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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭曉文
研究生(外文):H.W.Kuo
論文名稱:氮化鈦薄膜在Si(111)基板上磊晶成長
論文名稱(外文):Epitaxial Growth of TiN Thin Film On Si(111) Substrate
指導教授:吳信田
指導教授(外文):S.T.Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
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:132
中文關鍵詞:氮化鈦磊晶反應式濺鍍薄膜分析
外文關鍵詞:epitaxial growthtitanium nitridethin filmsputtering
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本實驗研究方向及動機是為了了解氮化鈦在矽(111)基板上成長的微結構,並調整基板溫度與氮氣分壓濺鍍各種氮化鈦薄膜,試著了解基板溫度與氮氣分壓對於磊晶薄膜會有何種影響。
我們使用直流磁控濺鍍的方法,在矽(111)基板上濺鍍氮化鈦薄膜,我將試片分為(A)(B)兩組,(A)組是氮氣分壓為6.0×10-5torr,從100℃到900℃;(B)組是3.0×10-5torr,從100℃到900℃。對濺鍍薄膜做X-ray θ/ 2θ繞射分析、X-ray pole figure 分析、X-ray θscan 半高寬測量、HRTEM 結構分析、歐傑電子分析儀分析、掃描式電子顯微鏡(SEM)分析、原子力顯微鏡(AFM)分析等,對濺鍍膜作各式的觀察分析,以期能徹底了解薄膜的結構與特性。
由於氮化鈦的濺鍍條件十分嚴苛,加上本實驗所使用反應式濺鍍速率緩慢,大約20Å/min,更讓製程條件能容忍的範圍減小,經過多次的實驗,找出最佳的氮氣分壓約6.0×10-5torr,而氬氣分壓約為3.0×10-3torr,也就是說當氮氣與氬氣的分壓比為1:50時,在其餘製程參數不變之下,可以得到成分均勻的氮化鈦薄膜。
目錄
圖目錄………………………………………………………………… V
表目錄………………………………………………………………… IX
第一章簡介 ……………………………………………………… 1
1-1 濺鍍系統裝置……………………………………………… 1
1-1.1 真空系統……………………………………………… 1
1-1.2 直流磁控濺鍍系統…………………………………… 1
1-2 薄膜分析儀器原理簡介…………………………………… 2
1-2.1電子顯微鏡……………………………………………… 3
1-2.2 X-ray分析檢測…………………………………………… 6
1-2.3 歐傑電子分析儀 (Auger Electron Spectroscopy)… 9
1-2.4掃描式電子顯微鏡觀察(SEM)…………………………… 10
1-2.5原子力顯微鏡觀察(AFM)……………………………….. 11
1-3氮化鈦的應用………………………………………………… 12第二章文獻回顧……………………………………………………… 26
2-1 氮化鈦薄膜的被覆方法…………………………………… 26
2-1.1電漿化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)………………………………………………….. 26
2-1.2電子束蒸發活化反應離子被覆技術(E-gun reactive ion plating, EIP)……………………………………………………………27
2-1.3中空陰極放電離子被覆技術(Hollow cathode discharge ion plating, HCD)…………………………………………………………...27
2-1.4 陰極電弧放電離子被覆技術(cathodic arc plasma ion plating, CAP)……………………………………………………………28
2-1.5磁控濺射離子被覆法(magnetron sputter ion plating, MSIP)
…………………………………………………………………………..29
2-2 電漿的形成…………………………………………………..29
2-2.1 氣體動力論……………………………………………….30
2-2.2直流式電漿…………………………………………………32
2-2.3 低溫電漿的熱力學與反應機構………………………… 34
2-3 氮化鈦薄膜的型態(morphology)…………………………… 37
2-4結晶體的優選織構……………………………………………. 38
2-5 氮化鈦薄膜與矽基板的理論方向性關係…………………… 39
第三章氮化鈦試片製備……………………………………………… 57
3-1 氮化鈦試片製備流程………………………………………… 57
3-1.1 基板清洗………………………………………………… 57
3-1.2 氮化鈦濺鍍製程………………………………………… 58
3-2 電鏡試片的製備…………………………………………….. 59
3-3 X-ray分析試片的製作…………………………………….. 62
3-4 歐傑電子分析儀(Auger Electron Spectroscopy)試片製作
……………………………………………………………………… 63
3-5 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)試片製作……………………………………………………………………..63
3-6 原子力顯微鏡(AFM)試片製作……………………………..64
第四章結果與討論…………………………………………………….76
4-1 氮化鈦薄膜的型態(morphology)……………………………76
4-2 氮化鈦薄膜結構分析(the structure analysis of TiN thin film) ………………………………………………………………… 77
4-2.1 X光繞射分析………………………………………………77
4-2.2 極圖量測(pole figure)………………………………. 79
4-4 本實驗氮化鈦薄膜與Si(111)基板的方向性關係………… 81
4-4.1 TEM cross-section diffraction pattern結果與討論
…………………………………………………………………….81
4-4.2 HRTEM原子像結構圖結果與討論………………………. 82
4-5 氮化鈦薄膜成分分析………………………………………….83
4-6 氮化鈦薄膜表面的形貌……………………………………….83
4-7 氮氣降為理想值的1/2時,氮化結構的改變……………….84
4-7.1 X光繞射分析……………………………………………..85
4-7-1.1 θ-2θ的分析………………………………………85
4-7-1.2 低掠角繞射(grazing angle)分析………………..86
4-7-1.3 電子顯微鏡(Plane-view TEM)分析……………..87
4-7-1.4歐傑電子分析儀的縱深成分分析(depth profiling)…………………………………………………………….87
4-7-1.5 結果與討論………………………………………….88
第五章 總結…………………………………………………………..115
參考文獻………………………………………………………………125
附錄一 氮化鈦的物理性質………………………………………… 129
圖目錄
圖1-1 真空系統配置圖…………………………………………….15
圖1-2 高能電子束與薄樣品交互作用的訊號示意圖…………….16
圖1-3 (a)電境的呈像原理(b)影像平面的強度分佈…………….17
圖1-4 操作X-ray時常見的四大轉動參數……………………….18
圖1-5 掠角X-ray繞射法(Grazing Incident X-Ray Diffraction)………………………………………………………….19
圖1-6 粉末法(Powder Method)θ-2θ scan的幾何關係……….20
圖1-7 θ- scan(Rocking Curve)………………………………….21
圖1-8 (1)αscan(2)pole figure示意圖………………………….22圖1-9 (1)晶粒的晶向完全隨機;(2)優選織構 ……………………23
圖1-10 掃描式電鏡的基本構造…………………………………….24
圖1-11 原子力顯微鏡示意圖……………………………………..25
圖2-1 電子束蒸發活化反應離子被覆技術…………………………43
圖2-2 中空陰極放電離子被覆技術…………………………………44
圖2-3 陰極電弧放電離子被覆技術…………………………………45
圖2-4 磁控濺射離子被覆法…………………………………………. 46
圖2-5 氣體的各項性質: 各種氣體的平均速度、分子半徑與平均自由程…………………………………………………………………….47
圖2-6 馬克斯威爾---波茲曼分布山形線圖……………………….48
圖2.7 部分常用氣體的質量、速度及入射頻度…………………….49
圖2-8 (I)電漿產生器的主要硬體設計 ; (II)與(III)表示圖(I)的硬體在不同容器壓力範圍下的電性操作情形……………………….50
圖2-9 顯示帶電荷離子晶由電場加速撞擊電板板面,所產生的幾種主要粒子……………………………………………………………….51
圖2-10 電漿產生器在不同的I-V操作區間下的放電情………….52
圖2-11 在不同壓力下氣體溫度(Tg)和電子溫度(Te)的比較圖…..53
圖2-12 Gibbs free energy of TiN formation an a function of temperature……………………………………………………………54
圖2-13 Thornton 鍍膜微結構模型圖……………………………….55
圖2-14 晶格契合(lattice match)的模型圖……………………….56
圖3-1 氮化鈦試片的製作流程圖…………………………………..65
圖3-2 橫截式電子顯微鏡試片製作(I)…………………………….66
圖3-3 橫截式電子顯微鏡試片製作(II)…………………………..67
圖3-4 橫截式電子顯微鏡試片製作(III)………………………….68
圖3-5 橫截式電子顯微鏡試片製作(IV)…………………………..69
圖3-6 橫截式電子顯微鏡試片製作(V)…………………………….70
圖3-7 橫截式電子顯微鏡試片製作(VI)……………………………71
圖3-8 平面式電子顯微鏡試片製作(I)…………………………….72
圖3-9 離子研磨示意圖……………………………………………..73
圖3-10 X-ray分析儀試片座的放置方式………………………….74
圖3-11 歐傑電子縱深成分分析原理示意圖……………………….75
圖4-1 不同溫度下濺鍍出的氮化鈦薄膜的X光繞射圖…………..90
圖4-2 為濺鍍氮化鈦薄膜(A)組試片的(111)pole之極圖量測圖… 91
圖4-3 為濺鍍氮化鈦薄膜(A)組試片的(200)pole之極圖量測……92
圖4-4 試片(A)不同溫度之半高寬分析表………………………….93
圖4-5 (A)組試片900℃、800℃,Si基板[011]pole電子顯微鏡的擇區繞射圖形………………………………………………………….94
圖4-6 (A)組試片700℃、600℃,Si基板[011]pole電子顯微鏡的擇區繞射圖形………………………………………………………….95
圖4-7 (A)組試片500℃、100℃,Si基板[011]pole電子顯微鏡的擇區繞射圖形………………………………………………………….96
圖4-8 (A)組試片基板溫度為600℃的高分辨原子像圖………….97
圖4-9 基板溫度600℃,TiN(111)//Si(111) 整層膜的HRTEM結構圖……………………………………………………………………….98
圖4-10 900℃氮化鈦歐傑電子縱深成分分析圖…………………….99
圖4-11(I) 900℃到100℃掃描式電子顯微鏡(SEM)50000倍的平面觀測圖(plan view)………………………………………………….100
圖4-12 900℃橫截面觀測圖(cross-section view)…………….101
圖4-13 900℃原子力顯微鏡(AFM):(1)flatting mode(2)3D mode(3)roughness的測量圖…………………………………………102
圖4-14 500℃原子力顯微鏡(AFM):(1)flatting mode(2)3D mode(3)roughness的測量圖…………………………………………103
圖4-15 100℃原子力顯微鏡(AFM):(1)flatting mode(2)3D mode(3)roughness的測量圖…………………………………………104
圖4-16 不同溫度下的Mean roughness……………………………105
圖4-17 鈦氮相圖……………………………………………………106
圖4-18 900℃-100℃ (B)組試片X光繞射θ-2θ的分析……….107
圖4-19 TiN0.26與α-TiN0.30的JCPDS Card………………….108
圖4-20 100℃-900℃低掠角繞射分析…………………………..109
圖4-21 100℃試片grazing angle繞射分析…………………….110
圖4-22 為氮氣分壓調整為1/2的製程,基板溫度為900℃時的濺鍍膜plane-view diffraction pattern………………..111
圖4-23 900℃(B)組試片歐傑電子分析儀的縱深成分分析(depth profiling)……………………………………………………………112
圖4-24 Hexagonal結構濺鍍膜與Cubic最密堆積面Si的堆疊.113
表目錄
表一 實驗製程表各組試片的條件與編號…………………………115
表二 氮氣分壓為6.0×10-5torr的(A)組試片繞射峰關係表…….116
表三 超晶格面積的不匹配具有最小△A值比較圖……………….117
表四 晶體結構比對圖……………………………………………….118
表五 N2為3.0×10-5torr時,繞射峰實驗值與JCPDS card比對表………………………………………………………………………119
表六 濺鍍膜Diffraction Pattern晶格常數對照Ti JCPDS card對照表…………………………………………………………………120
表七 濺鍍膜Diffraction Pattern晶格常數對照TiN0.26 JCPDS card對照表……………………………………………………………121
表八 濺鍍膜Diffraction Pattern晶格常數對照αTiN0.30 JCPDS card對照表……………………………………………………………122
參考資料
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