超臨界流體技術在電子元件之新應用

刊登日期:2016/12/5
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奈米多層元件在現代半導體產業中被廣泛地使用,但由於薄膜與薄膜之間在製程時往往會產生許多缺陷,這些缺陷會使元件的效能大打折扣,也會使產品的價值大幅下降。藉由超臨界流體處理技術,利用超臨界二氧化碳的低黏度、低表面張力及高擴散性,使水分子能輕易進入薄膜內部,進行晶界懸鍵的修補,降低操作電流。隨著操作功耗的降低,元件因為焦耳熱所引起的退化也會被改善。
 
超臨界流體簡介
當一個物質所處的溫度及壓力同時都高過其臨界點的溫度與壓力時,則稱之為超臨界流體,如圖一所示,此時其物理及化學性質與一般所熟知的固、液、氣三相特性不同。一般而言,超臨界流體由於在高壓之下,有近似液體密度,因此在適當的溫度、壓力及溶劑時,對有機物有很高的溶解度,且其擴散係數又比液體溶劑大很多,再加上超臨界流體又如氣體幾無表面張力,因此很容易滲入到多孔性組織中。

此外,超臨界流體黏度接近氣體比液體小,但因其密度高,所以可較氣態時有更高的質傳能力,且所需的功率較液體為低。超臨界流體除物理性質外,在化學性質上亦有所不同。例如,二氧化碳在氣體狀態下不具萃取能力,但當進入超臨界狀態後,二氧化碳變成親有機性,因而具有溶解有機物的能力,此溶解能力會隨溫度及壓力而有所不同;此現象造成特別的表面化學與界面化學。




圖一、二氧化碳的相圖,右上角區域為超臨界狀態

 
超臨界流體的應用
1. 以超臨界二氧化碳處理薄膜
超臨界二氧化碳具有如液體般的高密度、高溶解能力,同時具備如氣體般的低黏度、低表面張力及高擴散性,很容易滲入到多孔性組織中;且又具無毒性、不燃燒、對大部分物質不反應、在常溫常壓下容易揮發無殘留以及價格低廉等優點,因此常被用來純化及萃取物質,在半導體產業中則用於清洗晶圓表面及去光阻等用途。引光生物科技公司與中山大學研究團隊合作,首創將超臨界二氧化碳用在固態薄膜的後續處理。有別於一般的高溫退火處理(約800~900˚C),此方法利用超臨界二氧化碳作為載體攜帶水分子,在較低的操作溫度下(不高於120˚C)鈍化缺陷及氧化薄膜,藉以改善薄膜品質。




圖三、氧化鉿薄膜經超臨界流體處理後,漏電流大幅降低

 
3. 超臨界流體技術在太陽電池之應用
將超臨界處理技術應用於太陽電池 PIN 結構中,發現處理過後的太陽電池元件,其光電流大幅度增加 70%~100%,如圖九所示。此外,在太陽電池的 PIN 結構中,施加一偏壓便會產生一空乏區,萃取出空乏區寬度(W),並搭配電壓電容量測,可萃取出缺陷密度(NDL)對應不同物理位置的關係,由此量測方法萃取PIN結構中的缺陷密度可以發現,經由超臨界處理過後的結構,其介面缺陷數量大幅下降,如圖十所示。
 
軟性基板與電子皮膚
引入氧化石墨烯(GO)材料製作 RRAM 元件(GORRAM),其元件之切換速度與可靠度大幅提升,並且由於 GO為一軟性、高機械強度且透明的材料,因此相當適合應用於超柔性基板的電子元件開發,例如電子皮膚。所謂的電子皮膚是將電晶體、感測器、記憶體等不同電子元件整合在一種超柔性的塑料基板上並陣列化,如圖十三所示。它的覆型性良好,可適應任何曲面,因此可以十分服貼於皮膚上,甚至感覺不到它的重量。除此之外,更可以……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:林華經 / 引光生物科技有限公司;蔡宗鳴、張冠張 / 國立中山大學   
★本文節錄自「工業材料雜誌」360期,更多資料請見下方附檔。


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