-PZT厚膜之電滯曲線及漏電流密度 (a) 1000℃ (b) 1100℃ (c) 1200℃………………………………………… 75

圖4-12  PNN-PZT+2wt%PbO厚膜之電滯曲線及漏電流密度 (a) 1000℃ (b) 1100℃ (c) 1200℃…………………………… 76

圖4-13  膜厚分析圖 (a)烘乾後(b)施壓後(c)去脂後(d)燒結後.…. 77

圖4-14  不同層數的厚膜於1200℃燒結下之表面微結構 (a)單層 (b)三層 (c)五層……………………………………………… 78

圖4-15  經施壓之PNN-PZT厚膜於不同燒結溫度之XRD繞射分析圖………………………………………………………….. 79

圖4-16  經施壓後PNN-PZT厚膜之表面微結構 (a)900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃…………………………… 80

圖4-17  經施壓後PNN-PZT+2wt%PbO厚膜之表面微結構 (a)900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃……………. 81

圖4-18  經施壓後PNN-PZT厚膜之剖面微結構 (a)900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃…………………………… 82

圖4-19  經施壓後PNN-PZT+2wt%PbO厚膜之剖面微結構 (a)900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃…….………. 83

圖4-20  施壓後PNN-PZT厚膜之電滯曲線及漏電流密度 (a) 900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃……………………….. 84

圖4-21  施壓後PNN-PZT+2wt%PbO厚膜之電滯曲線及漏電流密

度 (a) 900℃ (b) 1000℃ (c) 1100℃ (d) 1200℃…….….. 85

圖4-22  PNN-PZT厚膜於不同持溫時間之XRD繞射分析圖….... 86

圖4-23  不同持溫時間PNN-PZT厚膜之表面微結構 (a) 2小時 (b) 3小時 (c) 4小時…………………………………………... 87

圖4-24  不同持溫時間PNN-PZT+2wt%PbO厚膜之表面微結構 (a) 2小時 (b) 3小時 (c) 4小時………………………….…… 88

圖4-25  PNN-PZT厚膜於不同持溫時間之電滯曲線及漏電流密度

(a) 2小時 (b) 3小時 (c) 4小時……………………….…. 89

圖4-26  PNN-PZT+2wt%PbO厚膜於不同持溫時間之電滯曲線及漏電流密度(a) 2小時 (b) 3小時 (c) 4小時…………….…. 90

圖4-27  Si/Pd 200 nm/In 1000 nm於200℃退火1小時之XRD繞射分析圖………………………………………………….. 91

圖4-28  試片剝離後之表面形貌……………………………….…... 91

圖4-29  剝離前後之XRD繞射分析圖……………………….……. 92

圖4-30  剝離前試片之表面微結構 (a)1000℃ (b)1100℃………. 93

圖4-31  剝離後試片之表面微結構 (a)1000℃ (b)1100℃………. 94

圖4-32  剝離後試片之剖面微結構 (a)1000℃ (b)1100℃ (c)1100℃-10k倍……………………………………….….. 95

圖4-33  剝離後之電滯曲線及漏電流密度………………………… 96

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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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