氮化鋁薄膜由於具有相當高的表面聲波速度，在近年來相當的受到重視，除了用來製作高頻表面聲波元件（SAW）與薄膜體波共振器（FBAR），隨著光電產業的發展，氮化鋁薄膜也被應用在藍光二極體上，作為生長GaN的緩衝層(buffer layer)，加上氮化鋁為六方晶系結構，在C軸方向具有良好的壓電性，因此使得氮化鋁薄膜應用越來越廣泛。
本研究目的在於利用離子束濺鍍法，藉由改變離子束能量、基板溫度等製程參數，成長出具有良好C軸擇優取向之氮化鋁薄膜，並利用各種儀器分析觀察其顯微結構。
本實驗成功的利用離子束濺鍍法以純鋁為靶材，離子束能量控制在800 eV，工作壓力4×10-4torr、氮氣與氬氣濃度比例為6:4，在基板不加熱的條件下，成長出具有良好C軸擇優取向之氮化鋁薄膜。

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1. 簡介 1

2. 原理 4
2.1氮化鋁結構與特性 4
2.2離子束濺鍍 5
2.3離子束濺鍍與磁控濺鍍的比較 8
2.4薄膜沉積機制 9
2.5文獻回顧 12
2.5.1基板種類 12
2.5.2工作壓力 13
2.5.3基板溫度 13
2.5.4氮氣含量 14
2.5.5濺鍍功率 14

3. 實驗方法 15
3.1試片製作步驟 15
3.1.1基板清洗 15
3.1.2鍍膜 16
3.1.3退火試驗 17
3.2分析方法 17
3.2.1 X光繞射儀（X-ray diffraction） 18
3.2.2掃描式電子顯微鏡（SEM） 18
3.2.3穿透式電子顯微鏡（TEM） 19
3.2.4電子能譜化學分析儀( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，ESCA ) 20

4. 結果 21
4.1 XRD分析 21
4.1.1離子源能量之影響 21
4.1.2基板溫度之影響 22
4.2 TEM分析 23
4.2.1離子源能量之影響 23
4.2.2基板溫度之影響 25
4.3 ESCA分析 26
4.4退火試驗 27
4.4.1 XRD分析 27
4.4.2 SEM分析 28
4.4.3 TEM分析 28

5. 討論 30
5.1離子源能量之影響 30
5.2基板溫度之影響 32
5.3退火試驗 34

6. 結論 37

參考文獻 39
表目錄

表一、表面聲波元件之基板材料 41
表二、氮化鋁薄膜在不同沉積法之光特性 41
表三、氮化鋁材料之基本特性 42
表四、儀器使用範圍 42
表五、基材對薄膜之影響 43
表六、常用基材之熱傳導係數 44
表七、試片生成條件表（沉積時間3hr） 45
表八、圖4-5（a）電子繞射環由內向外分析 46
表九、圖4-5（d）電子繞射環由內向外分析 46
表十、圖4-6（a）電子繞射環由內向外分析 46
表十一、圖4-6（d）電子繞射環由內向外分析 46
表十二、圖4-7（a）電子繞射環由內向外分析 47
表十三、圖4-7（d）電子繞射環由內向外分析 47
表十四、圖4-8（a）電子繞射環由內向外分析 47
表十五、圖4-8（d）電子繞射環由內向外分析 47
表十六、圖4-10（a）電子繞射環由內向外分析 48
表十七、圖4-10（d）電子繞射環由內向外分析 48
表十八、圖4-11（a）電子繞射環由內向外分析 48
表十九、圖4-11（d）電子繞射環由內向外分析 48
表二十、圖4-15（a）電子繞射環由內向外分析 49
表二十一、圖4-15（d）電子繞射環由內向外分析 49
表二十二、4-27（a）電子繞射環由內向外分析 49
表二十三、圖4-27（d）電子繞射環由內向外分析 49
表二十四、圖4-28（a）電子繞射環由內向外分析 50
表二十五、圖4-28（d）電子繞射環由內向外分析 50
表二十六、不同試片出現之X-Ray晶面繞射峰一覽表 50









圖目錄

圖2－1、AlN的晶體結構：（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 51
圖2－2、離子束濺鍍系統示意圖 52
圖2－3、離子源的剖面圖 52
圖2－4、放電室電路示意圖 53
圖2－5、氬離子束對幾種金屬靶的濺射率與入射角的關係圖 53
圖2－6、離子束電流量與兩柵極之關係圖 54
圖2－7、鍍膜方式、基板溫度與粒子能量關係圖 54
圖2－8、薄膜成長機制圖 55
圖2－9、晶粒大小與相關自由能之關係曲線圖 55
圖2－10、晶粒聚集圖 56
圖2－11、JCPDS DATAS OF AlN POWDER 56
圖3－1、實驗流程圖 57
圖4－1、不同能量之離子束所得之XRD比較圖 58
圖4－2、不同能量之離子束所得之XRD比較圖 59
圖4－3、不同基板溫度所得之XRD比較圖 60
圖4－4、不同基板溫度所得之XRD比較圖。 61
圖4－5、試片A3薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 62
試片A3薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 64
圖4－6、試片A4薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 66
試片A4薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 68
圖4－7、試片A5薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 70
試片A5薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 72
圖4－8、試片B3薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 74
試片B3薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 76
圖4－9、不同離子束能量沉積速率圖。（以純鋁為靶材、在基板不加熱、工作壓力4X10 –4 torr、氮氣濃度60％、沉積時間3小時） 78
圖4－10、試片A2.1薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 79
試片A2.1薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 81
圖4－11、試片A2.2薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 83
試片A2.2薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 85
圖4－12、利用奈米電子束繞射(Nano - Beam Diffraction，NBD)針對amorphous區所得之SAD pattern 87
圖4－13、利用EDS針對amorphous區域進行測量所得結果 88
圖4－14、利用EDS針對柱狀晶區域進行測量所得結果 89
圖4－15、試片A4.1薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 90
試片A2.2薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 92
圖4－16、不同離子束能量所得之ESCA survey圖形 94
圖4－17、試片B3所得之ESCA survey圖形 95
圖4－18、以ESCA計算軟體模擬Al 2p鍵結能波形（試片A3） 96
圖4－19、以ESCA計算軟體模擬Al 2p鍵結能波形（試片A4） 96
圖4－20、以ESCA計算軟體模擬Al 2p鍵結能波形（試片A5） 97
圖4－21、以ESCA計算軟體模擬Al 2p鍵結能波形（試片A2.2） 97
圖4－22、以ESCA計算軟體模擬Al 2p鍵結能波形（試片B3） 98
圖4－23、試片A4真空封管進行300℃不同時間熱處理所得XRD圖 99
圖4－24、試片A4氮氣封管進行300℃不同時間熱處理所得XRD圖 100
圖4－25、試片A4真空封管以300℃進行不同時間熱處理後所得的表面SEM圖。（a）6hr、（b）12hr、（c）24hr 101
圖4－26、試片A4氮氣封管以300℃進行不同時間熱處理後所得的表面SEM圖。（a）6hr、（b）12hr、（c）24hr 104
圖4－27、試片A4-V薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 105
試片A2.2薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 107
圖4－28、試片A4-N2薄膜表面TEM圖。（a）SAD pattern、（b）明視野圖、（c）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 109
試片A4-N2薄膜橫截面TEM圖。（d）SAD pattern、（e）明視野圖、（f）AlN(100)、（002）、（101）形成之暗視野圖 111
圖4－29、利用EDS對熱處理試片表面做Mapping結果 113

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