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研究生： 鄧至敦
Chih-tun Teng
論文名稱： 應用無電鍍鎳於矽奈米線成長之研究
The growth of silicon nanowire by Electroless Deposition and SLS mechanism
指導教授： 周賢鎧
Shyan-kay Jou
口試委員: 黃柏仁
Bohr-Ran Huang
胡毅
Hu, Yi
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 材料科學與工程系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 79
中文關鍵詞： 矽奈米線 、無電鍍鎳
外文關鍵詞： Silicon nanowires, Electroless Deposition ELD
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    • 本論文研究的內容分成四個部分。第一個部分是在矽基材上製備鎳金屬觸媒，利用無電解鍍鎳法先在基材上鍍上一層鎳的薄膜，以利使用SLS機制成長矽奈米線。
    第二部分為藉由熱退火處理的機制，在高溫爐管中進行熱處理，以不同之溫度之方式來成長矽奈米線。實驗發現在1100℃，60分鐘之條件下可得線徑均勻的矽奈米線，且此溫度下可得到最多的矽奈米線數量。
    第三個部分則是在成長矽奈米線結構後，利用輕氧化方式，使矽奈米線中的矽原子局部氧化，產生氧缺陷效應結果，以650℃、10分鐘進行氧化的矽奈米線，其PL特性可以較未氧化前PL強度增加約4倍。
    第四個部分使用1100℃生長出的矽奈米線經由650℃之輕氧化後，使用濺鍍機在矽奈米線面鍍上ITO，背面則鍍上鋁形成歐姆接觸，並量測電激發光之特性

    Abstract
    In this thesis, the study is divided into four parts. The first part of study is on electroless deposition (ELD) of nickel film on silicon substrate. and then used SLS mechanism to grow SiNWS.
    The second part of study focuses on anneal of nickel-coated silicon substrate in a furnace. The growth of silicon nanowires were conducted at various temperatures. As a result ,SiNW uniform diameter and high density were generated at 1100℃ .
    The third part of study used mils oxidation of SiNWS to promote quantum confinement effect. SiNW oxidized at 650℃ for 10 minutes enhanced photoluminesce ( PL ) intensity about 4 times compared to the as grow counterpart.
    The final part of study focuses on electroluminescene ( EL ) of SiNW . Then was grow at 1100℃ for 60 minutes followed by oxidation at 650℃ for 10 minutes.

    目錄 中文摘要…………………………………………………………………I 英文摘要………………………………………………………………II 致謝……………………………………………………………………III 目錄……………………………………………………………………IV 圖目錄…………………………………………………………………IX 表目錄…………………………………………………………………XII 第一章 前言……………………………………………………………1 第二章 原理及文獻回顧………………………………………………3 2.1 矽奈米線結構製作原理及機制…………………………………3 2.1.1 氣液固成長機制（Vapor-Liquid-Solid mechanism VLS）…3 A.化學氣相沉積法…………………………………………………4 B. 雷射熔融法……………………………………………………5 2.1.2 氧化物輔助機制（Oxide-assisted mechanism , OAG）………6 2.1.3 固液固成長機制（Solid-Liquid-solid mechanism , SLS）…………………………………………………………7 2.2 無電解鍍鎳………………………………………………………...9 2.2.1 原理……………………………………………………………..9 2.2.2 化學鍍鎳反應機制……………………………………………10 A.電雙層機制……………………………………………………..10 B.電子穿隧機制…………………………………………………..10 2.2.3 氧化製程………………………………………………………12 2.2.4 矽奈米線之光致發光特性……………………………………15 第三章 實驗步驟及材料設備說明……………………………………17 3.1 實驗設備及材料一覽…………………………………………….17 3.2 晶片清洗流程…………………………………………………….20 3.2.1 矽晶片清洗法…………………………………………………21 3.2.2 RCA1: Particle 去除的機制…………………………………22 3.2.3 RCA2: Metal contamination 去除的機制……………………..23 3.2.4 DHF: (Native) oxide 去除的機制……………………………..23 3.3 QDR清洗原理……………………………………………………24 3.4 晶片化學鍍鎳…………………………………………………….25 3.4.1 表面活化及金屬化……………………………………………25 3.5 晶片熱處理製程…………………………………………………28 3.5.1 高溫爐…………………………………………………………29 3.6 磁控式濺鍍機…………………………………………………….30 3.7 實驗分析鑑定……………………………………………………32 3.7.1 X-光螢光分析儀 (X-ray Fluorescence Spectrometer)………..32 3.7.2 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM)…33 3.7.3穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)...33 3.7.4 X光能譜分析儀(Engery Dispersive X-ray Spectrometer , EDX)……………………………………………………………34 3.7.5 光激發螢光光譜（Photoluminescence , PL）…………………34 3.7.6 電激發光(Electroluminescent , EL)…………………………….35 第四章 結果與討論……………………………………………………37 4.1 鎳製備條件說明及沉積速率及膜厚、均勻性…………………37 4.1.1 溫度效應………………………………………………………38 4.1.2 次亞磷酸鈉濃度………………………………………………39 4.1.3 氯化鎳濃度影響………………………………………………39 4.2 矽奈米線之光電特性……………………………………………42 4.2.1 矽奈米線之PL特性………………………………………….50 4.2.2 矽奈米線之EL特性…………………………………………54 4.2.3 矽奈米線之TEM及EDX分析………………………………...55 五、結論與未來研究方向………………………………………………60 參考文獻………………………………………………………………..61 圖目錄 圖 2.1 氣液固成長機制………………………………………………..4 圖2.2 雷射熔融法系統………………………………………………….5 圖2.3氧化物輔助機制……………………………………………6 圖2.4 固液固成長機制…………………………………………………8 圖2.5 化學鍍鎳磷鍍液反應圖………………………………………..11 圖 2.6 乾濕氧化速率圖……………………………………………….14 圖3.1 實驗流程圖……………………………………………………..19 圖3.2 晶片清洗流程…………………………………………………..20 圖3.3微粒子脫離或吸附矽晶片表面示意圖………………………..22 圖3.4 QDR-Quick Dump Rinsing……………………………………..24 圖3.5表面活化及金屬化流程圖………………………………………26 圖3.6 化學鍍鎳台簡圖……………………………………………….27 圖 3.7 熱處理程式設定條件………………………………………….28 圖3.8 高溫擴散爐管示意圖………………………………………..…29 圖3.9 濺鍍機示意圖…………………………………………………..30 圖3.10 矽奈米線EL發光元件結構示意圖……………………………36 圖4.1 溫度對鎳鍍膜速率的效應……………………………………..38 圖4.2 次亞磷酸鈉濃度對鎳鍍膜速率的效應………………………..39 圖4.3 氯化鎳濃度對鎳鍍膜速率的效應…………………………….40 圖4.4 在不同溫度下、1050℃、1100℃下進行熱退火製程以成長矽奈米線之結果……………………………………………………………47 圖4.5 以1100℃成長之矽奈米線使用650℃進行輕氧化後之結果….48 圖4.6 未氧化之各溫度下成長之矽奈米線PL特性圖………………..50 圖4.7 1000℃下成長之矽奈米線之輕氧化PL特性圖………………...53 圖4.8 1050℃下成長之矽奈米線之輕氧化PL特性圖………………53 圖4.9 1100℃下成長之矽奈米線之輕氧化PL特性圖…………………54 圖4.10 1100℃、未輕氧化的矽奈米線之TEM圖，(a) 中圓圈標記處為電子繞射位置…………………………………………………………56 圖4.11 1100℃、未輕氧化的矽奈米線之繞射圖……………………56 圖4.12 1100℃、未輕氧化的矽奈米線之EDX分析圖………………57 圖4.13 1100℃、650℃輕氧化的矽奈米線之TEM圖，(a) 中圓圈標記處為電子繞射位置……………………………………………………58 圖4.14 1100℃、650℃輕氧化的矽奈米線之繞射圖形………………58 圖4.15 1100℃、650℃輕氧化的矽奈米線之EDX分析圖……………59 表目錄 表 3.1 實驗設備及材料一覽表………………………………………17 表3.2 實驗設備表……………………………………………….……..18 表3.3清洗溶液配方……………………………………………………21 表4.1 鍍膜條件………………………………………………………..37 表4.2 百格測試等級評分表…………………………………………..41 表4.3 不同條件下之百格測試等級結果……………………………..41 表4.4 鍍鎳金屬液成分配比及條件表………………………………..42 表4.5 矽奈米線成長溫度條件表……………………………………..42 表4.6 各溫度下矽奈米線成長直徑表……………………………….44 表4.7 輕氧化條件表…………………………………………………..49 表4.8 矽奈米線氧化前後之PL特性強度比較表…………………….52

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