Summary
פרמטרים של אנוזציה לצמיחה של שכבת אלומיניום תחמוצת מדידות של אבץ-תחמוצת הסרט דק טרנזיסטורים (TFTs תרי) הם מגוונים כדי לקבוע את ההשפעות על התגובות פרמטרים חשמליים. ניתוח השונות (ANOVA) מוחל על עיצוב מפלקט-בורטמן של ניסויים (DOE) כדי לקבוע את תנאי הייצור שיגרמו לביצועי המכשיר הממוטב.
Abstract
אלומיניום-תחמוצת (אל2O3) הוא עלות נמוכה, בקלות מעבד מדידות גבוהה מתמדת חומר בידוד המתאים במיוחד לשימוש כמו שכבת מדידות של סרט דק טרנזיסטורים (tfts תרי). צמיחה של שכבות אלומיניום-תחמוצת מאנוזציה של סרטי אלומיניום מתכתי הוא יתרון מאוד כאשר לעומת תהליכים מתוחכמים כגון עדות שכבה אטומית (אלד) או שיטות התצהיר הדורשות טמפרטורות גבוהות יחסית (מעל 300 ° c) כגון בעירה מימית או תרסיס פירוליזה. עם זאת, תכונות החשמל של טרנזיסטורים הם תלויים מאוד בנוכחות של פגמים ומדינות מקומי בממשק מוליך למחצה/מדידות, אשר מושפעים מאוד על ידי הפרמטרים הייצור של שכבת האלומיניום. כדי לקבוע כיצד מספר פרמטרים הייצור להשפיע על ביצועי המכשיר מבלי לבצע את כל השילוב האפשרי של גורמים, השתמשנו בניתוח עצרת מופחת המבוסס על עיצוב מפלקט-Burman של ניסויים (DOE). הבחירה של DOE זו מאפשרת את השימוש רק 12 מסלולים ניסיוניים של שילובים של גורמים (במקום כל 256 האפשרויות) כדי להשיג את ביצועי המכשיר אופטימיזציה. דירוג הגורמים על-ידי ההשפעה על תגובות להתקן כגון ניידות TFT אפשרי על-ידי החלת ניתוח השונות (ANOVA) לתוצאות שהתקבלו.
Introduction
אלקטרוניקה גמישה, מודפסת ובעלת שטח גדול, מייצגת שוק מתעורר הצפוי למשוך מיליארדי דולרים בהשקעות בשנים הקרובות. כדי להשיג את דרישות החומרה עבור הדור החדש של טלפונים חכמים, צגים שטוחים והתקנים לאינטרנט (הרבה), יש דרישה עצומה לחומרים קלים, גמישים עם מסירת אופטית בספקטרום גלוי מבלי להתפשר על מהירות וביצועים גבוהים. נקודת מפתח היא למצוא חלופות סיליקון אמורפיים (א-סי) כמו החומר הפעיל של טרנזיסטורים הסרט הדק (TFTs תרי) המשמשים את מעגלי הכונן של רוב הצגים הפעילים מטריצה הנוכחית (AMDs). a-Si יש תאימות נמוכה מצעים גמישים ושקופים, מציג מגבלות על עיבוד שטח גדול, ויש לו ניידות הספק של כ 1 ס"מ2∙ V-1∙ s-1, אשר אינו יכול לענות על הצרכים של רזולוציה וקצב רענון עבור מציג הדור הבא. וליכים מתכת תחמוצות (smos) כמו תחמוצת אבץ (zno)1,2,3, האינדיום תחמוצת אבץ (עיזו)4,5 ו-אינדיום תחמוצות אבץ תחמוצת (igzo)6,7 הם מועמדים טובים להחליף א-סי כמו שכבת הפעיל של בתרי כי הם שקופים מאוד בספקטרום גלוי, תואמים מצעים גמישים ובשטח גדול התצהיר ניתן להשיג mobilities גבוה ככל 80 ס"מ2∙ V-1∙ s-1 יתר על כן, SMOs יכול להיות מעובד במגוון של שיטות: התזה RF6 , לייזר פעמו התצהיר (pld)8, כימית ההצהרה התצהיר (cvd)9, שכבה אטומית תצהיר (אלד)10, ספין ציפוי11, דיו-סילון הדפסה12 ו ספריי פירוליזה13.
עם זאת, כמה אתגרים כגון השליטה של פגמים פנימיים, אוויר/UV מגורה היווצרות והקמת ממשק מוליך למחצה/דיאלקטרי מקומי עדיין צריך להיות להתגבר כדי לאפשר ייצור בקנה מידה גדול של מעגלים המורכב מבוססי SMO. בין המאפיינים הרצויים של ביצועים גבוהים tfts אחד יכול להזכיר את צריכת החשמל נמוכה, מתח המבצע נמוך, דליפת שער נמוכה הנוכחי, יציבות מתח הסף הפעולה תדירות הרצועה, אשר תלויים מאוד על השער דיאלקטרים אלקטרוניקה (ואת ממשק מוליך למחצה/בידוד). במובן זה, high-κ חומרים מדידות14,15,16 הם מעניינים במיוחד מאז הם מספקים ערכים גדולים של קיבוליות לכל אזור היחידה וזרמים דליפה נמוכה באמצעות סרטים דקים יחסית. אלומיניום אוקסיד (אל2O3) הוא חומר מבטיח עבור שכבת מדידות TFT מאז הוא מציג קבוע מדידות גבוהה (מ 8 עד 12), חוזק מדידות גבוהה, גבוהה משקעי חשמל, יציבות תרמית גבוהה ניתן לעבד כמו סרטים דקים מאוד ואחיד על ידי מספר שונים התצהיר/צמיחה טכניקות15,17,18,19,20,21. בנוסף, אלומיניום הוא המרכיב השלישי ביותר בשפע בקרום כדור הארץ, מה שאומר שזה זמין בקלות יחסית זול בהשוואה לאלמנטים אחרים המשמשים להפקת גבוהה-k dielectrics.
למרות התצהיר/צמיחה של אל2O3 דק (מתחת 100 nm) הסרטים ניתן להשיג בהצלחה על ידי טכניקות כגון RF מגנטרון התזה, שכבת האטום לתצהיר (cvd), בתצהיר שכבה אטומית (אלד), הצמיחה על ידי אנוזציה של שכבה מתכתי דקה17,18,21,22,23,24,25,26 מעניין במיוחד עבור אלקטרוניקה גמישה בשל פשטותו, עלות נמוכה, טמפרטורה נמוכה, ובקרת עובי הסרט בקנה מידה של ננו. בנוסף, לאנוזציה יש פוטנציאל גדול עבור עיבוד רול אל רול (R2R), אשר ניתן להתאים בקלות מתוך טכניקות עיבוד כבר בשימוש ברמה התעשייתית, המתיר ייצור מהיר שינוי גודל.
ניתן לתאר את הצמיחה של אל2או3 על-ידי אנוזציה של אל מתכתי על-ידי המשוואות הבאות
2אל + 3/2 02 → אל2O3 (1)
2אל + 3h2o → אל2o3 + 3h2 (2)
כאשר החמצן מסופק על ידי חמצן מומס בתמיסה האלקטרוליט או על ידי מולקולות נספחת על פני הסרט, בעוד מולקולות המים זמינים מייד מהפתרון האלקטרוליט. החספוס הסרט (אשר משפיע על הניידות TFT בשל פיזור הספק בממשק מוליך למחצה/דיאלקטרי) ואת צפיפות המדינות המותאמות לשפות אחרות בממשק מוליך למחצה/דיאלקטרי (אשר משפיע על מתח הסף TFT והיסטרזיס חשמלי) תלויים מאוד בפרמטרים של תהליך אנוזציה, לשם מספר: תוכן24המים, הטמפרטורהו-pH27של גורמים אחרים הקשורים שכבה אל התצהיר (כמו שיעור האידוי ועובי מתכת) או לפוסט-אנוזציה תהליכים (כמו ריפוי) יכול גם להשפיע על ביצועי החשמל של מתכות מפוברק. ההשפעה של גורמים אלה מרובים על פרמטרים התגובה ניתן ללמוד על ידי שינוי כל גורם בנפרד תוך שמירה על כל הגורמים האחרים קבוע, שהיא משימה מאוד גוזלת זמן ובלתי יעיל. עיצוב של ניסויים (DOE), מצד שני, היא שיטה סטטיסטית המבוססת על וריאציה בו של פרמטרים מרובים, אשר מאפשר זיהוי של הגורמים המשמעותיים ביותר על תגובת מערכת/התקן ביצועים באמצעות מספר מופחת יחסית של ניסויים28.
לאחרונה, השתמשנו בניתוח מרובה משתנים על בסיס פלקט-Burman29 DOE כדי לנתח את ההשפעות של אל2O3 הפרמטרים של אנוזציה על הביצועים של בורסות zno בתרי18. התוצאות שימשו כדי למצוא את הגורמים המשמעותיים ביותר עבור מספר פרמטרי תגובה שונים ולהחיל אופטימיזציה של ביצועי המכשיר שינוי רק פרמטרים הקשורים לתהליך האנוזציה של הרובד הדיאלקטרי.
העבודה הנוכחית מציגה את הפרוטוקול כולו לייצור מבוכי באמצעות האלומיניום2O3 סרטים כמו השער dielectrics אלקטרוניקה, כמו גם תיאור מפורט לחקר ההשפעה של פרמטרים מרובים אנוזציה על ביצועי המכשיר החשמלי באמצעות מפלקט-burman DOE. משמעות ההשפעות על פרמטרי התגובה של TFT כגון ניידות הספק נקבעת על-ידי ביצוע ניתוח השונות (ANOVA) לתוצאות שהתקבלו מהניסויים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הפרוטוקול המתואר בעבודה הנוכחית מופרד לתוך: i) הכנת הפתרון האלקטרוליטי לאנוזציה; ii) ניקוי והכנה למצע; iii) תהליך האנוזציה; iv) הפקדת השכבה הפעילה TFT/מקור אלקטרודות; v) היישום של האפיון החשמלי והניתוח ו-vi של ANOVA כדי לקבוע את משמעותם של גורמי הייצור בניידות של TFT.
1. הכנת התמיסה האלקטרוטית לאנוזציה
- בצע את כל ההליכים של הפרוטוקול בתוך חדר נקי או ארון זרימה למינארי, כדי למנוע אבק או מזהמים במהלך ההכנה לדוגמה.
- הכינו שני פתרונות של חומצה טרטרית (0.1 M) ביחס אמצעי האחסון של מים/אתילן גליקול (16% ו -30%), שישמשו כפתרון להאלזציה אלקטרוטית. השתמש בתכולת המים בתמיסה האלקטרוטית כפרמטר הייצור של שכבת האלומיניום.
- בגביע 150 mL, לפזר 1.5 g של חומצה טרטרית ל 16 מ ל של מים מומלים ו 84 mL של אתילן גליקול כדי להשיג 16% מניות אלקטרוליט המים פתרון. עבור 30% אלקטרוליט המים פתרון מלאי, השתמש 1.5 g של חומצה טרטרית, 30 מ ל של מים מומלים ו 70 mL של אתילן גליקול. מערבבים את שני הפתרונות בעזרת סרגל מגנטי במשך 30 דקות.
- הפרד כ 10-20 מ ל של אמוניום הידרוקסיד (NH4הו) פתרון (כפי שנרכש, 28 – 30% nh3 ב נפח) בגביע 20 מ ל כדי להפוך את ההתאמה הגסה של ה-pH של הפתרון אלקטרוליטי.
- הכינו 80 mL של פתרון מדולל (כ 2% בכרך) מן NH4הו פתרון המקורי כדי להפוך את השליטה העדינה של ה-pH של הפתרון אלקטרוליטי.
- הפרד את התמיסה באלקטרוליט לתוך גביע 150 mL כדי לכוונן את ה-pH של הפתרון.
- למדוד את ה-pH של הפתרון אלקטרוליטי באמצעות מד pH ספסל. התחל ללטף את NH מרוכז יותר4הו עד ph הוא קרוב ph הרצוי (5 או 6).
- פיפטה יותר מדולל NH4או פתרון לתוך הפתרון אלקטרוליטי עד ה-pH נקבע בערך הרצוי. הכינו את פתרונות האלקטרוליט בערכי ה-pH של 5 ו-6 כדי ללמוד את ההשפעה על תהליך האנוזציה.
2. ניקוי והכנת מצע
- השתמש 20 מ"מ x 25 מ"מ שקופיות זכוכית (1.1 מ"מ עבה) כמו מצעים.
- Sonicate את שקופיות הזכוכית בתמיסה מחוממת (60 ° c) (5% במים מ) במשך 15 דקות. לשטוף בשפע במים מוכי יבש באוויר יבש נקי (CDA) או חנקן.
- Sonicate את הזכוכית שקופיות אצטון (כיתה הכימית ACS או מעולה) עבור 5 דקות. יבש את מצעים ב CDA או חנקן.
- Sonicate את שקופיות הזכוכית של איזופנול (כיתה או מעולה) עבור 5 דקות. יבש את מצעים ב CDA או חנקן.
- הכנס את מצעים לתוך החדר של מנקה פלזמה, לסגור את המכסה ולפנות את החדר באמצעות משאבת ואקום.
- כאשר הוואקום מושגת, להפעיל את מחולל RF בעוצמה בינונית (10.5 W) עבור 5 דקות. לאחר ניקוי פלזמה, הסובסטרטים מוכנים לתצהיר של שער האלומיניום.
3. אלומיניום הדלת האידוי האלקטרודה
- הכנס את שקופיות הזכוכית לתוך מסכות צל מכני כדי להפקיד פס אלומיניום של 25 x 3 מ"מ. פס אלומיניום זה ישמש כאלקטרודה השער TFT ואת שכבת תחמוצת האלומיניום שנוצר על ידי אנוזציה תהיה שכבת מדידות TFT. דוגמה לעיצוב מסיכת צל עבור האלקטרודה של השער מוצגת בקבצים המשלימים.
- מניחים את הסובסטרציה עם מסיכת הצל שבתוך החדר של תא המיאדות התרמי לתצהיר שכבת האלומיניום. . סגור את החדר . התחל את תהליך פינוי החדר המתן עד לחץ החדר הוא מתחת 2.0 x 10-6 mbar להתחיל את האידוי תרמית.
- להפקיד את שכבת האלומיניום. השתמש בשני עוביים שונים (60 nm ו-200 nm) כדי להעריך את ההשפעה על הרובד הדיאלקטרי. השתמש בשני שיעורי אידוי שונים 5 Å/s ו-15 Å/s כדי ללמוד את ההשפעה של שיעור האידוי אל.
- להסיר את הדגימות מן התא אידוי לאחר אידוי אלומיניום.
- הסר את שקופיות הזכוכית בעזרת פס האלומיניום ממסיכות ובדוק אם שכבת האלומיניום הופקדה כראוי. האלקטרודה מוכנה לתהליך האנוזציה.
4. תהליך השאילזציה של שכבת האלומיניום
- לצרף שני מחברים תנין קליפ במכסה פלסטיק המתאים על גבי הגביע. מכסה זה יכול להיות תלת-ממדי מודפס.
- חבר אחד ממחברי הקליפ לרצועת האלומיניום של שקופית זכוכית והשני לגיליון נירוסטה מצופה זהב (0.8 מ"מ עובי, 20 x 25 מ"מ). הפנים שתי האלקטרודות כלפי השני עם מרחק הפרדה של כ 2 ס מ.
- השתמש כ 150 mL של הפתרון אלקטרוליטי (לאחר התאמת pH) בספל 150 mL. השתמש בסרגל מגנטי קטן כדי לערבב את הפתרון במהלך ההליך האנוזציה.
- מניחים את הגביע על גבי מערבב מגנטי עם חימום. התאימו את הטמפרטורה לערך הרצוי (40 ° c ו-60 ° צ' שימשו בנייר הנוכחי).
- הישאב את האלקטרודות בתמיסה האלקטרוטית על-ידי כיסוי הגביע עם מכסה הפלסטיק המצורף למחברי הקליפ.
- לחבר את האלקטרודות אלומיניום לפלט חיובי האלקטרודות מצופה זהב פלדת אל-חלד לפלט שלילי של מקור נוכחי/מתח ויחידת מדידה (אוניברסיטת).
- לחשב את האזור שקוע של האלקטרודה אלומיניום ולהחיל קבוע שווה ערך לצפיפות הנוכחית הרצויה (השתמשנו בשני ערכים 0.45 mA/cm2 ו 0.65 mA/cm2) ו לנטר את העלייה הליניארית של המתח עד הערך הסופי מראש (השתמשנו vf = 30 v ו- vf = 40 v).
- לאחר השגת המתח הסופי, העבר את ה-אוניברסיטת מהמקור הנוכחי למקור המתח והחל מתח קבוע (שווה למתח הסופי) במשך זמן מספיק זמן עד לירידה הנוכחית ליד אפס (כ-5 דקות). השתמש ב-script 2.7 פייתון כדי לשלוט באופן אוטומטי אוניברסיטת במהלך תהליך של אנוזציה. עותק של קובץ script זה זמין במקטע הקבצים המשלימים.
- להסיר את האלקטרודות מהפתרון אלקטרוליטי, לשטוף בשפע עם מים מפועמים, יבש עם CDA או חנקן ולאחסן את אל/Al2O3 מצעים זכוכית עד השימוש.
- כדי להתבונן בהשפעה של הריפוי על הרובד הדיאלקטרי, יש לספח את המצעים בתנור ב-150 מעלות צלזיוס עבור 1 h.
5. הפקדת השכבה הפעילה של ZnO
- הכנס את מצעים עם שכבת תחמוצת האלומיניום מסכות צל מכני המתאים לעדות שכבה פעילה.
- מניחים את מצעים עם מסכות בתוך החדר של מערכת התזה. השתמש ב-ZnO (99.9%) . מטרה התזה סגרו את החדר והתחילו את תהליך הפינוי.
- להתאים את הלחץ Ar כדי 1.2 x 10-2 Torr ואת הכוח RF כדי 75 W ולהתחיל את התצהיר zno. שלוט בקצב התצהיר ב-0.5 Å/s. לעצור את התצהיר ZnO כאשר עובי השכבה הפעילה משיגה 40 ננומטר.
- פתח את התא והסר את הדגימות.
6. ניקוז ומקור אלקטרודות התצהיר
- הכנס את הדגימות עם שכבת ZnO בתוך מסיכות צל מכני המתאים עבור מקור TFT/אלקטרודות לניקוז המקור. ניקוז המתאים מרווח אלקטרודה מקור הוא 100 μm, עם חפיפה לרוחב של 5 מ"מ. תבנית של עיצוב מסיכת ניקוז/מקור מסופקת עם הקבצים המשלימים. בתצורה כזו, שימו לב כי גם אלקטרודות ניקוז ומקור זהים וניתן להחלפה ללא שינוי בפעולת ההתקן.
- מניחים את הדגימות המצורפת מסכות הצל בתוך החדר של מערכת האידוי תרמית ולהתחיל את ההליך אידוי אלומיניום.
- הפקדת שכבה 100 ננומטר על שיעור התצהיר של 5 Å/s כדי לקבל את לנקז/מקור אלקטרודות על גבי השכבה הפעילה, לסיים את ההליך ייצור TFT.
- הסירו את הקרעים מחדר האידוי, בדקו את האיכות של האלקטרודות ההופקדו ואחסנו אותם מוגנים מפני האור עד השימוש.
7. מאפיון חשמלי TFT
- מניחים את הקרעים בתחנת בדיקה מוליך למחצה או בעל מדגם מותאם אישית. חבר את השער, אלקטרודות ניקוז ומקור באמצעות מחברי בדיקת האביב עבור מגעים חשמליים.
- חבר את הגששים ליחידת מדידת מקור של שני ערוצים (מומלץ Keithley 2612B או דומה). לחבר אלקטרודה השער לתוך "גבוה" פלט/קלט של ערוץ 1 ואת ניקוז (או מקור) האלקטרודה "גבוה" פלט/קלט של ערוץ 2. קצר את "נמוך" פלט/מסופי קלט של שני הערוצים המקור (או ניקוז) האלקטרודה, אשר נשאר מנותק.
- השג עקומות מאפיין של TFT. להשיג את עקומת הפלט על ידי החלת הטיה מתח קבוע על השער (Vg) ולטאטא את המתח מקור ניקוז (vDS) והקלטה מקור ניקוז הנוכחי (אניDS). השג את עקומת ההעברה על-ידי הקלטת הזרם של מקור הניקוז (IDS) תוך כדי ניקוי מתח השער (vg) ושמירה על קבוע מקור בריחת מתח (vds).
- מתווה את השורש הריבועי של ניקוז זרם לעומת מתח השער ((IDS)1/2 vs. Vg) ולקבל את ניידות המנשא במשטר הרוויה (μs) משיפוע העקומה ואת מתח הסף מנקודת החיתוך של ציר ה-x של החלק הליניארי של העקומה.
- במקרה הרצוי, קבעו פרמטרי ביצועים אחרים מהעקומות הטרנזיסטורים כמתואר במקום אחר18.
8. ANOVA והשפעה של גורמי עיצוב על ביצועי המכשיר
- השתמש בתוכנה כדי לקבוע עיצוב של ניסוי (DOE) מבוסס על מטריצה Placket-burman בהתחשב 8 גורמי ייצור. השתמשנו כימופני, שהיא תוכנה חופשית, ידידותי למשתמש שפותחה על ידי אוניברסיטת לאבנט (UFLA), ברזיל30.
- השתמש בתור גורמים לפרמטרי האנוזציה: i) העובי של שכבת אל; ii) שיעור האידוי אל; iii) תכולת המים בתמיסה האלקטרוטית; iv) הטמפרטורה של האלקטרוליט; v) ה-pH של התמיסה האלקטרוטית; vi) הצפיפות הנוכחית בתקופת האנוזציה; vii) הטמפרטורה הסופית של האנוזציה.
- עבור כל גורם, שקול שתי רמות, כפי שניתן על ידי טבלה 1.
- הכנס את שולחן העיצוב של פלקט-בורמאן בעזרת תוכנת ה-DOE כפי שניתן על ידי שולחן 2.
- הכן את הקרעים שונים את הפרמטר של הייצור בהתאם ל-12 הרצפים שנוצרו מהטבלה 2. כל הפעלה מספקת וריאציה ייצוגית של גורמי הייצור ללא צורך לבצע את כל 256 (28) שילובים אפשריים עבור ניסוי בשתי רמות, שמונה פרמטרים.
- האכילו את טבלת ה-DOE מהתוכנה עם נתוני הביצועים מאפיון TFT (לדוגמה, ניידות TFT ברוויה) בעקבות כיווני הייצור של כל הפעלה.
- הוסיפו כמה שיותר משכפל ממכשירים שונים באמצעות אותם גורמי ייצור כדי להגדיל את מספר דרגות החופש לניתוח.
- לבצע ANOVA מתוך הנתונים ולנתח את הפלט כדי לקבוע אילו פרמטרים אלגון להשפיע על רוב ביצועי TFT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
שמונה הפרמטרים שונים תחמוצת האלומיניום שכבת שימשו כגורמי ייצור אשר השתמשנו כדי לנתח את ההשפעה על ביצועי TFT. גורמים אלה ממוספרים בטבלה 1, כאשר הערכים המתאימים "נמוך" ( -1) ו-"high" (+ 1) עבור ה-DOE של העצרת בעלת שני הרמות מוצגים.
עבור פשטות, כל גורם ייצור נקרא על ידי אות רישית (A, B, C, וכו ') ואת הרמה המתאימה "נמוך" או "גבוהה" המיוצגים על ידי -1 ו +1, בהתאמה. Placket-Burman DOE מטריקס בהתחשב בשמונה גורמים שונים בשתי רמות תוצאות 12 הניסויים ניסיוני, עם שילוב של רמות שניתנו על ידי שולחן 2.
כל לרוץ ניסיוני משולחן 2 מגדיר את תנאי הייצור המשמשים להפקת שכבת2O3 המשמש כשכבה מדידות של סט של טרנזיסטורים עם מאפיינים צפויים דומה. כל קבוצה של טרנזיסטורים היה חשמלית מאופיין על ידי פלט TFT ועקומות העברה. כדי להשיג את הניידות במשטר הרוויה של TFT, אנו משתמשים בקשר בין זרם הערוץ (ID) לבין מתח השער:
3
כאשר w הוא רוחב הערוץ, L, אורך הערוץ, ו- Ci, קיבוליות שכבה מרחבית לכל אזור יחידה. עקומת ההעברה עבור TFT שנבנתה בהתאם לפרמטרים של ייצור שניתנו על-ידי הפעלה #3 מטבלה 2 מוצגת באיור 1. ה-I D1/2vs. VG עקומת מתוארת גם באיור 1, המאפשר הערכה של הניידות TFT (μ) מתוך השיפוע של העקומה ואת מתח הסף (Vth) מן החילוץ של האזור הליניארי לציר האופקי.
הערכים עבור הניידות עבור כל טרנזיסטורים שנבנו על פי 12 מפעיל פרמטרים חושבו בטבלה ומשמש להאכיל קלט של ה-PB DOE התאספו באמצעות תוכנת ניתוח DOE/ANOVA (כימופני). עבור כל קבוצה של פרמטרים הייצור, 6 בתרי משוכפל נבנו, וכתוצאה מכך 72 התקנים. על ידי ביצוע ANOVA, ניתן לדרג את הגורמים המשמעותיים ביותר, אשר ניתן להתבטא באופן גרפי באמצעות תרשים Pareto של אפקטים כפי שמוצג באיור 2a. איור 2 מציג את התוצאות מהניתוח בהתחשב בניידות TFT כפרמטר התגובה. ניתוח דומה ניתן לבצע עבור פרמטרים שונים של תגובת התקן (הופעל/off יחס, Vth, וכו '). איור 2b מציג את רשימת האפקטים ואת משמעות הפקטור המתאימה. התוצאות מראות כי הגורם המשמעותי ביותר עבור ניידות TFT הוא מתח הסופי (H) המשמש בתהליך האנוזציה. המתח הסופי ביחס ישיר לעובי הרובד הדיאלקטרי. יחס הגדילה הוא כ 1.2 ננומטר/V, אשר תוצאות, למשל, בשכבה עבה 48 ננומטר בעת שימוש במתח הסופי של 40 V. גורמים משמעותיים נוספים היו (לפי הסדר הבא): שיעור האידוי אל (פקטור B), עובי שכבת אל (פקטור A), תכולת המים באלקטרוליט (פקטור C) ו-pH של האלקטרוליט (פקטור E). כמו-כן, נמצאו כל הגורמים המשמעותיים להיות "שליליים", כלומר, הניידות של TFT פוחתת כאשר הפקטור משתנה מהרמה "הנמוכה" ( -1) לרמה "גבוהה" (+ 1) שניתנה על-ידי טבלה 1. משמעות גורמי הייצור יכולה לשמש ככיוון להשגת ביצועים ממוטבים של TFT עבור פרמטר מסוים של תגובה (ניידות TFT, במקרה הנוכחי).
איור 1: עקומת העברה שהושגה מ-TFT שיוצרה בהתאם להפעלת #3. השיפוע של (IDS)1/2 לעומת VGמאפשר קביעת הניידות TFT והיירוט עם ציר ה-x, מתח הסף (Vth). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: (א) פרטו תרשים של אפקטים בניידות TFT. (ב) טבלת אפקטים ומשמעות פקטור מתאימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| גורמים | יחידה | ערך "נמוך" ( -1) | ערך "גבוה" (+ 1) | |||||||||
| קצת | עובי של אל-שכבה | nm | 60 | 200 | ||||||||
| B | שיעור אידוי | Å/s | מיכל 5 | 15 | ||||||||
| C | H2O תוכן | % | 16 | 30 | ||||||||
| D | טמפ האלקטרוליט | C | 40 | 60 | ||||||||
| E | pH של התמיסה האלקטרוטית | - | 6 | מיכל 5 | ||||||||
| F | צפיפות זרם | mA/cm2 | 0.45 | 0.65 | ||||||||
| G | ריפוי | C | אין טיפול תרמי | מ150 בג o | ||||||||
| H | מתח סופי | V | 30 | 40 | ||||||||
טבלה 1: הייצור פרמטרים של תחמוצת האלומיניום TFT מדידות שכבת. לכל גורם מקביל ערך "נמוך" ( -1) או "גבוה" (+ 1).
| הפעיל | קצת | B | C | D | E | F | G | H |
| 1 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין |
| 2 | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | 1 |
| 3 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | . אני לא מבין |
| 4 | 1 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 |
| מיכל 5 | 1 | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | 1 | . אני לא מבין | . אני לא מבין |
| 6 | . אני לא מבין | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 |
| 7 | 1 | 1 | 1 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | 1 | . אני לא מבין |
| 8 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | . אני לא מבין | 1 |
| 9 | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | 1 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין |
| 10 | 1 | 1 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | 1 | . אני לא מבין | 1 |
| 11 | . אני לא מבין | 1 | 1 | . אני לא מבין | 1 | 1 | 1 | . אני לא מבין |
| 12 | . אני לא מבין | 1 | 1 | 1 | . אני לא מבין | . אני לא מבין | . אני לא מבין | 1 |
שולחן 2: עיצוב מטריצת ניסוי-בורצ (PB)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
תהליך האנוזציה המשמש כדי להשיג את החומר הדיאלקטרי יש השפעה חזקה על הביצועים של הקרעים המציא, שמירה על כל הפרמטרים הגיאומטריים והפרמטרים הייצור של הפעיל. עבור הניידות TFT, שהוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר ביצועים עבור TFTs זה יכול להשתנות יותר 2 הזמנות של גודל על ידי שינוי גורמי הייצור בטווח שניתנו על ידי טבלה I. לכן, השליטה הזהירה של הפרמטרים האנודיזציה היא בעלת חשיבות רבה כאשר בדיית התקנים המרכיבים את החשמל2O3 שער dielectrics. הנוכחות של מדינות המותאמות לשפות אחרות עקב חיובים/דיתרנים בשכבת המוליכים למחצה/מדידות היא אחת הסיבות המשמעותיות ביותר לשינוי בביצועי המכשיר, במיוחד לניידות TFT. ניקוי מצע חשוב מאוד כדי למנוע וריאציה מזויף של פרמטרים חשמליים מתוך אפיון המכשיר. שימוש בחומרי ניקוי בסיסי ללא שאריות, שימוש במים מוהים לשטיפה בשפע את מצעים, שימוש של אצטון טהור ואיזופנול לניקוי מצע וניקוי פלזמה הם בעלי חשיבות קיצונית כדי להבטיח ניקוי של מצעים והשגות של התהליך. שטיפה וייבוש של מצעים לאחר צמיחת שכבת האלומיניום יש גם להתבצע בזהירות רבה. השליטה על ה-pH של האלקטרוליט, של טמפרטורת האלקטרוליט וערבוב האלקטרוליט במהלך האנוזציה הם גם מקורות של וריאציה אקראית של התוצאות. זיהום על ידי אבק גם צריך להימנע על ידי ביצוע כל הצעדים בתוך חדר נקי או שכבתית הארון זרם. סוג החומצה המשמש באלקטרוליט גם משפיע בחוזקה על תהליך האנוזציה, עם זאת, כי ההשפעה של גורם כזה לא יכול להיות כמותית כראוי DOE, השתמשנו רק חומצה טרטרית, אשר תוצאות טובות עבור אנוזציה.
השימוש ב-ANOVA כדי לקבוע את המשמעות של כל גורם ייצור הוא כלי רב עוצמה במיוחד למיטוב ביצועי ההתקן. עם זאת, כדי להשיג תוצאות אמינות, חיוני להבטיח כי השונות בפרמטר התגובה שנותחה היא בשל וריאציה פקטור ולא על ידי הפלה הליך ניסיוני. נקודת מפתח היא להפוך שכפול רבים של כל הפעלה ניסיונית ככל האפשר. למרות שהדבר מגדיל את מספר הניסויים שצריך לבצע, הוא מגביר את אמינות הניתוח על ידי הגברת מספר דרגות החופש של התכנון הניסיוני. אסטרטגיה טובה אשר אומצה בהליך הנוכחי היה לייצר 2 דגימות עם 3 בתרי כל אחד. לפיכך, ההפעלה הניסיונית חזרה רק פעם אחת, אך היו לנו 6 תוצאות משוכפלות ממכשירים שונים. זה גם מותר להעריך את השונות עבור TFTs תרי מן המצע זהה (מדידות זהה ושכבות וליכים) ו עבור TFTs מתוך מצעים שונים (שונות מדידות שונים וליכים, אך מפוברק על פי אותו ההליך). אם השונות עבור התקנים מפוברק בהתאם לגורמי הייצור הדומים נמוכה בהשוואה לשונות עקב שינויים משמעותיים בגורמי הייצור, השינוי הנקרא של התהליך מקובל.
להדגיש בעבר, עיצוב פלקט-Burman של ניסויים הוא מאוד נוח עבור ניסויים עם מספר גבוה של גורמים, מאז הוא מתיר ירידה ניכרת מספר ניסויים. עבור 8 גורמים ניסיוניים, מספר הניסויים בהשוואה לעיצוב של עצרת מלאה מצטמצם מ-256 (28) ל-12 בלבד. עם זאת, הפחתה זו מהווה את העלות שאין אפשרות להעריך את האינטראקציה בין הגורמים. לכן, עבור מערכות אשר ההשפעה של גורמים מצולבים צפוי להיות רלוונטי, PBD היא לא האפשרות הטובה ביותר. אפשרות היא להשתמש PBD כדי להקרין את הגורמים המשמעותיים ביותר, ברגע השני, כדי להשתמש בעיצוב מלא עצרת עבור הגורמים המשמעותיים ביותר של PBD כדי לקבוע את ההשפעה של אינטראקציות הגורם.
השימוש בתוכנת העיצוב הניסיונית כימוכ30 בניתוח הוא אופציונלי והתוצאות אינן אמורות להיות תלויות בו. כל החישובים הדרושים כדי לקבוע את ההשפעות של הגורמים על תגובת המערכת ניתן לבצע באופן ידני (מאוד זמן רב), על ידי סקריפט מחשב מותאם אישית, או על ידי תוכנות מקצועיות אחרות כגון Minitab או עיצוב-מומחה. עם זאת, כימופני הוא ידידותי למשתמש וממשק עלות חינם אשר זמין להורדה ללא כל הגבלה.
העבודה הנוכחית ממחישה את הכדאיות של ייצור סרט דק טרנזיסטורים המורכב אל2O3 שכבה דיאלקטרי גדל על ידי אנוזציה של אלומיניום מתכתי. תהליך זה ניתן להרחיב בקלות מצעים גמישים, המאפשר ייצור המוני של מעגלים אלקטרוניים גמישים. השימוש של פלקט-Burman עיצוב של ניסויים בשילוב ל-ANOVA היא שיטה מהירה ורבת עוצמה כדי להקרין את ההשפעה של גורמי ייצור בתגובת המכשיר, המתיר אופטימיזציה ביצועים TFT.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
המחברים מכירים בתמיכה הפיננסית מקרן סאו פאולו למחקר – FAPESP – ברזיל (מענקים 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 ו-14/13904-8) ו תוכנית שיתוף פעולה מחקר של ניוטון קרן של האקדמיה המלכותית להנדסה. מחברים גם מכירים את התמיכה הטכנית מ-B. F. da סילבה, ג'יי. פי בראגה, ג'יי-בי Cantuaria, G.R. דה לימה ו G.A. דה לימה Sobrinho ו פרופסור מרסלו דה Carvalho של הקבוצה של בורה (IGCE/UNESP) לאספקת ציוד הצילום.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | LabSynth | A1017 | ACS reagent grade |
| Aluminum (Al) Wire Evaporation | Kurt J. Lesker Company | EVMAL40060 | 1.5 mm (0.060") Dia.; 1lb; 99.99% |
| Ammonium hydroxide solution | Sigma Aldrich | 338818 | ACS reagent, 28.0-30.0% NH3 basis |
| Chemoface - Software to set a design of experiment (DOE) | Federal University of Lavras (UFLA), Brazil | Free software developed by Federal University of Lavras (UFLA), Brazil - http://www.ufla.br/chemoface/ | |
| Cleaning detergent | Sigma Aldrich | Alconox | Alkaline detergent for substrate cleaning |
| Ethylene glycol | Sigma Aldrich | 102466 | ReagentPlus, ≥99% |
| Isopropanol | LabSynth | A1078 | ACS reagent grade |
| Glass substrates | Sigma Aldrich | CLS294775X50 | Corning microscope slides, plain |
| L-(+)-Tartaric acid | Sigma Aldrich | T109 | ≥99.5% |
| Mechanical shadow mask for deposition of the sputtered ZnO active layer | Lasertools, Brazil | custom mask | 10 mm x 10 mm square. |
| Mechanical shadow mask for TFT gate electrode | Lasertools, Brazil | custom mask | 25 mm long stripe, 3 mm wide. |
| Mechanical shadow mask for TFT source/drain electrodes | Lasertools, Brazil | custom mask | 100 µm stripes, separated by 100 µm gap, overlapping of 5 mm |
| Plasma cleaner | MTI | PDC-32G | Campact plasma cleaner with vacuum pump |
| Sputter coating system | HHV | Auto 500 | RF sputtering system with thickness and deposition rate control |
| Stiring plate | Sun Valley | MS300 | Stiring plate with heating control |
| Thermal evaporator | HHV | Auto 306 | it has a high precision sensor for measure the thickness and rate of deposition of thin films |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2410 | Keithley model 2410 or similar/for anodization process |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2612B | Dual channel source-measure unit (SMU) for TFT measurements |
| Ultrasonic bath | Soni-tech | Soni-top 402A | Ultrasonic bath with heating control |
| Zinc Oxide (ZnO) Sputtering Targets | Kurt J. Lesker Company | EJTZNOX304A3 | 3.0" Dia. x 0.250" Thick; 99.9% |
References
- Fortunato, E. M. C., et al. Fully Transparent ZnO Thin-Film Transistor Produced at Room Temperature. Advanced Materials. 17 (5), 590-594 (2005).
- Fortunato, E. M. C., et al. Wide-bandgap high-mobility ZnO thin-film transistors produced at room temperature. Applied Physics Letters. 85 (13), 2541-2543 (2004).
- Nomura, K., et al. Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor. Science. 300 (5623), 1269-1272 (2003).
- Noviyana, I., et al. High Mobility Thin Film Transistors Based on Amorphous Indium Zinc Tin Oxide. Materials. 10 (7), (2017).
- Nomura, K., et al. Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors. Japanese Journal of Applied Physics. 45 (5), 4303-4308 (2006).
- Kamiya, T., Nomura, K., Hosono, H. Present status of amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors. Science and Technology of Advanced Materials. 11 (4), 044305 (2010).
- Lin, C. I., Fang, Y. K., Chang, W. C. The IGZO fully transparent oxide thin film transistor on glass substrate. International Journal of Nanotechnology. 12, 3 (2015).
- Craciun, V., et al. Optical properties of amorphous indium zinc oxide thin films synthesized by pulsed laser deposition. Applied Surface Science. 306, 52-55 (2014).
- Suh, S., Hoffman, D. M. A new metal-organic precursor for the low-temperature atmospheric pressure chemical vapor deposition of zinc oxide. Journal of Materials Science Letters. 8, 789-791 (1999).
- Lin, Y. -Y., Hsu, C. -C., Tseng, M. -H., Shyue, J. -J., Tsai, F. -Y. Stable and High-Performance Flexible ZnO Thin-Film Transistors by Atomic Layer Deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (40), 22610-22617 (2015).
- Walker, D. E., et al. High mobility indium zinc oxide thin film field-effect transistors by semiconductor layer engineering. ACS Applied Materials & Interfaces. 4 (12), 6835-6841 (2012).
- Meyers, S. T., et al. Aqueous Inorganic Inks for Low-Temperature Fabrication of ZnO TFTs. Journal of the American Chemical Society. 130 (51), 17603-17609 (2008).
- Krunks, M., Mellikov, E. Zinc oxide thin films by the spray pyrolysis method. Thin Solid Films. 270 (1-2), 33-36 (1995).
- Adamopoulos, G., Thomas, S., Bradley, D. D. C., McLachlan, M. A., Anthopoulos, T. D. Low-voltage ZnO thin-film transistors based on Y2O3 and Al2O3 high-k dielectrics deposited by spray pyrolysis in air. Applied Physics Letters. 98 (12), 123503 (2011).
- Branquinho, R., et al. Aqueous combustion synthesis of aluminum oxide thin films and application as gate dielectric in GZTO solution-based TFTs. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (22), 19592-19599 (2014).
- Shan, F., et al. Low-Voltage High-Stability InZnO Thin-Film Transistor Using Ultra-Thin Solution-Processed ZrOx Dielectric. Journal of Display Technology. 11 (6), 541-546 (2015).
- Lin, Y., et al. A Highly Controllable Electrochemical Anodization Process to Fabricate Porous Anodic Aluminum Oxide Membranes. Nanoscale Research Letters. 10 (1), 495 (2015).
- Gomes, T. C., Kumar, D., Fugikawa-Santos, L., Alves, N., Kettle, J. Optimization of the Anodization Processing for Aluminum Oxide Gate Dielectrics in ZnO Thin Film Transistors by Multivariate Analysis. ACS Combinatorial Science. , (2019).
- Min, L., et al. Dual Gate Indium-Zinc Oxide Thin-Film Transistors Based on Anodic Aluminum Oxide Gate Dielectrics. IEEE Transactions on Electron Devices. 61 (7), 2448-2453 (2014).
- Liu, A., et al. Eco-friendly water-induced aluminum oxide dielectrics and their application in a hybrid metal oxide/polymer TFT. RSC Advances. 5 (105), 86606-86613 (2015).
- Berndt, L. Anodization of Aluminum in Highly Viscous Phosphoric Acid. PART 2: Investigation of Anodic Oxide Formation and Dissolution Rates. International Journal of Electrochemical Science. , 9531-9550 (2018).
- Huang, S. Z., Hwu, J. G. Electrical characterization and process control of cost-effective high-k aluminum oxide gate dielectrics prepared by anodization followed by furnace annealing. IEEE Transactions on Electron Devices. 50 (7), 1658-1664 (2003).
- Iino, Y., et al. Organic Thin-Film Transistors on a Plastic Substrate with Anodically Oxidized High-Dielectric-Constant Insulators. Japanese Journal of Applied Physics. 42, Part 1, No. 1 299-304 (2003).
- Hickmott, T. W. Electrolyte effects on charge, polarization, and conduction in thin anodic Al2O3 films. I. Initial charge and temperature-dependent polarization. Journal of Applied Physics. 102 (9), 093706 (2007).
- Majewski, L. A., Schroeder, R., Grell, M.
- Hickmott, T. W. Temperature dependence of the dielectric response of anodized Al-Al2O3-metal capacitors. Journal of Applied Physics. 93 (6), 3461-3469 (2003).
- Hickmott, T. W. Interface states at the anodized Al2O3-metal interface. Journal of Applied Physics. 89 (10), 5502-5508 (2001).
- Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. , CRC Press. Boca Raton. (2015).
- Ferreira, S. L. C., et al. Robustness evaluation in analytical methods optimized using experimental designs. Microchemical Journal. 131, 163-169 (2017).
- Nunes, C. A., Freitas, M. P., Pinheiro, A. C. M., Bastos, S. C. Chemoface: a novel free user-friendly interface for chemometrics. Journal of the Brazilian Chemical Society. 23 (11), 2003-2010 (2012).
