實驗為配合體波元件的製作，利用反應性射頻磁控濺鍍法（Reactive RF magnetron sputtering）在矽和玻璃基板上先行沈積金屬鋁作為底層電極，而後再成長C軸取向（C-axis orientation）的氮化鋁薄膜，在三套不同濺鍍系統中以不加熱基板為基本要求，調配基板偏壓、濺鍍壓力、濺鍍功率、氮氣濃度以及濺鍍時間等參數，以獲得高C軸取向且平整度良好的氮化鋁薄膜，作為未來製造體波濾波器元件的基礎。
成長之薄膜藉由X光繞射儀（X-ray Diffraction，XRD）觀察鋁和氮化鋁之晶面方向，並利用腐蝕液腐蝕試片以掃瞄式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）底下觀察氮化鋁薄膜之緻密度和平整度；並利用穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy，TEM）觀察晶粒大小與顯微結構在不同成長參數下之變化情形。
XRD分析顯示在17cm的長距離濺鍍系統中、在固定濺鍍功率條件下，低濺鍍壓力以及有施加基板偏壓能夠成功成長出高平整度之C軸取向的氮化鋁薄膜，並藉由7cm的濺鍍系統驗證提高基板偏壓值可加強C軸晶面強度。從TEM觀察得知所沈積的氮化鋁薄膜其微結構呈柱狀，底層鋁和氮化鋁之間存在有過渡層，薄膜初期呈現紊亂的結晶方向，隨著厚度的增加，晶粒尺寸逐漸增大最後形成以C軸為主的柱狀結晶晶粒。

In this study, highly C-axis oriented AlN thin films stacked upon Al bottom electrode on Si and Glass substrate are deposited with Reactive RF magnetron sputtering Technique. Three different sputtering systems were utilized to evaluate the optimized growth parameters. Room temperature growth was applied to the all system. During thin film growing , the substrate bias condition, sputtering work pressure, sputtering power and the N2 concentration are those key parameters to be adjusted in order to gain smooth surface morphology and highly C-axis prefer orientation AlN thin films.
The crystallography of the deposited films was analyzed by x-ray diffraction (XRD). Film surface morphology was characterized by scanning electron microscopy (SEM). Meanwhile, transmission electron microscopy (TEM) was adopted to observe the microstructure and determine the grain size of the film.
The results of the XRD patterns showed that in a 17cm long sputtering working distance condition, the AlN (002) can be obtained and the peak intensity can be increased when the sputtering power was fixed meanwhile reduced the working pressure and applied the negative bias on the substrate. The surface morphology can be improved with long working sputtering distance. The micrography of the TEM reveals that there is a transition region between Al metal and AlN film. Fine column structures can be observed in the initial growth stage. The size of the grain increased as the film became thicker. Strong AlN (002) ring pattern was obtained from the region of the top of the film. It indicates that the AlN (002) will not appear till the thickness of the film reach the critical thickness.

目錄 I
圖表目錄 IV
1. 第一章 前言 1
2. 第二章 理論 3
2.1氮化鋁的結構與特性 3
2.2反應性射頻磁控濺鍍原理 4
2.2.1 電漿原理 4
2.2.2 射頻磁控之原理與特性 5
2.2.3 反應性濺射 6
2.3 薄膜成長的機制分析 6
3. 第三章 實驗設計與規劃 9
3.1 實驗設計 9
3.2實驗設備介紹 10
3.3 實驗流程 11
3.3.1 試片清洗 11
3.3.2 濺鍍實驗流程 12
3.4 文獻回顧 13
3.4.1 設定成長條件 13
3.5 分析方法 14
3.5.1 晶體結構分析 14
3.5.2 薄膜表面微結構分析 14
3.5.3 截面微結構分析 15
3.5.4 薄膜成長速率分析 15
4. 第四章 實驗結果與討論 17
4.1長距離濺鍍系統實驗 17
4.1.1濺鍍參數對晶體結構之影響 17
4.1.2濺鍍參數對微觀型態之影響 21
4.1.3濺鍍參數對成長速率之影響 24
4.2中距離濺鍍系統實驗 25
4.2.1濺鍍參數對晶體結構與成長速率之影響 26
4.2.2微觀型態之觀察 29
4.3其他濺鍍系統之氮化鋁薄膜分析 30
4.3.1偏壓變動對晶體結構之影響 31
4.3.2微觀型態之觀察 31
5. 第五章 結論 33
參考文獻 35
圖表目錄
表一 氮化鋁之物理、化學特性 37
表二 參考文獻中濺鍍參數對實驗結果的影響 38
表三 長距離濺鍍系統成長底層電極鋁和氮化鋁薄膜之參數 39
表四 中距離濺鍍系統成長底層電極鋁和氮化鋁薄膜之參數 40
表五 長距離濺鍍系統成長鋁和氮化鋁薄膜之實驗中心參數 41
表六 中距離濺鍍系統成長鋁和氮化鋁薄膜之實驗中心參數 42
表七 長距離濺射之實驗變動參數及數值 43
表八 中距離濺射之實驗變動參數及數值 44
表九 鋁之X光繞射資料 45
表十 氮化鋁之X光繞射資料 45
表十一 中距離濺鍍系統－田口式實驗法L4表與所得結果 46
圖1.1 氮化鋁特性之應用 47
圖1.2 研究的分析架構與探討方向 48
圖2.1 氮化鋁結晶構造 49
圖2.2 射頻裝置的陰極電位變化情形 50
圖2.3 陰極電位變化與電流之關係 51
圖2.4 磁控濺鍍之陰極靶面磁力線圖 52
圖2.5 二次電子在平面磁控濺鍍時之運動軌跡 52
圖2.6 反應濺射模型圖 53
圖3.1 長距離濺鍍系統示意圖 54
圖3.2 中距離濺鍍系統示意圖 55
圖4.1 不同濺鍍功率下，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺射距離17cm，濺鍍壓力6mTorr，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 56
圖4.2 不同濺鍍功率下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺射距離17cm，濺鍍壓力6mTorr，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 57
圖4.3 不同濺射距離下，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率300W，濺鍍壓力6mTorr，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 58
圖4.4 不同濺射距離下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率300W，濺鍍壓力6mTorr，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 59
圖4.5 不同濺射距離下，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺鍍壓力6mTorr，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 60
圖4.6 不同濺射距離下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺鍍壓力6mTorr，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 61
圖4.7 不同氮氣濃度下，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺鍍壓力6mTorr，濺射距離17cm，基板偏壓－240V 62
圖4.8 不同氮氣濃度下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺鍍壓力6mTorr，濺射距離17cm，基板偏壓－240V 63
圖4.9 不同濺鍍壓力下，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 64
圖4.10 不同濺鍍壓力下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 65
圖4.11 不同濺鍍壓力下，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓0V（APC控制） 66
圖4.12 不同濺鍍壓力下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍功率200W，濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓0V（APC控制） 67
圖4.13 不同濺鍍時間下，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍壓力6mTorr，濺鍍功率200W，濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓0V（APC控制） 68
圖4.14 壓力控制系統裝設前後，在玻璃上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍壓力2mTorr，濺鍍功率200W，濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓-240V 69
圖4.15 壓力控制系統裝設前後，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺鍍壓力2mTorr，濺鍍功率200W，濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓-240V 70
圖4.16 在矽基板上沈積氮化鋁之SEM表面圖，沈積條件為濺鍍功率200W，濺鍍壓力6mTorr，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V，濺鍍距離（a）17cm（b）13cm 71
圖4.17 在矽基板上沈積氮化鋁之SEM表面圖，沈積條件為濺鍍功率200W，濺鍍壓力6mTorr，濺鍍距離17cm，基板偏壓－240V，氮氣濃度（a）80％（b）86％ 72
圖4.18在矽基板上沈積氮化鋁之SEM表面圖，沈積條件為濺鍍功率200W，濺鍍壓力6mTorr，濺鍍距離17cm，基板偏壓－240V，氮氣濃度80％，（a）無APC控制（b）有APC控制 73
圖4.19長距離濺鍍系統TEM微結構圖，沈積條件－濺鍍功率300W，濺鍍距離17cm，濺鍍壓力6mTorr，濺鍍時間3小時 74
圖4.20長距離濺鍍系統TEM微結構圖，沈積條件－濺鍍功率300W，濺鍍距離21cm，濺鍍壓力6mTorr，濺鍍時間3小時 75
圖4.21長距離濺鍍系統TEM微結構圖，沈積條件－濺鍍功率200W，濺鍍距離17cm，濺鍍壓力6mTorr，濺鍍時間3小時 76
圖4.22長距離濺鍍系統TEM微結構圖，沈積條件－濺鍍功率200W，濺鍍距離17cm，濺鍍壓力6mTorr，濺鍍時間2.5小時 77
圖4.23不同濺鍍功率下，氮化鋁和鋁之總厚度，固定條件：濺射距離17cm，氮氣濃度80％，基板偏壓－240V 78
圖4.24不同氮氣濃度下，氮化鋁和鋁之總厚度，固定條件：濺鍍功率200W，濺射距離17cm，基板偏壓－240V 78
圖4.25 不同濺鍍壓力下，氮化鋁和鋁之總厚度，固定條件：濺鍍功率200W，濺射距離17cm，基板偏壓－240V 79
圖4.26 不同濺鍍壓力下，氮化鋁和鋁之總厚度，固定條件：濺鍍功率200W，濺射距離17cm，基板偏壓0V 79
圖4.27 中距離濺鍍系統之X光繞射圖 80
圖4.28 中距離濺鍍系統利用田口實驗法所得結果分析圖 81
圖4.29 不同濺鍍功率下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺射距離9cm，氮氣濃度30%，無基板偏壓 82
圖4.30濺鍍功率提升對晶面強度比之影響示意圖 82
圖4.31不同氮氣濃度下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺射距離9cm，濺鍍功率280W，無基板偏壓 83
圖4.32氮氣濃度變動對晶面強度比之影響示意圖 83
圖4.33中距離濺鍍系統TEM微結構圖，沈積條件－濺鍍功率210W，濺鍍距離9cm，濺鍍壓力2mTorr，濺鍍時間2小時 85
圖4.34 不同偏壓下，在矽基板上沈積氮化鋁之X光繞射圖，固定條件：濺射距離7cm，濺鍍功率1528W，濺鍍壓力1.4mTorr，濺鍍時間1小時 86
圖4.35 在矽基板上沈積氮化鋁之SEM表面圖，沈積條件為濺鍍功率1528W，濺鍍壓力1.4mTorr，基板偏壓－50V 87
圖4.36濺鍍系統TEM微結構圖，沈積條件－濺鍍功率1528W，濺鍍壓力1.4mTorr，基板偏壓－50V，濺鍍時間1小時 89

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