臺灣博碩士論文加值系統

本實驗以電子迴旋共振之化學氣相沈積法(ECR-CVD)合成氟化非晶質碳膜，氟化非晶質碳膜具有非常低的介電常數值(< 2.5)及漏電流，但氟原子的添加會導致薄膜中平均配位數的下降，減少交聯鍵結結構，因此具有較差的熱穩定性，另一方面由於C-F鍵結的低極化率，低表面張力，導致氟化非晶質碳膜的表面具有非親水性，與金屬材料的附著性極差。
因此為了減少氟化非晶質碳膜表面的氟原子含量，本實驗藉由乙炔/氮氣電漿表面處理技術進而改變氟化非晶質碳膜表面之物理及化學性質，有效降低表面氟原子的含量，在經過400℃的退火處理後，薄膜表面氮含量些微下降，氟含量些微上升，推測可有效減少介電常數值。另一方面退火處理降低了dangling bonds、network voids等缺陷，薄膜內應力也可藉由退火處理的過程而釋放。
另外非晶質碳膜具有負陰電之親和性、較高的熱傳導性以及低的功函數，因此被視為良好的場發射材料。本實驗所合成之氟化非晶質碳膜可獲得非常低的功函數及起始電場，穩定性高。

目 錄
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
Ⅰ、低介電常數材料 3
2.1時間延遲效應(RC delay) 3
2.2低介電材料基本性質之要求 7
2.3介電理論 13
2.3.1極化機制 13
2.3.2漏電流機制 17
2.4低介電常數材料之簡介 17
2.4.1二氧化矽(SiO2) 17
2.4.2氟化二氧化矽(fluorosilicate glass, SiOF) 18
2.4.3氟化非晶質碳膜(fluorinated carbon film) 18
2.4.4多孔性二氧化矽(porous silica) 18
Ⅱ、場發射冷陰極材料 18
2.5非晶質碳膜在電子場發射的應用 18
第三章 實驗步驟與流程 36
3.1實驗步驟 18
3.1.1試片準備 18
3.1.2沈積系統－電子迴旋共振之化學氣相沈積系統(electron cyclotron resonance chemical vapor deposition，ECR-CVD) 18
3.2實驗流程 41
3.2.1低介電常數材料 18
3.2.2場發射冷陰極材料 18
3.3分析儀器及量測原理 18
3.3.1掃瞄式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM) 18
3.3.2原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM) 18
3.3.3化學分析電子儀(electron spectroscopy for chemical analysis，ESCA) 18
3.3.4介電常數之量測 18
3.3.5漏電流量測 18
3.3.6場發射量測 18
第四章 結果與討論 52
4.1氟化非晶質碳膜 18
4.1.1氣體流量比對成分及鍵結型態的影響 18
4.1.2氣體流量比對表面形貌及粗糙度的影響 18
4.1.3薄膜中氟含量對薄膜結構的影響 18
4.1.4氣體流量比對電性的影響 59
4.2乙炔/氮氣電漿表面處理對氟化非晶質碳膜的影響 18
4.2.1電漿表面處理對成分及鍵結型態的影響 18
4.2.2電漿表面處理對表面形貌的影響 18
4.2.3電漿表面處理對電性量測的影響 70
4.2.4退火處理對氟化非晶質碳膜的影響 81
4.3氟化非晶質碳膜在場發射上的應用 85
4.3.1氬氣電漿處理對薄膜成分及鍵結的影響 18
4.3.2氬氣電漿處理對薄膜表面粗糙度的影響 88
4.3.3場發射性質量測 88
第五章 結論 97
參考文獻 99
圖 目 錄
圖2.1利用銅導線與低介電常數材料來減少延遲效應之示意圖。 4
圖2.2金屬內連接線與介電材料的橫截面圖。 5
圖2.3線型、分支及交連聚合體的表示圖。 11
圖2.4極化機制。 14
圖2.5頻率對極化率的影響。 16
圖2.6穿隧機制公式及示意圖。 18
圖2.7氟化二氧化矽結構式意圖。 18
圖2-8氫氣在CF4-H2內的比例對SiO2與Si蝕刻速率的影響。 18
圖2-9氟碳比與DC偏壓對電漿反應的影響。 18
圖2.10氟化非晶質碳膜經過一個月陳化處理的結果。 18
圖3.1電性量測之MIM結構示意圖。 18
圖3.2電漿溫度與壓力變化之關係圖。 18
圖3.3電子迴旋共振之化學氣相沈積系統示意圖。 18
圖3.4 SEM主要構造示意圖。 18
圖3.5電子束撞擊試片時，各種訊號產生範圍及空間解析度示意圖。…. 18
圖3.6光電子發生原理示意圖。 18
圖3.7 ESCA儀器原理示意圖。 18
圖3.8場發射量測機台 Keithley 237示意圖。 18
圖4.1氟化非晶質碳膜的成分隨著不同F/C比的影響。 18
圖4.2氟化非晶質碳膜C1s電子束縛能隨著乙炔流量變化的情形。 18
圖4.3乙炔流量10 sccm之SEM形貌。 18
圖4.4乙炔流量5 sccm (a) 及10 sccm (b) 之AFM形貌。 18
圖4.5隨著乙炔/氮氣電漿表面處理時間的增加對薄膜表面碳、氮及氟原子含量的影響。 18
圖4.6隨著乙炔/氮氣電漿表面處理時間的增加對C1s化學束縛能的影響。 18
圖4.7隨著乙炔/氮氣電漿表面處理時間的增加對C1s電子束縛能的影響(a) 0 sec、(b) 20 sec、(c) 40 sec、(d) 60 sec、(e) 80 sec。 18
圖4.8隨著乙炔/氮氣電漿表面處理時間的增加對AFM表面形貌的影響。. 69
圖4.9介電常數值隨著乙炔/氮氣電漿表面處理時間增加的情形。 18
圖4.10介電常數值隨著乙炔/氮氣電漿表面處理時間增加的情形。 73
圖4.11隨著頻率的變化對其介電常數值的影響。 18
圖4.12隨著乙炔/氮氣電漿處理時間的變化對漏電流的影響。 18
圖4.13漏電流機制(Schottky 熱發射)。 79
圖4.14漏電流機制(Frenkel-Pool效應)。 80
圖4.15隨著氬氣電漿處理時間的增加對成分的影響。 86
圖4.16氟化非晶質碳膜的結構示意圖。 87
圖4.17氟化非晶質碳膜的C1s電子束縛能隨著氬氣電漿處理時間變化的情形。 18
圖4.18隨著氬氣電漿處理時間對薄膜粗糙度的影響。 90
圖4.19為不同氬氣電漿處理時間所量測出來的電流與電壓關係圖。… 91
圖4.20薄膜中的氟含量對場發射起始電場值的影響。 18
圖4.21 Fowler-Nordheim(F-N plot)關係圖。 18
表 目 錄
表2.1低介電常數材料基本性質之要求。 8
表2.2有機高分子材料的熔點及介電常數值。 9
表2.3氟化非晶質碳膜經由退火處理後介電常數值之變化。 18
表2.4奈米碳管當作冷陰極材料之起始電場及臨界電場值。 18
表2.5不同薄膜當作冷陰極材料之起始電場及臨界電場值。 18
表4.1乙炔流量比(5 sccm及10 sccm)對電性量測的影響。 18
表4.2退火處理(400℃)對不同電漿處理時間薄膜含量的影響。 82
表4.3退火處理(400℃)對不同電漿處理時間薄膜表面粗糙度的影響。… 84
表4.4連續操作數次對氟化非晶質碳膜成分的影響。 94

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