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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:葉洸瑋
研究生(外文):guang wei ye
論文名稱:薄膜材料熱處理研究用之簡易方法
論文名稱(外文):A Simple Method for the Characterization of Thin Films During Heat Treatment
指導教授:潘吉祥潘吉祥引用關係
指導教授(外文):Chi Shiang Pan
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:精密工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:37
中文關鍵詞:熱處理薄膜微機電懸臂樑
外文關鍵詞:heat treatmentthin filmMEMScantilever beam
相關次數:
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薄膜材料在積體電路及微機電系統的應用是愈來愈廣泛,而薄膜的材料性質對於元件特性的表現是非常關鍵的一環。通常藉由對薄膜材料進行熱處理可改善薄膜之品質和特性,以符合設計需求。因此,對薄膜在熱處理中及之後,其確切的材料特性及內部組織變化要如何檢測是很重要的課題。一般來說,我們可以藉由材料試片外觀尺寸的變化來獲得重要資訊。而造成試片尺寸變化的原因可能是:熱膨脹效應、殘留應力之效應和微組織結構的改變。由於試片外觀尺寸的變化量都非常小,故必須要用非常精密的儀器去量測。但是這些儀器通常不易取得而且價格非常昂貴,且其試片的準備非常繁複。因此,本論文提出一簡易的方法,利用簡單的特徵微結構、溫控加熱台及一般實驗室常見的檢測儀器(如:光學顯微鏡及影像處理系統)來進行熱處理並同時量測試片外觀尺寸的變化。此外由其他相關的材料檢測分析儀器(如:X-光繞射儀、拉曼光譜儀及掃描式電子顯微鏡),來探討熱處理後試片之組織微結構與薄膜材料性質變化之間的關聯性。從實驗結果得知,藉由應力值的變化對照熱處理條件,可以獲得一些該薄膜材料在熱處理後的特性資訊如:熱機械性質、結晶狀況的改變及相變化等,並且由各種材料分析儀器來驗證。雖然我們使用的是非晶質矽和多晶矽作為特徵微結構的薄膜材料,但是使用其他材料一樣是可行的。未來可以朝著特徵微結構尺寸最佳化的設計、其他薄膜材料熱處理特性的量測以及更周延的材料特性分析三方面來努力。
In this paper, we propose a simple method to characterize thin film during heat treatment with a compact structure as a specimen. By detecting the variation of displacements of the structure, thereby, various kinds of information, such as thermomechanical properties, stress relieving, or microstructure variations of thin films during heat treatment, can be characterized from the record of the displacements of the structure. The measurement of displacements can be done directly under an optical microscope with the specimen placed in a heating stage. Based on this method, the specimen is free from substrate, no mechanical constraints imposed on the specimen, and the characterization can display local conditions on a wafer. To set examples, as-deposited polycrystalline silicon and amorphous silicon films have been annealing between 750℃~1050℃ and 550℃~900℃ are used as a model system to demonstrate the effectiveness of the proposed method for characterizing variations of stress-levels as function of temperature and time during heat treatment.
頁次
中文摘要……………………………………………………………… Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………… Ⅲ
誌謝…………………………………………………………………… Ⅳ
目錄…………………………………………………………………… Ⅴ
圖目錄………………………………………………………………… Ⅶ
表目錄………………………………………………………………… Ⅸ
第一章 緒論…………………………………………………………… 1
1-1研究動機……………………………………………………… 1
1-2研究目標……………………………………………………… 3
1-3論文架構……………………………………………………… 4
第二章 研究原理與實驗……………………………………………… 5
2-1研究原理……………………………………………………… 5
2-1-1特徵微結構之設計………………………………………5
2-1-2應力公式的推導…………………………………………5
2-2特徵微結構的製作…………………………………………… 8
2-3實驗儀器……………………………………………………… 9
2-3-1光學量測系統……………………………………………9
2-3-2拉曼散射光譜儀……………………………………… 10
2-3-3 X-光繞射儀…………………………………………… 12
2-3-4掃描式電子顯微鏡…………………………………… 13
2-4試片的熱處理…………………………………………………14
第三章 實驗結果與討論………………………………………………23
3-1應力的量測與分析……………………………………………23
3-1-1應力的量測…………………………………………… 23
3-1-2應力的分析與探討…………………………………… 24
3-2材料的檢測分析………………………………………………25
3-2-1拉曼光譜儀…………………………………………… 25
3-2-2 X-光繞射儀…………………………………………… 25
3-2-3掃描式電子顯微鏡…………………………………… 26
第四章 結論與未來研究方向…………………………………………33
4-1結論……………………………………………………………33
4-2未來研究方向…………………………………………………34
參考文獻……………………………………………………………… 35
圖目錄
圖2-1 特徵微結構之上視圖及側視圖……………………………… 15
圖2-2 位移-應力公式解析模型…………………………………… 15
圖2-3 懸臂樑結構之吸附效應(stiction)………………………… 16
圖2-4 懸臂樑可能出現翹曲現象…………………………………… 16圖2-5 試片的製作流程示意圖……………………………………… 17
圖2-6 經由SEM拍照得到的特徵微結構之上視圖及側視圖………17
圖2-7 光學量測系統之示意圖……………………………………… 18
圖2-8 光學量測系統的實際照片…………………………………… 18
圖2-9 探針台實驗系統……………………………………………… 19
圖2-10 特徵微結構熱處理過程中產生位移所拍攝擷取的照片及其
局部放大圖…………………………………………………………… 19
圖2-11 X-光繞射儀的實際照片…………………………………… 20圖2-12 各種不同條件之試片在2θ(25~60)間之XRD圖……… 20圖2-13 多晶矽(111)方向峰值比較圖………………………………21
圖2-14 SEM儀器的實際照片……………………………………… 21圖2-15 非晶矽在不同條件下的結晶狀況之SEM圖………………22
圖3-1 以非晶矽為結構層之懸臂樑熱處理前的OM圖…………… 27
圖3-2 以多晶矽為結構層之懸臂樑熱處理前的OM圖…………… 28
圖3-3試片二之不同尖峰溫度所對應之應力值的曲線圖………… 29
圖3-4 試片二之不同尖峰溫度與不同持溫時間所對應之應力值的曲線圖…………………………………………………………………… 29
圖3-5 以非晶矽為結構層之懸臂樑熱處理前的SEM圖………… 30
圖3-6 以多晶矽為結構層之懸臂樑熱處理前的SEM圖………… 30
圖3-7 試片一經secoo etching處理、未持溫狀況下,各種不同熱
處理溫度的表面結晶狀況SEM圖……………………………………31
圖3-8 試片二經secoo etching處理、未持溫狀況下,各種不同熱
處理溫度的表面結晶狀況SEM圖……………………………………32
表目錄
表2-1 方程式(2-3)中的係數值……………………………………… 7
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