摘 要

本實驗利用非反應性射頻磁控濺鍍法(non-reactive RF magnetron sputtering)配合氮化鋁靶材,在矽、玻璃、氧化矽及氮化矽基板上沈積氮化鋁薄膜,在基板不加熱的條件下,調整濺鍍壓力、濺鍍功率、濺鍍距離以及濺鍍時間等參數,以獲得良好C軸擇優取向(C-axis perfer orientation)的氮化鋁薄膜,作為未來製造體波元件的基礎。
所成長的氮化鋁薄膜結晶情形以X-ray繞射儀(XRD)來得知,以穿透式電子顯微鏡(TEM)來分析氮化鋁薄膜的晶粒成長情形,並與反應性濺鍍法成長之氮化鋁薄膜作一比較。
由X-ray分析結果顯示,使用氮化鋁靶材成長氮化鋁薄膜具有較佳的C軸擇優取向。含有氮成份的基材,在17㎝的濺鍍距離下,對氮化鋁薄膜成長有正面的助益效果。從 TEM觀察得知所沈積的氮化鋁薄膜呈柱狀結構。

Abstract

AlN thin films grown on Si、Glass、SiO2 and Si3N4 substrate by RF magnetron sputtering technique with AlN target has been studied.Room temperature growth was applied to this study.During thin film growing, sputtering work pressure, sputtering power, sputtering working distance and sputtering time are those key parameters to be adjusted in order to highly C-axis prefer orientation AlN thin films.
The microstructures of the AlN films were examined by x-ray diffraction. TEM was adopted to observe grain growth of the AlN films. The results was compared with the results of reactive RF magnetron sputtering.
The results of the X-ray patterns showed that the strong C-axis prefer orientation of the AlN films were obtained with AlN target. in a 17㎝ long sputtering working distance condition, chemical composition of substrate can help to growth of AlN films. The column structures of AlN films can be observed by TEM.

目 錄


目錄……………………………………………………………………..Ⅰ表目錄………………………………………………………………….Ⅲ圖目錄………………………………………………………………….Ⅵ
第一章 前言………………………………………………………….…1
第二章 理論分析………………………………………………………..3
2.1 氮化鋁的結構與特性……………………………………………3
2.2 濺鍍原理…………………………………………………………4
2.3 射頻磁控濺鍍法之原理與特性…………………………………5
2.3.1 射頻濺鍍………………………………………………….5
2.3.2 磁控濺鍍………………………………………………….6
2.3.3 射頻與磁控濺鍍法之結合……………………………….7
2.4 薄膜沈積之機制…………………………………………………7
第三章 文獻回顧及實驗規劃…………………….………………….…9
3.1 文獻探討…………………………………………………………9
3.2 實驗設備………………………………………………………..10
3.3 實驗流程………………………………………………………..12
3.3.1 試片清洗………………………………………………...12
3.3.2 濺鍍實驗流程…………………………………………...13
3.4 薄膜成長分析方法……………………………………………..14
第四章 實驗結果與討論………………………………………….…...17
4.1 濺鍍條件對晶體結構之影響…………………………………..17
4.1.1 濺鍍功率及基材種類之影響…………………………...17
4.1.2 成長速率及濺鍍距離的影響…………………………...25
4.2 濺鍍條件對晶粒成長之影響…………………………………..28
第五章 結論……………………………………………….…………...31
參考文獻………………………………………………………………..32


表 目 錄

表一 氮化鋁材料之基本特性…………………………………………36
表二 基材對薄膜成長之影響…………………………………………37
表三 ZnO薄膜成長與氧化合物基板之關係…………………………38
表四 實驗參數…………………………………………………………39
表五 各基材之熱傳導係數……………………………………………40
表六 氮化鋁之X-ray繞射資料……………………………………….41


圖 目 錄

圖1.1 氮化矽基材中之氮成份對氮化鋁薄膜之影響示意圖…….....42
圖2.1 氮化鋁的晶體構造:(a)變形四面體結構,(b)單位晶胞圖,
(c)纖鋅礦之立體結構示意圖(黑球為鋁原子,白球為氮原子)……………………………………………………………43
圖2.2 AC電漿產生器的應用。(a) 主要硬體配置;(b)至(d)分
別顯示AC電漿內的帶電粒子在不同AC狀態下的運動行為;(e) RF電漿內的整體情形………………….………….44
圖2.3 射頻裝置的陰極電位隨頻率變化的情形…………………..45
圖2.4 射頻裝置的陰極電位變化與淨電流之關係………………..46
圖2.5 平面型圓形磁控之結構圖…………………………………..47
圖2.6 平面磁控結構及電子運動路徑圖…………………………..47
圖3.1 射頻磁控濺鍍系統構造圖……………………………………48
圖4.1 不同功率下,氧化鋁基材上之薄膜成長繞射結果……………..49
圖4.2 不同功率下,氮化鋁基材上之薄膜成長繞射結果……………..49
圖4.3 功率180w時,各基材上之薄膜成長繞射結果………………...50
圖4.4 功率200w時,各基材上之薄膜成長繞射結果…………………50
圖4.5 功率220w時,各基材上之薄膜成長繞射結果…………………51
圖4.6 功率180w時玻璃基材上成長之結果…………………………51
圖4.7 功率300w,濺鍍時間20min,基材上之薄膜成長繞射結果……52
圖4.8 功率300,在各基材上之薄膜成長繞射結果………………...…52
圖4.9 功率300w時玻璃基材上成長之結果…………………………53
圖4.10 功率300w時氮化矽及氧化矽基材上成長結果比較………..53
圖4.11 相同基材下,功率220w與功率300w時薄膜成長繞射結果…54
圖4.12 相同基材下,功率220w與功率300w時薄膜成長繞射結果…54
圖4.13 相同基材下,功率220w與功率300w時薄膜成長繞射結果…55
圖4.14 相同基材下,功率220w與功率300w時薄膜成長繞射結果…55
圖4.15 文獻[36]中,矽基材上之薄膜成長繞射結果………………….56
圖4.16 文獻[36]中,玻璃基材上之薄膜成長繞射結果……………….56
圖4.17 功率200w,濺鍍距離8cm之薄膜成長結果…………………..57
圖4.18 功率200w,濺鍍距離9cm之薄膜成長結果…………………..57
圖4.19 濺鍍距離為9cm時之濺鍍範圍………………………………58
圖4.20 濺鍍距離8cm時玻璃基材上成長之結果…………………….58
圖4.21 濺鍍距離8cm時矽基材上成長之結果……………………….59
圖4.22 氧化矽基材上,改變濺鍍距離之薄膜成長比較圖……………59
圖4.23 氮化矽基材上,改變濺鍍距離之薄膜成長比較圖……………60
圖4.24 矽基材上,改變濺鍍距離之薄膜成長比較圖…………………60
圖4.25 玻璃基材上,改變濺鍍距離之薄膜成長比較圖………………61
圖4.26 實驗六中SiO2基材上沈積之氮化鋁薄膜TEM繞射圖,
沈積條件:濺鍍功率300w,濺鍍距離17cm,濺鍍壓力3mtorr,
濺鍍時間3hr…………………………………………………62
圖4.27 文獻[36]之TEM微結構圖,濺鍍功率300w,濺鍍距離
17cm,濺鍍壓力6mtorr,濺鍍時間3hr………………………..65
圖4.28 實驗六中Si3N4基材上沈積之氮化鋁薄膜TEM明視野圖,
沈積條件:濺鍍功率300w,濺鍍距離17cm,濺鍍壓力3mtorr,
濺鍍時間3hr…………………………………………………66

參 考 文 獻


[1] A.F. Belyanin, L. L. Bouilov, V. V. zhirnov, A. I. Kamenev, K. A. Kovalskij, Diamond and Related Materials, 8 (1999) 369-372
[2] S. Okamura, H. Nishi, T. Inada and H. Hashimoto, Appl. Phys. Lett., 40 (1992) 689
[3] B. Wang, Y. N. Zhao and Z. He, vacuum, vol.48, NO.5, (1997) 427-429
[4] Kazuo Tsubouchi and Nobuo Mikoshiba, IEEE Trans. Sonics Ultrason., SU-32, 5 (1985) 634
[5] Jipo Huang, Lian Wei Wang, Qin Wo Shen, Cheng Lu Lin, and Mikael Osting, Journal of Electronic Materials, Vol.28, NO3, (1999) 225-227
[6] M. Ishihara, S. J. Li, H. Yumoto, K. Akashi, Y. Ide, Thin Solid Film, 316 (1998) 152-157
[7] A. Raveh, M Weiss, M. pinkas, D. Z. Rosen, G. Kimmel, Surface and Coating Technology, 114 (1999) 369-372
[8] M.Mortia, S. Isogai, K. Tsubouchi and N. Mikoshiba, Appl. Phys. Lett., 38 (1981) 50
[9] K. S. Stevens, M. Kinniburgh A. F. Schwartzman, A Ohtani and R. Beresford, Appl. Phys. Lett., 66 (1995) 3179
[10]G. Este, R. Surridge and W. D. Westwood, J. Vac. Sci. Technol., A4 (1986) 989
[11]R. Bensalem, A. Abid and B. J. Sealy, Thin Solid Films, 143 (1986) 141
[12]T. Shiosaki, T. Yamamoto, T. Oda and A. Kawabata, Appl. Phys. Lett., 36 (1980) 643
[13]J. S. Wang, K. M. Lakin, Appl. Phys. Lett., 40 (1982) 308
[14]D. C. Bertolet, Herng Liu and J. W. Rogers, Jr., J. Appl. Phys., 75 (1994) 5385
[15]M. T. Wauk and D. K. Winslow, Appl. Phys. Lett., 13 (1968)
286
[16]R. D. Vispute, Hong Wu and J. Narayan, Appl. Phys. Lett., 67 (1995) 1549
[17]Hiroshi Okano, Toshihrau Tanaka, Kenichi Shibata and Shoichi Nakano, Jpn. J. Appl. Phys., 31 (1992) 3017
[18]R. Rpdriguez-Clement, B. Aspar, N. Armas, C.Combescure, J. Durand and A. Figeras, J. Crystal Growth, 133 (1993) 59
[19]顏豐明, “材料與社會” , 工研院工業材料研究所, 73 (1993) p45
[20]黃肇瑞, “陶瓷技術手冊(下)” ,(1995) p797
[21]莊達人, “VLSI 製造技術” ,高立圖書, (2001) p559,p147
[22]施敏著, 張俊彥譯, “半導體元件物理與製作技術” , 高立圖書,(1990)p429
[23]Donald L. smith : Thin-Film Deposition Principles and Practice, The McGraw-Hill Companies, Inc. (1999) 483-499
[24]Milton Ohring : The Materials Science of Thin Film, Academic Press, (1992) 121-123
[25]C.Y. Chang, Francis Kai : GaAs High-Speed Devices, John Wiley ＆ Sons, Inc. (1994) 142-143
[26]John L. Vossen and Werner Kern, “Thin Film Process”, Academic Press, (1991) 134
[27]Donald L. Smith : Thin-Film Deposition Principles and Practice, The McGraw-Hill Companies, Inc. (1999) 157
[28]M. Gross, G. Henn, H. Schroder* Materials Science and Engineering B50 (1997) 16-19
[29]Jae Hyoung Choi 等, Thin Solid Film 384 (2001) 166-172
[30] John F. O’Hanlon , A User’s Guide to Vacuum Technology, (1998) p32
[31] Won Taeg Lim*, Byoung Keun Son, Dong Hae Kang, Chang Hyo
Lee, Thin Solid Films, 382(2001)56-60
[32] Won Taeg Lim*, Chang Hyo Lee, Thin Solid Films, 353(1999)12-15
[33] R. D. Vispute, J. Narayan, J. D. Budai, Thin Solid Films,
299(1997)94-103
[34] C. C. Chang, J. H. Chang,中國材料科學學會82年年會論文
[35] C. C. Chang, S. K. Fang,中國材料科學學會82年年會論文
[36] 黃靜茹,”在底層電極上以常溫成長氮化鋁薄膜之研究”國立中山大學材料科學研究所碩士論文,(2000)