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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:許景棟
研究生(外文):C.T.Hsu
論文名稱:超平坦薄膜之製作與分析
論文名稱(外文):Fabrication and Analysis of Ultra flat Thin Film
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:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:116
中文關鍵詞:鋁膜低溫製程超薄薄膜薄膜成長孔洞
外文關鍵詞:Aluminium thin filmsCryogenic processingUltra-thin filmsThin film growthCavity formation
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本實驗的目標,即鍍出粗糙度很小的薄膜,並利用多項製程變數的相互比較,以釐清鋁膜生長過程,對於粗糙度的影響。
實驗簡單的來說,就是觀察鋁膜在不同的基板(TiN(111) 、Al2O3(0001) 、Si(111))、不同的溫度(-190℃、室溫、600℃)、不同的厚度、及不同的織構品質下, 其粗糙度變化,並試著討論鋁膜生長模式。
實驗結果顯示,在超低溫下鍍膜,的確有助於減少膜的表面粗糙度。實驗中意外發現,於室溫及-190℃時,在鋁膜鍍在TiN(111)基板且膜厚約 7.5-10 nm時,鋁膜的表面會產生孔洞,在基板為Si(111)及Sappire(0001)時則沒有出現孔洞,這是一個值得探討的一點。
The morphology of ultra thin Al films deposited by sputter onto three different substrates ;in three different temprature; with different thickness was investigate.
摘要 I
致謝 II
目錄 III
表目錄 VI
圖目錄 V

第一章 序論……………… 1
1-1研究動機……………… 1
第二章 文獻回顧……………… 3
2-1 薄膜成長簡介 ……………………………………3
2-2 鋁膜簡介……………… 9
2-3 TiN 磊晶薄膜簡介………………………………11
第三章 實驗步驟與分析方法 21
3-1實驗設備 22
3-2薄膜濺鍍流程 24
3-2-1試片種類 24
3-2-2 TiN(111)製作過程及步驟 25
3-2-3鍍鋁膜的步驟 29
3-3試片分析部分 33
3-3-1原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope;AFM) 33
3-3-2 X光繞射(XRD)分析 35
3-3-2-1 X光反射率(X-ray reflectivity;XRR) 35
3-3-2-2 θ-2θ scan (wide-angle scan) 39
3-3-2-3 Pole Figure 40
3-3-2-4 θ- scan (Rocking curve) 41
3-3-3掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope; SEM)
42
第四章 結果與討論 58
4-1粗糙度的變化 58
4-1-1 不同的基板, 其粗糙度變化 59
4-1-2 不同的溫度, 其粗糙度變化……………… 62
4-1-3 不同的厚度, 其粗糙度變化……………… 64
4-1-4 不同的織構排列品質下, 其粗糙度變化 69
4-2其他 73
第五章 結論 111
參考文獻 113

表目錄
表2-1 鋁膜性質 …………………………………………13
表2-2 TiN膜物理性質……………………………… ……14
表3-1 各種掃瞄探針式顯微鏡型式…………………………43
表4-1 整個實驗試片的粗糙度方均根值 ……………………74
表4-2 膜及基板表面能……………………………………75
表4-3 室溫27℃ 鋁膜在各基板的粗糙度表…………………76
表4-4 -190℃ 鋁膜在各基板的粗糙度表……………………77
表4-5 600℃ 鋁膜在各基板的粗糙度表 ……………………78
表4-6 鋁膜在TiN(111)基板上,其粗糙度隨溫度的變化………79
表4-7 鋁膜在Sapphire(0001)基板上,其粗糙度隨溫度的變化…80
表4-8 鋁膜在Si(111)基板上,其粗糙度隨溫度的變化 ………81
表4-9 鋁膜在薄膜結構區域模型(structure zones mode)中的區域………………………………………………82

圖目錄
圖2-1 鍍膜原子沉積過程…………………………………15
圖2-2 三種成膜方式 ……………………………………16
圖2-3 晶粒沉積時的自由能變化 …………………………17
圖2-4 晶粒粗化過程 ……………………………………18
圖2-5 薄膜的界面型態 …………………………………19
圖2-6 粗糙度會隨著晶粒大小增加而變大 …………………20
圖3-1 濺鍍系統裝置 ……………………………………44
圖3-2 升溫基座…………………………………………45
圖3-3 低溫基座,兩端開口可供液態氮留入及流出……………46
圖3-4 TiN(111)基板(A)θ-2θ scan 圖,(B) Rocking curve…47
圖3-5 TiN(111)之AFM分析圖 (A)AFM 粗糙度圖 (B)立體圖 (C)橫截面圖……………………………………48
圖3-6 TiN(111)基板的Pole Figure…………………………49
圖3-7 在高溫600℃鍍膜時,真空腔裡的基座擺放方式………50
圖3-8 低溫鍍膜時,真空腔裡的基座擺放方式………………51
圖3-9 針尖大小對AFM量測的影響…………………………52
圖3-10 50nm的TiN膜鍍在Si基板上之X光反射率干涉條紋…53
圖3-11 XRR干涉條紋中重要的幾個點………………………54
圖3-12 兩膜厚不同的試片之XRR干涉條紋……………………55
圖3-13 兩膜密度不同的試片之XRR干涉條紋…………………56
圖3-14 Pole Figure,(A)晶向隨機分佈,(B)優選晶向…………57
圖4-1 600℃ AL(111)/TiN(111) AL膜厚300nm………………83
圖4-2 分別討論三個溫度時,鋁膜在三個基板上粗糙度的變化…84
圖4-3 鋁膜在三個不同溫度時,其XRD分析圖………………85
圖4-4 600℃,厚度為5nm時,在sapphire基板上,鋁膜呈很薄島嶼狀附著在基板上………………………………86
圖4-5 600℃,厚度為5nm時,鋁膜在TiN(111)基板上的AFM圖…87
圖4-6 600℃,厚度為5nm時,鋁膜在Si(111)基板上的AFM圖…88
圖4-7 在三種基板上,其粗糙度隨溫度的變化………………89
圖4-8 600℃,鋁膜厚度約1μm,基板為sapphire,SEM的橫截面圖………………………………………………90
圖4-9 500℃,鋁膜厚度約1μm,基板為sapphire,SEM的橫截面………………………………………………91
圖4-10 200℃,鋁膜厚度約1μm,基板為sapphire,SEM的橫截面………………………………………………92
圖4-11 室溫,鋁膜厚度約1μm,基板為sapphire,SEM的橫截面………………………………………………93
圖4-12 鋁膜在sapphire上於三種不同溫度時的XRD 比較圖…94
圖4-13 -190℃在TiN(111)(50nm)上鍍Al 2分鐘(10nm)的XRR曲線圖…………………………………………95
圖4-14 600℃在TiN(111)上鍍Al 5分鐘(25nm) 的XRR曲線圖…96
圖4-15 600℃在TiN(111)上鍍Al 5分鐘(25nm)的SEM plane veiw圖………………………………………………97
圖4-16 600℃時,鋁晶粒在TiN(111)基板上於不同鍍膜時間時的SEM圖……………………………………………98
圖4-17 室溫時,鋁晶粒在TiN(111)基板上於不同鍍膜時間時的SEM圖……………………………………………99
圖4-18 -190℃時,鋁晶粒在TiN(111)基板上於不同鍍膜時間時的SEM圖………………………………………100
圖4-19 圖4-19 室溫鋁膜在Sarphire上隨膜厚增加,膜表面型態的變化(AFM所掃出 1μm×1μm)……………………101
圖4-20 鋁膜在TiN基板上產生的孔洞,掃描面積10μm×10μm
………………………………………………102
圖4-21 鋁膜在TiN基板上產生的孔洞,掃描面積1μm×1μm…103
圖4-22 600℃,鋁膜厚度約300nm,基板為TiN(111)………104
圖4-23 600℃,鋁膜厚度約300nm,基板為sapphire,XRD(θ-2θ scan)………………………………………105
圖4-24 兩不同鍍膜速度的XRD(A)θ-2θ scan (wide-angle scan),(B)θ- scan (Rocking curve) ……………106
圖4-25 室溫,膜厚為10nm時,鋁晶粒在sapphire基板上分佈的情形……………………………………………107
圖4-26 室溫,膜厚為50nm時,鋁晶粒在sapphire基板上分佈的情形……………………………………………108
圖4-27 兩晶粒的表面張力及晶界拉力對凹槽(groove)角度αGB角的影響…………………………………………109
圖4-28 當凹槽(groove)角度αGB角變小後,對平坦度的影響…110
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