學位論文
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Item 整合氧化鋁鐵電記憶體之氧化錫薄膜電晶體元件電性探討之研究(2019) 王世安; Wang, Shih-An本研究首先探討鐵電電容在不同退火溫度下之影響。鐵電電容在600oC~800oC中，漏電流隨著退火溫度上升而無明顯變化，有利於不同溫度下之製程整合，而在鐵電特性上，會隨著溫度上升而增強，但同時極化迴圈開口也會增大。在P型薄膜電晶體中，Id-Vd輸出特性有明顯截止區與飽和區，在汲極電壓與閘極電壓為-2V時，電流為1.10A。Id-Vg轉移特性中，在±2.5V中有3個數量級之開關電流比 。漏電流約在10-9 A，顯示10nm之氧化鋁鉿薄膜較好的閘極介電薄膜。 在串聯HfAlOX薄膜厚度為10nm之鐵電電容中，電容面積隨著200x200m2至50x50m2，Current-Ratio Memory Window從67.00增加至362.80。當電容越小，匹配越好，Current-Ratio Memory Window越大。在相同面積50x50m2下改變不同串聯厚度，從5nm至10nm，Current-Ratio Memory Window從7.11增加至362.80，當厚度越厚，匹配越好，Current-Ratio Memory Window越大。根據參考文獻之模擬，當電晶體電容與鐵電電容在電荷(Q)-電容(C)圖中相交於兩點，電壓來回掃時，會分別經過這兩點，而使電荷陡峭上升，因而形成電滯迴圈，在固定電晶體電容值，改變鐵電電容值時，鐵電電容越小則Current-Ratio Memory Window越大，實驗結果與參考文獻相符。在資料儲存Retention測試中，P型氧化錫薄膜電晶體串聯厚度為10nm、面積50x50m2氧化鋁鉿鐵電電容經過1000秒後有最高的開關電流比，為較佳測試條件。Item 使用RBF類神經網路於壓電式力量感測器之低頻補償(2019) 楊宇洋; YANG, Yu-Yang本研究之目的是使用類神經網來補償壓電式力量感測器 (piezoelectric) 低頻時量測不準的現象。相較於改變感測器本身結構的方法來，本研究所提出之估測方法無須改變感測器的結構，使用商用的壓電式力量感測器，將其輸出給予力量估測系統；力量估測系統藉由類神經網路估出系統之干擾，並將受控體的受力量估測出來。 實驗平台是由實驗室成員共同設計出的，含一維線性伺服馬達系統，並採用美國德州儀器(Texas Instruments, TI)生產之TMS320C6713 DSP (Digital Signal Processor)開發板，搭配實驗室成員自行研發具備FPGA (Field-Programmable Gate Array) 等IC之擴充子板，作為控制核心。於FPGA方面，以VHSIC硬體描述語言(VHDL)實現編碼器、ADC與DAC等周邊界面訊號處理介面；在控制法則實現上，透過TI提供的Code Composer Studio (CCS)發展環境軟體，以C/C++撰寫控制器程式，並下載至DSP執行。藉由實驗室成員自行設計、組裝之一維線性馬達平台進行實驗，並感測負載受力與其他物理量。實驗結果顯示，本文提出之方法能有效地改善壓電式感測器的低頻量測失準現象;與先前的研究相比，使用類神經網路能在較劇烈變化的路徑上有更好的干擾估測效果，使系統能達到良好的位置與阻抗控制結果。Item 純鈦與6061鋁合金摩擦攪拌異質接合之機械性質與抗腐蝕特性研究(2019) 郭承典; Kuo, Chen-Tien本研究使用摩擦攪拌銲接的技術搭配對接及搭接兩種方式用於純鈦與6061鋁合金之異質接合，摩擦攪拌銲接利用高速鋼作為攪拌棒，攪拌棒之傾斜角設定為2∘，探討在不同主軸轉速及進給速度下對於銲道性質之影響，將各成功接合之試片進行顯微組織及機械性質測試，並進行元素分布分析，最後進行殘留應力量測及抗腐蝕能力分析。 實驗結果顯示對接時主軸轉速設定1000 rpm、進給速度100 mm/min可以得到較好的銲道性質；搭接時則是主軸轉速設定1200 rpm、進給速度120 mm/min可以得到較好的銲道性質，兩種接合方法比較時，對接比起搭接可以獲得更好的抗拉強度。除此之外，兩種銲接方式都在攪拌區可以觀察到晶粒細化的效果，但是熱影響區晶粒較大，使熱影響區有硬度下降的趨勢，造成對接試片會在熱影響區發生斷裂；在搭接時兩種材料界面會形成硬脆的介金屬化合物，其硬度將近300HV高於純鈦母材，由於硬度高、延性差因此搭接試片斷裂時會發生在接合界面處。進行殘留應力量測發現摩擦攪拌銲接試片與典型的對接殘留應力相反，在銲道處顯示為壓應力。銲接件抗腐蝕能力的部分，銲道的攪拌區由於晶粒細化的緣故，其抗腐蝕性能優於其他區域。Item 石墨烯散熱塗料於LED性能提升之技術開發(2019) 施文浩; Shi, Wen-Hao近年來，電子產品朝向講求輕薄短小、追求多功能及效能更高的趨勢發展，而多功和效能的提高也產生更高耗電量與廢熱的問題。一般工業設備大都會在熱源或散熱鰭片部位安裝風扇進行主動式冷卻散熱，而部分電子產品，如LED照明燈具因受到幾何結構或尺寸限制，無法加裝主動式散熱系統，只能依賴金屬散熱片等被動散熱裝置，利用金屬的高導熱係數，以熱傳導將熱由熱源導出至散熱鰭片，達到降溫的效果。不過金屬表面的熱輻射係數(Emissivity)極低，匯集到散熱鰭片的熱不易發散至環境中。因此，如何提高金屬表面之熱輻射係數，已成為極待解決的問題。本研究預計開發出一種散熱塗料(Heat dissipation coating)，以油性環氧樹脂作為基底，添加擁有高熱輻射性能之奈米碳材與良好熱傳導係數之氮化鋁顆粒，調整填充物的比例與塗料黏度後，塗佈一具有高熱輻射係數且低熱阻之散熱薄膜於金屬散熱片表面，提升其被動散熱的效果，並利用大氣電漿(Atmospheric pressure plasma, APP) 與硫酸對奈米碳材進行官能化改質處理，進一步提升塗料之熱輻射性能。本研究添加化學官能化改質的奈米碳材，使用比例為10 wt%氮化鋁、2 wt%石墨烯與2 wt%多壁奈米碳管，以真空脫泡攪拌機混拌後於散熱鋁片進行 20 μm 之薄膜塗佈。使用紅外線熱像儀量測其熱輻射係數可達0.98，應用於9W LED之降溫測試，可使LED降溫15.3 ℃，並提升8%之流明值。再透過熱重分析儀(Thermogravimetric analysis, TGA)測試，該散熱塗料之熱分解溫度達311 ℃，表示本研究所製備之散熱塗料在實際應用上也具有良好的穩定性。Item 超快雷射多尺度複合結構實現氣體檢測應用之研究(2019) 杜晨廷; Tu, Chen-Ting本研究是利用超快雷射(Ultrafast laser)之超短脈衝(Ultrashort pulses)的特性，進行多尺度複合結構(Multiscale composite structures)元件製作，進而應用於氣體檢測(Gas detection)。由於該雷射製程具較小熱影響區(Heat-affected zone)，以能精確進行尺寸的製作。本研究超快雷射製程是在導電石墨烯(Graphene)薄膜基材上，進行圖案化電極(Electrode)結構元件，其結構包括指叉狀元件(Interdigitated electrodes, IDEs)和微溝槽(Microgrooves)。另一方面，為結合導電奈米線於微結構元件，本研究透過水熱法(Hydrothermal)生長氧化鋅(ZnO)奈米線於指叉狀元件上，且在微溝槽生長氧化鋅奈米線，並調控浸泡種晶層溶液時間生長氧化鋅奈米線，將元件電阻從106 下降至約550 。本研究發現在生長溶液中添加甲醇(Methanol)為界面活性劑，將有助於於微結構底部生長氧化鋅奈米線。最後，本研究會於兩種氣體感測元件結構設計，進行不同氣體濃度一氧化氮(Nitric oxide, NO)之檢測探討。本研究結果顯示以指叉狀元件結構氣體感測元件，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值(Response)為6%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值可為18%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值可為31%。以微溝槽作為氣體感測元件時，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值為11%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值為22%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值為40%。Item 壓電式力量感測器之適應性低頻特性補償(2019) 呂彥槿本研究之目的是藉由適應性估測方式補償壓電式 (piezoelectric) 力量感測器的低頻失真，以得到系統的實際低頻受力。相較於先前的研究，本研究的特點在於不改感測器結構設計的前提下，藉由適應性法則估測系統之低頻受力和干擾，其中包含了系統的未知和不確定性部分，並進一步藉由低通濾波的方式，以減少加速度和速度訊號的使用，估測出系統的受力。 實驗平台是由實驗室成員合力設計和組裝之一維線性馬達實驗平台，控制核心使用美國德州儀器公司(Texas Instruments, TI)生產之TMS320C6713 DSP開發板，搭配實驗室成員所自行研發、具備FPGA等IC之擴充子板。於FPGA方面，以VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) 硬體描述語言(VHDL)撰寫編碼器、ADC與DAC等周邊界面訊息處理函式；而在控制法則實現上，以C/C++撰寫控制器程式並由TI提供的Code Composer Studio (CCS)發展控制程式。實驗結果顯示，本研究提出之方法能有效改善壓電式感測器低頻量測失準現象，準確地量出其正確的受力，並且能減少系統複雜度、降低系統所需的成本和空間。Item 新穎架構之高效能負電容場效電晶體設計(2019) 李芳立; Li, Fang-Li物聯網時代來臨，在先進物聯網技術下，數據之儲存、傳輸、感測都需要超低功耗電晶體(ultra-low power transistor)作為基礎，傳統之金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)因受限於波茲曼限制(Boltzmann limit)，於室溫下之次臨界擺幅(subthreshold swing)永遠大於或等於60 mV/decade，為了實現超低功耗電晶體之目標，在超低操作電壓下將汲極電流提升並降低次臨界擺幅且低於60 mV/decade將是主要目標。 近年陸續研究出包括鰭式電晶體(Fin Field Effect Transistor, FinFET)、穿隧式電晶體(Tunnel Field Effect Transistor, TFET)、負電容場效電晶體(Negative Capacitance Field Effect Transistor, NCFET)等新世代超低功耗電晶體，負電容場效電晶體是唯一兼具同時提升開狀態汲極電流(I¬on)且降低次臨界擺幅潛力之超低功耗電晶體，也是本實驗之研究對象。 本次實驗將以負電容場效電晶體為基礎，將MIM架構之鐵電材料(HZO MIM)與金屬氧化物半導體場效電晶體做連接，並將傳統之閘極耦合式負電容場效電晶體(gate coupling NCFET)與本次實驗所研發之新式汲極/源極耦合式負電容場效電晶體(source/drain coupling NCFET)進行比較。實驗結果發現，傳統架構負電容場效電晶體之有效電荷遷移率( eff)受負電容效應影響而急劇降低，由HZO電偶極擾動產生之遠端散射(remote scattering)將在通道引發嚴重之聲子散射現象(phonon scattering event)，進而導致有效電荷遷移率降低，最終影響開狀態汲極電流的表現，而遠端散射現象可藉由將閘極氧化層電容提升，以極大之極化(polarization)能力將HZO之電偶極對齊，以降低遠端散射現象，進而使有效電荷遷移率之下降適度減緩，但此法牽涉到MIM鐵電材料與MOSFET閘極氧化層電容(Cox)之匹配問題，為求直接且全面的改善，本次實驗提出新式之並聯架構負電容場效電晶體。 以降低遠端散射現象並提升開狀態汲極電流(I¬on)為目標，本次實驗研發汲極/源極耦合式負電容場效電晶體(source / drain coupling NCFET)，經實驗證明，將MIM架構之HZO鐵電材料與傳統之金屬氧化物半導體場效電晶體進行並聯將有效降低由HZO電偶極所引發之遠端散射現象，通道載子將不再受聲子散射現象影響，明顯提升有效電荷遷移率，並實現同時放大開狀態汲極電流與降低次臨界擺幅(< 60 mV/decade)之目標。 除了上述由汲極/源極耦合式負電容場效電晶體所帶來之效益，本實驗亦針對短通道效應(short channel effect)進行探討，隨著汲極電壓增加，汲極引發之能障降低(DIBL)將更為嚴重，使閘極對於通道之控制能力降低，使得次臨界擺幅上升，而汲極/源極耦合式負電容場效電晶體已證明具有減緩汲極引發之能障降低之潛力，並能在施加適當之汲極電壓時達成零遲滯(non-hysteresis)之負電容場效電晶體。總之，本新穎結構的負電容場效電晶體，不只可以大幅提升Ion電流，亦有不錯的次臨界擺幅，適合於低電壓及低功耗用途。Item 使用射頻電漿輔助化學束磊晶成長氮化銦磊晶材料於表面氮化處理矽(111)基板之研究(2019) 陳聖; CHEN, SHENG本研究利用射頻電漿輔助化學束磊晶系統於矽(111)基板上製備氮化矽緩衝層，針對製備緩衝層之電漿氮氣流量比、氮化時間進行研究，探討氮化銦於不同條件之緩衝層生長其結構、結晶性及電子遷移率變化。研究結果顯示，在實驗條件下矽(111)基板表面會產生氮化矽層(SixNy layer)，隨著氮化時間或流量增加，表面會形成β-Si3N4，有助於纎鋅礦結構氮化銦磊晶生長。透過X光繞射分析證實經過表面氮化處理的試片皆能成長氮化銦磊晶。本研究再進行製備氮化氮化銦/氮化矽雙緩衝層於矽(111)基板，並針對氮化銦磊晶薄膜之特性進行探討，研究結果證實，使用雙緩衝層技術之氮化銦磊晶薄膜能提高結晶性及電性，隨著製備氮化矽層時氮氣流量及氮化時間增加，結晶性及電性均有所提升。Item 具線上放電銳化技術之晶粒分割系統開發與矽晶圓基板晶粒分割研究(2019) 胡竣泓; Hu, Chun-Hung本研究旨在開發一「具線上放電銳化技術之晶粒分割系統」，並應用於矽晶圓基板晶粒分割研究。傳統電鑄鑽石輪刀，鑽石顆粒含量低，且基材剛性較低，填塞後便須直接拋棄處理，導致刀具成本高。本研究嘗試以含硼聚晶鑽石輪刀取代傳統電鑄鑽石輪刀，聚晶鑽石鑽石含量高達95%以上，且剛性高，可提高鑽石輪刀使用壽命。為避免鑽石輪刀於晶粒分割期間，發生填塞，本研究提出一種線上放電銳化的方法，藉由所設計的「線上放電銳化機構」與「脈衝寬度調變放電電源」，開發出線上放電銳化技術，鑽石輪刀在不拆卸情況下，可於短時間內，完成線上銳化工作。脈衝寬度調變放電電源可輸出高頻、高峰值且窄脈衝寬度的放電波形，可使鑽石輪刀表面快速形成高密度火花熔蝕坑(屑袋)，並裸露出銳利的鑽石切刃。此外，以脈衝寬度調變電源進行線上放電銳化，鑽石輪刀亦可獲得薄化效果及降低輪刀表面的石墨化層。實驗結果顯示，線上放電銳化技術能快速實現刃厚30 μm、刃長400 μm，長寬比達13：1的聚晶鑽石輪刀，表面具高密度且分佈均勻的鑽石切刃與屑袋。為比較晶粒分割實驗的切割道品質，本研究提出「溝崩比」，以便採用「類脆性研削」模式，以較快的進給率和類脆性研削深度，進行晶粒分割，符合商用切割道的容許崩裂量及減少加工所耗時間。實驗結果證實，經線上放電銳化後的聚晶鑽石輪刀，著實可改善傳統電鑄鑽石輪刀切割晶圓所發生的崩裂、蛇行與歪斜等問題。研究也藉由「智能化研削力感測機制」對矽晶圓基板進行10×10陣列的晶粒分割驗證，發現晶圓正面及背面之溝崩比，分別達3.26及1.87，優於商用的溝崩比(1.34)(溝崩比愈大，溝緣崩裂量愈少)，且切割道具高筆直度，晶粒邊壁垂直平整，對半導體產業有實質幫助，深具商業化價值。Item 電磁驅動之複合式高速衝印系統開發應用於高密度非球面精微模坑陣列成型研究(2019) 蔣兆嶸; Chaing, Chao-Jung本研究旨在開發一「電磁驅動」往復式進給模組，規劃應用於複合式高速衝印系統，以便快速製作「高密度非球面精微模坑陣列」。研究透過電流磁效應原理，以家用交流電源驅動電磁驅動機構，透由交流電交變特性，使電磁驅動機構的磁極隨時間交變，作動頻率達120 Hz，可獲致高速往復運動目的。實驗以此高速往復運動，驅使電磁驅動機構的衝擊頭對材料表面進行高速衝印，材料經彈性及塑性變形過程，模坑表面產生應變硬化，晶粒組織變得更緻密，能有效改善模坑表面疲勞強度及耐磨耗性，達非球面模坑製作目的。衝擊頭表面以含硼聚晶鑽石(BD-PCD, Boron doped polycrystalline diamond)及碳化鎢為材料，並於開發的線上研磨機構，進行非球面研磨製作，其峰谷差值(P-V)分別達11.78 μm及6.46 μm，表面粗糙度為Ra 0.78 μm與Ra 0.46 μm，經高速衝印結果顯示，成型的微模坑表面粗糙度分別可達Ra 0.77 μm與Ra 0.35 μm。實驗發現，不同的模仁材料、電磁驅動機構彈簧常數及衝擊頭深度位置等三因素，影響模坑的深度。電磁驅動機構以4100匝設計，當模仁以退火鋁合金為材料，彈簧常數2.7 N/mm，及衝擊頭深度位置在26 μm時，所創造出的衝擊力，能使非球面模坑深度達15 μm。在工件進給速度方面，實驗也發現，模仁在2160 mm/min高速移動條件下，模坑能獲得最高的幾何形狀。經實驗證實，於86 mm2面積內，高速衝印成型完整的400顆高密度非球面微模坑，時間僅需3.3秒，且具高一致性，模坑與衝擊頭重疊率可達95%以上，證實本研究提出的電磁驅動往復式進給模組，能達高速、高密度及高一致性衝印成型的能力。