本論文使用反應性射頻磁控濺鍍法，在SiO2/Si基板上沈積氮化鋁(AlN)薄膜，藉由XRD、SEM、TEM與AFM分析，結果顯示沈積高C軸排向AlN薄膜最適合之濺鍍條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30%、基板溫度400℃。同時，將以此條件沈積所得之氮化鋁薄膜，進行熱處理(600℃∼1150℃ In N2, 2hrs)，實驗結果顯示溫度在600℃∼800℃時，並不會破壞薄膜的結晶性；相反地，當溫度大於1000℃時，薄膜將與外界氧氣發生反應生成AlO:N oxide。
此外，在經熱處理後(800℃, 2hrs)的薄膜上製作指叉換能器，以量測SAW元件特性。實驗結果顯示，在波長為32

Aluminum nitride (AlN) thin films were deposited on SiO2/Si substrates using the reactive RF magnetron sputtering in this thesis. By means of the analysis of XRD, SEM, TEM and AFM, the optimal deposition conditions of highly C-axis oriented AlN films were obtained with RF power of 190W, sputtering pressure of 3mTorr, nitrogen concentration (N2/N2+Ar) of 30%, and substrate temperature of 400℃. The characteristics of films annealed at temperature range from 600℃ to 1150℃ with N2 flow for 2 hours has been studied. Experimental results reveal that the films retain the high quality up to 800℃. But when the temperature above 1000℃, AlN films will be oxided to AlO:N.
In addition, the interdigital transducers (IDTs) were fabricated on the films annealed at 800℃ for 2 hours to study the characteristics of SAW devices. The results show that the central frequency, insertion loss and phase velocity of SAW were 182.25 MHz, -12.95 dB and 5824 m/sec, respectively. At the same time, we try to match the impedence of devices and improve the frequency response by using a simulation program. After the impedence was matched, the insertion are not strongly improved but the frequency response and closed-in sidelobe rejection exhibit better.
The effects of temperature on the SAW devices show that the central frequency almost does not shift when the temperature increases. But the insertion loss slightly increases with the temperature increased, the variation is about -0.02 dB/℃.

摘要 I

目錄 III

圖表目錄 V

第一章 前言 1

第二章 理論分析 4
2.1 AlN結構與特性 4
2.2反應性射頻磁控濺鍍原理 5
2.3 SAW元件的理論 8
2.4 SAW元件的參數性質 9

第三章 實驗 12
3.1矽基板特性與清洗方法 12
3.2濺鍍系統與薄膜沉積 13
3.3 X光繞射分析 14
3.4掃描式電子顯微鏡分析 15
3.5原子力顯微鏡分析 15
3.6二次離子質譜儀分析 16
3.7穿透式電子顯微鏡分析 16
3.8熱處理 17
3.9 SAW元件的製作 17
3.10光學顯微鏡分析 18
3.11元件測量 19

第四章 結果與討論 20
4.1濺鍍功率之影響 20
4.2濺鍍壓力之影響 22
4.3氮氣濃度之影響 23
4.4基板溫度之影響 24
4.5沈積時間之影響 25
4.6二次離子質譜儀分析 26
4.7穿透式電子顯微鏡分析 27
4.8熱處理之影響 27
4.9 IDT製作 29
4.10 SAW元件分析 30

第五章 結論 32

參考文獻 34

圖 表 目 錄

圖2.1 AlN的結晶構造：(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，其中黑球代表鋁原子，白球代表氮原子 39
圖2.2 直流輝光放電結構與電位分佈圖 40
圖2.3 平面型圓形磁控之結構圖 41
圖2.4 平面磁控結構及電子運動路徑 41
圖2.5 反應性濺射之模型 42
圖2.6 由縱波與剪波組合而成的SAW：(a)縱波傳播模式，(b)剪波傳播模式，(c)SAW傳波模式 43
圖2.7 設計SAW元件的窗口函數技術 44
圖3.1 射頻磁控濺鍍系統構造圖 45
圖3.2 射頻磁控濺鍍系統操作之流程圖 46
圖3.3 熱處理裝置示意圖 47
圖3.4 熱處理的程序圖 48
圖3.5 IDTs電極製作之流程圖 49
圖3.6 舉離法製程之示意圖 50
圖4.1 不同濺鍍功率下沈積氮化鋁薄膜之XRD圖；固定條件為腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 51
圖4.2 不同濺鍍功率下沈積氮化鋁薄膜之SEM圖；固定條件為腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 52
圖4.3 不同腔室壓力下沈積氮化鋁薄膜之XRD圖；固定條件為濺鍍功率190W、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 53
圖4.4 不同腔室壓力下沈積氮化鋁薄膜之SEM圖；固定條件為濺鍍功率190W、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 54
圖4.5 不同氮氣濃度下沈積氮化鋁薄膜之XRD圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 55
圖4.6 不同氮氣濃度下沈積氮化鋁薄膜之SEM圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 56
圖4.7 不同基板溫度下沈積氮化鋁薄膜之XRD圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、沈積時間3hrs 57
圖4.8 不同基板溫度下沈積氮化鋁薄膜之SEM圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、沈積時間3hrs 58
圖4.9 C軸(002)排向氮化鋁薄膜的半高寬值(FWHM)對濺鍍條件：(a)濺鍍功率，(b)腔室壓力，(c)氮氣濃度，(d)基板溫度 之變化圖 59
圖4.10 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之XRD圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃ 60
圖4.11 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之SEM圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃ 61
圖4.12 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜剖面之SEM圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃ 62
圖4.13 (a)不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之半高寬值；(b)不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之厚度圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃ 63
圖4.14 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之AFM照片；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃ 64
圖4.15 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之粗糙度的關係圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃ 65
圖4.16 濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs下，在SiO2/Si上沈積氮化鋁薄膜之SIMS分析圖 66
圖4.17 濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs下，氮化鋁薄膜Cross-section view之TEM分析，(a)為薄膜成長區之擇區繞射圖，(b)為明視野圖 67
圖4.18 不同熱處理溫度下，氮化鋁薄膜之XRD圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 68
圖4.19 不同熱處理溫度下，氮化鋁薄膜之SEM圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 69
圖4.20 不同熱處理溫度下，氮化鋁薄膜之AFM圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 70
圖4.21 不同熱處理溫度下氮化鋁薄膜之正規化粗糙度的關係圖；固定條件為濺鍍功率190W、腔室壓力3mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃、沈積時間3hrs 71
圖4.22 SAW元件的頻率響應圖 72
圖4.23 SAW元件未經阻抗匹配之史密斯圖 73
圖4.24 SAW元件阻抗匹配之電路圖 74
圖4.25 SAW元件經阻抗匹配後之頻率響應圖 75
圖4.26 SAW元件經阻抗匹配後之史密斯圖 76
圖4.27 SAW元件中心頻率對溫度變化圖 77
圖4.28 SAW元件插入損對溫度變化圖 78
表一 可用做表面聲波元件的材料。 79
表二 AlN材料的基本特性。 80
表三 反應性射頻磁控濺鍍系統沈積氮化鋁薄膜之系統參數 81
表四 JCPDS DATAS OF AlN POWDER 82
表五 IDTs電極設計之參數 83

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