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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊榮軒
論文名稱:不互溶雙氧化物系統TiO2-Al2O3薄膜之微結構及相關性質研究
指導教授:甘炯耀
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:85
中文關鍵詞:氧化物微結構濺鍍薄膜
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本論文中探討利用RF磁控濺鍍法來製作的(Al2O3)x-(TiO2)1-x奈米薄膜,在不同的氣氛比、功率比、靶材面積比以及不同的熱處理條件下,其薄膜特性(成分、鍵結、結構、光學吸收等等)的變化。
由RBS結果顯示薄膜的成分隨著功率變化而有改變,鈦含量會隨著鍍膜功率增加增加。退火前後成分變化不大也未見顯著偏析現象,顯示薄膜成分保持均勻。由ESCA鑑定鍵結發現在退火前的薄膜中,鈦原子與鋁原子主要是以Ti4+與Al3+鍵結存在膜中。而在高溫退火(~1000℃)後,薄膜中的鈦原子除了原本的Ti4+以外,同時生成了許多高溫相的介金屬鍵結Ti3+。
微結構方面選用TEM與XRD 作為分析的工具,由XRD結果確定了膜中TiO2的相轉變溫度。而TEM觀察結果,發現未退火薄膜中有隨機分步的大小不同的的TiOx晶粒,尺度約在10~100nm之間,因含量較少,故XRD無法觀察到結晶的現象。退火後結晶性變佳,晶粒尺寸成長至100~200nm,鑑定後主要為TiO2(Rutile phase)混有介金屬化合物TiAl3於薄膜中。
光學吸收性質方面,退火後的薄膜除了可見光至紅外光波段有因介金屬化合物造成的吸收外,在紫外光波段亦有顯著的高度吸收現象,證實了薄膜中含有TiO2。
第一章 文獻回顧與實驗動機
1-1 氧化鋁薄膜的文獻回顧……………………………………….1
1-2 二氧化鈦薄膜文獻回顧……………………………………….3
1-3 磁控式濺鍍簡介……………………………………………….5
1-4 實驗動機……………………………………………………….7
第二章 實驗步驟與方法……………………………………………..12
2-1 TiO2-Al2O3奈米薄膜之製備
2-1-1基材選擇…………………………………………………..12
2-1-2靶材製備…………………………………………………..12
2-1-3薄膜製備…………………………………………………..13
2-1-4後續熱處理……..…………………………………………14
2-2 膜厚量測……………………………………………………...14
2-3 薄膜成份分析
2-3-1 拉塞福背向散射量測介紹………………………………14
RBS儀器運作簡介……………………………………..…14
RBS量測原理…………………………………………..…15
RBS分析應用……………………………………………..20
2-3-2 ESCA量測介紹…………………………………………23
主要附件
量測方法
2-4 X光繞射分析…………………………………………………24
2-5 TEM分析………………………………………………………24
試片製作…………………………………………………..25
電子束與樣品之作用……………………………………..26
電鏡系統介紹…………………………………………… .27
成像原理…………………………………………………..29
儀器介紹…………………………………………………..30
2-6 光學量測……………………………………………………...30
第三章 結果與討論…………………………………………………..42
3-1 化學性質(Composition & binding)
3-1-1 RBS…………………………………………………..42
本實驗分析方法………………………………..42
膜厚實驗結果印證……………………………..45
3-1-2 ESCA鍵結分析
不同轟擊時間的能譜圖形變化討論………………………..46
相同轟擊時間之不同製作條件之試片鍵結研究…………..47
3-2 微結構
3-2-1 鍍率……………………………………………………..48
3-2-2 X-ray 結晶繞射………………………………………...49
3-2-1-1 未退火薄膜結晶性比較(as-deposited) …………….49
3-2-1-2 退火薄膜性質比較(Annealing condition)
3-2-1-2-1 不同功率……………………………………50
3-2-1-2-2 不同成分……………………………………51
3-2-1-2-3 不同氣氛……………………………………52
3-2-3 TEM(穿透式電子顯微鏡)微結構研究…………………53
3-3 光學性質(Optical properties) ……………………………………...59
第四章 結論…………………………………………………………..60












表目錄
表1-1 High-k材料性質比較………………………………………………………..9
表2-1 鍍膜參數……………………………………………………………………31
表2-2 熱處理條件…………………………………………………………………32
表2-3 電子槍性能比較……………………………………………………………33
表3-1 RBS模擬參數………………………………………………………………60
表3-2 RBS量測之結果……………………………………………………………60
表3-3 ESCA之試片條件………………………………………………………….61
表3-4 高倍率原子影像的繞射圖中的前三晶面與二氧化鈦前三晶面之對照…61




























圖目錄
圖1-1 [9]中介面存在的Si-O-Al的化合物………………………………………… 9圖1-2 [10]無介面化合物生成的乾淨介面…………………………………………10
圖1-3 二氧化鈦結構示意圖……………………………………………………… 10
圖1-4 [12]中的XRD圖,證實退火後的結晶現象…………………………………11
圖1-5 [13]中的XRD圖,討論製作薄膜條件不同與退火環境不同對結晶相的影響… ……………………………………………………………………………… …11 圖2.1 實驗流程……………………………………………………………………..11
圖2.2 真空鎔煉爐示意圖 ………………………………………………………… 35
圖2.3 RBS基本裝置圖……………………………………………………………36
圖2. 4 彈性碰撞示意圖…………………………………………………………… 36
圖2-5 運動因子與質量及觀測器角度之關係……………………………………37
圖2.6 粒子穿透路徑與能量示意圖………………………………………………37
圖2.7 能量蔓生與解析度極限所造成之現象. …………………………………..38
圖2.8 厚度計算之範例…………………………………………………………….38
圖2.9 Si基板上的Au膜經退火後的擴散現象……………………………………39
圖2.10 plane view試片準備示意圖………………………………………………39
圖2.11 電子與試片可能之作用…………………………………………………….40
圖2.12 (場發射電子槍)外加電位表面能障之變化………………………………40
圖2.13 電子在電鏡中行進路徑 …………………………………………………41
圖3-1 RBS結果模擬圖……………………………………………………………61
圖3-2 40w as-deposited RBS分析結果……………………………………………62
圖3-3 120w as-deposited RBS分析結果………………………………………… 62
圖3-4 180w as-deposited RBS 分析結果…………………………………………63
圖3-5 120w +Al as-deposited RBS分析結果…………………………………… 63
圖3-6 120w 800 4hr RBS 分析結果………………………………………………64
圖3-7 120w 1000 4hr RBS 分析結果………………………………………… … 64
圖3-8 試片D. (180w 1000℃ 4hr)不同時間轟擊後的ESCA圖…………………65
圖3-9 表面轟擊一分鐘的Ti能譜圖………………………………………………65
圖3-10 表面轟擊一分鐘的O能譜圖…………………………………………….66
圖3-.11 120w 鍍製 3小時的薄膜SEM照片……………………………………66
圖3-12 對照組 TiO2 之XRD……………………………………………………..67
圖 3-13 不同功率未退火之XRD…………………………………………………67
圖3-14 180w鍍膜功率不同分壓未退火之XRD…………………………………68
圖3-15 40w鍍製的薄膜在800~1000℃退火一小時的XRD圖………………….68
圖3-16 40w鍍製的薄膜在800~1000℃退火四小時的XRD圖………………….69
圖3-17 120w鍍製的薄膜在800~1000℃退火一小時的XRD圖…………………69
圖3-18 120w鍍製的薄膜在800~1000℃退火四小時的XRD圖…………………70
圖3-19 180w鍍製的薄膜在800~1000℃退火一小時的XRD圖…………………70
圖3-20 180w鍍製的薄膜在800~1000℃退火四小時的XRD圖…………………71
圖3-21 40W不同成份的試片經過退火一小時後的XRD圖…………………….71
圖3-22 120W不同成份的試片經過退火四小時後的XRD圖……………………72
圖3-23 在180W不同氣氛下的試片經過900℃退火一小時以後的XRD………72
圖3-24 試片(A).120w as-deposited的低倍率(100K)明視野TEM圖片……………73
圖3-25 試片(A).120w as-deposited的低倍率(200K)明視野TEM圖片……………73
圖3-26 繞射環分別對應之D-spacing 與可能化合物晶面……………………… 74
圖3-27 第一圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 74
圖3-28 第二圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 75
圖3-29 第三圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 75
圖3-30 第四圈繞射環對應之暗視野…………………………………………… …76
圖3-31 試片(B).120w 1000℃ 1hr的低倍率(100K)明視野TEM圖片……………76
圖3-32 試片(B).120w 1000℃ 1hr的低倍率(100K)明視野TEM圖片……………77
圖3-33 繞射環可能對應的化合物晶面 ………………………………………… 77
圖3-34 第一圈繞射環對應之暗視野 …………………………………………… 78
圖3-35 第二圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 78
圖3-36 第三圈繞射環對應之暗視野 …………………………………………… 79
圖3-37 第四圈繞射環對應之暗視野 …………………………………………… 79
圖3-38 試片B-(120w 1000℃退火四小時)結晶顆粒高倍率TEM照片…………80
圖3-39 利用軟體模擬的二氧化鈦Rutile相Zone axis (1.-1.-1)之倒晶格結構… 80
圖3-40 圖4.38 中結晶顆粒的繞射圖形…………………………………………81
圖3-41 晶粒邊緣與基地的接面的HRTEM照片…………………………………81
圖3-42 試片C.(180w 1000℃退火一小時)低倍率TEM照片……………………82
圖3-43 繞射環可能對應的化合物晶面 …………………………………………83
圖3-44 試片D.(180w 1000℃退火四小時)的低倍率TEM照片…………………83
圖3-45 中倍率的TEM照片………………………………………………………84
圖3-48 Dong-Hau Kuo等人的研究………………………………………………84
圖3-47 穿透光譜量測 ……………………………………………………………85
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