《氮化铝薄膜表面结构及感测特性之研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氮化铝薄膜表面结构及感测特性之研究（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、科學與工程技術期刊 第四卷 第一期 民國九十七科學與工程技術期刊 第四卷 第一期 民國九十七 Journal of Science and Engineering Technology, Vol. 4, No. 1, pp. 73-79 (2008) 73 氮化鋁薄膜表面結構及感測特性之研究 氮化鋁薄膜表面結構及感測特性之研究 江榮1 黃安2 1中州技術學院電子工程系 2中州技術學院工程技術研究所 彰化縣員鎮山腳三段二巷號 摘 要摘 要 本研究係用射頻濺鍍系統（R. F. sputtering system）於工作壓 10 mTorr，分別以同溫 （50oC、100oC 及 150oC） 備製
2、氮化鋁薄膜於氧化銦錫玻璃 （indium tin oxide, ITO） 、矽 （silicon）及二氧化矽 （SiO2） 三種同基板上，以形成 AlNX/ITO Glass、AlNX/Si 及 AlNX/SiO2/Si 之結構，並用場發射掃描式電子顯微鏡（field-emission scanning electron microscope, FE-SEM）觀察氮化鋁薄膜之表面結構，且於 AlN 薄膜上備製子選擇物（ionophores） ，以成為氯子感測膜，用半導體分析儀（keithley 4200）於 1 10-5 mol/L 之氯化鉀（KCl） 、氯化鈉（NaCl）及氯化鋰（LiCl）
3、待測溶液中進測，以探討氮化鋁薄膜於氯子感測元件之感測特性。實驗結果顯示氮化鋁薄膜沉積於 ITO Glass 基板晶緻密高，且晶平均大小為 100 150 nm，且應用於氯子感測元件擁有高感測範圍，置於 KCl 待測液之電壓感測為 121.48 mV/pCl，置於 NaCl 待測液之電壓感測為 143.02 mV/pCl，而置於 LiCl 待測液之電壓感測為 168.72 mV/pCl，且線性趨近於 1。 關鍵詞：關鍵詞：射頻濺鍍、氮化鋁、氧化銦錫玻璃、場發射掃描式電子顯微鏡、氯子 Structure and Sensing Properties on a Thin AlN Film JUNG-
4、LUNG CHIANG1 and AN-LI HUANG2 1Department of Electronic Engineering, Chung Chou Institute of Technology 2Graduate School of Engineering Technology, Chung Chou Institute of Technology 6, Lane 2, Sec. 3, Shanchiao Rd.,Yuanlin Changhua 51003, Taiwan,R.O.C. ABSTRACT In this study, a thin aluminum nitrid
5、e (AlN) film was prepared on various sensing structures (e.g., AlNX/ITO glass, AlNX/Si and AlNX/SiO2/Si) by r.f. sputtering technology. The sputtering pressure was set at 10 mTorr, and the substrate temperatures were maintained at 50 oC, 100 oC, and 150 oC, respectively. Afterwards, a field-emission
6、 scanning electron microscope (FE-SEM) was utilized to analyze the surface structure of the AlNX film. The ionophores were immobilized on the AlNX surface and the chlorine ion sensor finished. Moreover, the sensor devices were immersed in concentrations between 1 mol/L and 10-5 mol/L of KCl, NaCl an
7、d LiCl buffer solutions, respectively. The sensing-characteristic curves were measured and monitored with a semiconductor parameter analyzer (I-V measurement, keithley 4200). The experimental results revealed that the grain size of 科學與工程技術期刊 第四卷 第一期 民國九十七科學與工程技術期刊 第四卷 第一期 民國九十七 74 the AlNX film was
8、about 100150 nm; moreover, the chlorine ion sensitivities were 121.48 mV/pCl, 143.02 mV/pCl and 168.72 mV/pCl for KCl, NaCl and LiCl solutions, respectively. This sensitivity response is fairly linear, the linear regression being close to 1. Key Words: r.f. sputtering, AlN, ITO glass, FE-SEM, chlori
9、ne ion 一、前言一、前言 氮化鋁為 III/V 之材，亦係一種人工陶瓷材，為方晶系之纖鋅礦型（hexagonal wurtzite）結構，其氮原子及鋁原子之間主要係以共價鍵結合 ， 由四面體配置之強共價鍵所構成，且氮化鋁之能隙（energy band gap） （約為 6.2 eV）為 III/V 族半導體中能隙最高 15，且為無色而透光、高熱傳導 6、高硬、抗高溫、抗化學腐蝕 12、壓電性質 10 以及生物親合性等特性之材 11。由於氮化鋁擁有與 Si 相近之熱膨脹係，因此被認定為 IC 封裝之最佳材，故目前大多應用於散熱體、電子陶瓷基板、電子元件封裝材與表面聲波 6。 本研究係用射頻
10、濺鍍法備製氮化鋁薄膜於 ITO 玻璃、矽及二氧化矽/矽三種同基板上，並分別對基板加溫50oC、100oC 及 150oC 以探討於同溫沉積氮化鋁薄膜之表面結構 。 同時亦將氮化鋁薄膜應用於延伸式閘極場效電晶體（extended-gate field-effect transistor, EGFET）14 結構，並於此結構上備製一層子選擇物 ， 以形成氮化鋁氯子感測元件。就子選擇物（ionophores）而言，其大多屬於冠醚，而其與屬子接合之選擇性受環大小、種原子種、種原子目、環上種原子之平面性對稱性、子之電荷及溶劑之作用等因素影響 5, 9。為製造具有實用價值之氯子感測器 ， 如何將辨物質適當
11、地固定於感測膜中且附著於換能器上係十分重要 ， 此過程稱為固定化技術 ， 可 大 致 分 為 吸 附 （ adsorption ）、 微 包 覆（encapsulation） 、包埋 （entrapment） 、交 （cross-linking） 、共價鍵結（covalent bonding）等五種 3, 4，如圖 1 所示。以上五大之固定化技術，可分為物性與化學性二種，化學性固定化方式之優點係辨物質與載體（carrier）間形成非常強韌之化學鍵結 ， 但其缺點則係固定步驟相當繁瑣且昂貴。另一物性之固定化方式則是較為簡單方，但於固定化過程中，因辨物質與載體間無形成共價鍵結，故發生辨物質失之問題
12、，各種固定化方式皆有其優缺點，可互相搭配取其最佳態 。 本研究係用高分子聚合物聚氯乙烯（polymer vinyl chloride, PVC）包埋氯子選擇物，聚氯乙 圖圖 1. 固定化方式固定化方式 (a) 吸附；吸附；(b) 微包覆；微包覆；(c) 包埋；包埋； (d) 交；交；(e) 共價鍵結共價鍵結 烯與聚乙烯（polymer ethylene, PE）最大之同處在於聚氯乙烯存在氯原子，可增加鏈結間之吸附，故感測膜之硬與勁較佳。 而延伸式閘極場效電晶體結構為針對子感測場效電晶體（ion-sensitive field-effect transistors, ISFET）7 之缺點進改，
13、其中 ISFET 元件最早係由 P. Bergveld 於 1970 提出，其為電化學與微電子學相結合之產物，其具有子選擇電極之功能，又具有場效電晶體之特性，係與傳統子選擇電極截然同之新型子感測元件 2，而其為將傳統氧半場效電晶體（MOSFET）之屬閘極去除後，以 SiO2絕緣層作為感測膜。而由 J. Van Der Spiegel 等人於 1983 提出之 EGFET 結構 14，則將 MOSFET 之屬閘極保，並將感測區域自 MOSFET 之閘極分，二者之間藉由一導線接，以減少非想效應對元件之影響，如溫效應與光效應等。本研究係將氮化鋁薄膜沉積於 ITO 玻璃、矽及二氧化矽/矽三種同基板作為
14、感測元件，以探討氮化鋁薄膜之表面結構及其應用於延伸式閘極場效電晶體感測膜之特性分析。 二、研究方法二、研究方法 （一）氮化鋁薄膜之備製（一）氮化鋁薄膜之備製 本研究係用射頻濺鍍方式 ， 分別備製氮化鋁薄膜於氧江榮、黃安：氮化鋁薄膜表面結構及感測特性之研究江榮、黃安：氮化鋁薄膜表面結構及感測特性之研究 75 化銦錫玻璃、矽及二氧化矽/矽三種同基板上。其濺鍍靶材為鋁靶，通入氬氣（Ar）及氮氣（N2）比為 3:1，濺鍍功 80W，濺鍍工作壓為 10 mTorr 之環境下以基板溫 50C 沉積氮化鋁薄膜於氧化銦錫玻璃、矽及二氧化矽/矽基板上，此外亦分別以 100C 及 150C 之基板溫沉積薄膜於上述
15、三種基板上，以形成 AlNX/ITO Glass、AlNX/Si及 AlNX/SiO2/Si 之結構，其備製氮化鋁薄膜之條件如表 1所示 。 備製完成之氮化鋁薄膜用場發射掃描式電子顯微鏡（field-emission scanning electron microscope, FE-SEM） 觀察其表面結構形態。 （二）子選擇膜之備製（二）子選擇膜之備製 本研究氯子感測膜之備製方式係用聚氯乙烯（polymer vinyl chloride, PVC） 、癸二酸二辛酯（bis（2-ethylhexyl） sebacate, DOS） 、 四氫夫喃 （tetra hydro furan, THF
16、）、 汞 有 機 子 載 體 （ (u-(4,5-dim-ethyl-3,6-bis (dodecyloxy)-1,2-phenylene)bis (mercury chloride), ETH9033）與陰子交換劑（tridodecylmethy-lammonium chloride, TDDMACl）1, 8, 13 等材依重百分比 PVC : DOS : ETH9033 : TDDMACl = 33 : 66 : 2 : 10 之比進氯子感測膜之調配。其整體備製程如圖 2 所示。 （三）實驗架構（三）實驗架構 本研究係用射頻濺鍍系統備製 AlN 薄膜於 ITO 玻璃、矽及二氧化矽/矽三種同基板，以形成 AlNX/ITO Glass、A
