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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:羅鈞炫
研究生(外文):Chun-Hsuan Lo
論文名稱:利用濺鍍法製備氮化鈦薄膜之研究
指導教授:何志松
指導教授(外文):Chih-Sung Ho
學位類別:碩士
校院名稱:東海大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:濺鍍氮化鈦薄膜
外文關鍵詞:sputterTiN
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本研究以濺鍍法於矽晶圓基材上製備氮化鈦薄膜,製程控制條件分四大項:一、濺射電源(700/800/900 V),二、偏壓電源(50/100/200 V),三、氮氣通入量(10/20 /30/40 sccm ),四、濺鍍時間。製備好的氮化鈦薄膜,利用SEM、EDS、XRD、Alpha-Step、impedance analyzer等儀器做性質分析。
成長速率最快的濺鍍條件為濺射電源800 V,偏壓電源50 V,氮氣量30 sccm,其成長速率為11.95 nm/min。成長速率最慢的濺鍍條件為濺射電源900 V,偏壓電源100 V,氮氣量30 sccm,其成長速率為1.34 nm/min。
經XRD分析薄膜, 2θ角在37.5°、43.6°、63.5°、68.8°、及78.3°的地方,分別出現(103)、(200)、(220)、(301)、及(224)等Ti2N結構的繞射峰。
In this study, the sputtering system is used to deposit TiN thin films onto the wafer substrates. There are four control factors for preparing TiN thin films. They are sputtering voltage, bias voltage, flow rate of nitrogen, and deposition time. The properties of the films are characterized by SEM, EDS, XRD, Alpha-Step, impedance analyzer, and etc.
The results indicate that the highest growth rate of film is 11.95 nm/min at a condition of 800-V sputtering voltage, 50-V bias voltage, and 30-sccm flow rate of nitrogen. The lowest growth rate of film is 1.34 nm/min at a condition of 900-V sputtering voltage, 100-V bias voltage, and 30-sccm flow rate of nitrogen.
Moreover, by XRD analysis, we find out that the (103), (200), (220), (301), and (224) peaks appear at 2θ = 37.5°, 43.6°, 63.5°, 68.8°, and 78.3°. The result implies that the structure of the film is Ti2N.
目錄
中文摘要 .................................................Ⅰ
英文摘要 ................................................Ⅱ
目錄 ....................................................Ⅲ
表目錄 ..................................................Ⅶ
圖目錄 ..................................................XI
第一章 緒論 ..............................................1
1-1 前言 .................................................1
1-2 研究方法與研究目的 ...................................4
1-2-1 研究方法 .........................................4
1-2-2 研究目的 .........................................4
第二章 文獻回顧 ..........................................5
2-1 濺射現象 .............................................5
2-2 濺鍍製程 ............................................7
2-3 輝光放電 .............................................8
2-4 電漿原理 ............................................11
2-4-1 直流式電漿 .....................................11
2-4-2 交流式電漿 .....................................16
2-5 離子披覆 ............................................18
2-5-1 物理氣相沉積法 .................................18
2-5-2 化學氣相沉積法 .................................20
2-6 離子轟擊效應 ........................................21
2-7 濺鍍種類 ............................................22
2-7-1 直流濺鍍 .......................................22
2-7-2 射頻濺鍍 .......................................23
2-7-3 磁控濺鍍 .......................................23
2-7-4 封閉式非平衡磁控濺鍍 ...........................25
2-8 濺鍍率與影響因素 ....................................26
2-9 薄膜成長過程 ........................................27
2-10 氮化鈦之晶體結構 ....................................29
2-11 氮化鈦的一般性質 ....................................30
2-12 氮化鈦的光學性質 ....................................31
2-13 氮化鈦薄膜的性質及其應用 ............................32
第三章 實驗步驟 ........................................33
3-1 實驗流程 ............................................33
3-2 實驗材料與實驗藥品及氣體 ............................37
3-2-1 實驗材料 .......................................37
3-2-2 實驗藥品及氣體 .................................38
3-3 實驗步驟 ............................................39
3-3-1 基材準備 .......................................39
3-3-2 靶材清潔 .......................................39
3-3-3 濺鍍流程 .......................................40
3-4 薄膜性質分析 ........................................42
3-4-1 薄膜之表面觀察 .................................42
3-4-2 薄膜之側面觀察 .................................43
3-4-3 薄膜之成長速率 .................................43
3-4-4 薄膜成分分析 ...................................43
3-4-5 薄膜結構分析 ...................................43
3-4-6 薄膜介電性質分析 .............................44
第四章 結果與討論........................................45
4-1 表面微結構 ..........................................45
4-2 厚度測量 ..........................................52
4-3 薄膜成長速率 .........................................54
4-4 成分分析 .............................................62
4-5 結構分析 ............................................64
4-6 介電性質分析 .........................................66
第五章 結論 ............................................70
第六章 參考文獻 ........................................72

表目錄
表1-1 薄膜材料的用途及種類 ..............................3
表2-1 PVD法比較表 .....................................19
表2-2 氮化鈦性質表 .....................................30
表3-1 儀器列表 .........................................36
表4-1 濺射電源700 V、偏壓電源100 V、氮氣量20 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................47
表4-2 濺射電源700 V、偏壓電源100 V、氮氣量40 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................47
表4-3 濺射電源700 V、偏壓電源200 V、氮氣量20 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................47
表4-4 濺射電源800 V、偏壓電源50 V、氮氣量20 sccm之薄膜顏色比較表 ...........................................47
表4-5 濺射電源800 V、偏壓電源50 V、氮氣量30 sccm之薄膜顏色比較表 ...........................................48
表4-6 濺射電源800 V、偏壓電源100 V、氮氣量20 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................48
表4-7 濺射電源800 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................48
表4-8 濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量10 sccm之薄膜顏色比較表 ...........................................48
表4-9 濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量20 sccm之薄膜顏色比較表 ...........................................49
表4-10 濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量30 sccm之薄膜顏色比較表 ...........................................49
表4-11 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量10 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................49
表4-12 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量20 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................49
表4-13 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm之薄膜顏色比較表 .........................................50
表4-14 鍍膜顏色保持在金黃色的條件 .......................51
表4-15 濺射電源700 V、偏壓電源100 V、氮氣量20 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................56
表4-16 濺射電源700 V、偏壓電源100 V、氮氣量40 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................56
表4-17 濺射電源700 V、偏壓電源200 V、氮氣量20 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................56
表4-18 濺射電源800 V、偏壓電源50V、氮氣量20 sccm之薄膜厚度比較表 ...........................................56
表4-19 濺射電源800 V、偏壓電源50 V、氮氣量30 sccm之薄膜厚度比較表 ...........................................57
表4-20 濺射電源800 V、偏壓電源100 V、氮氣量20 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................57
表4-21 濺射電源800 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................57
表4-22 濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量10 sccm之薄膜厚度比較表 ...........................................58
表4-23 濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量20 sccm之薄膜厚度比較表 ...........................................58
表4-24 濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量30 sccm之薄膜厚度比較表 ...........................................58
表4-25 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量10 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................59
表4-26 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量20 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................59
表4-27 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm之薄膜厚度比較表 .........................................59
表4-28 不同製程參數下製備的薄膜之成長速率 ...............61
表4-29 濺射電源700 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm、濺鍍時間40分鐘之EDS成份分析表.........................63

圖目錄
圖2-1 濺射原理示意圖 ....................................6
圖2-2 輝光放電現象示意圖,與直流電漿外觀相同 ............10
圖2-3 直流式電漿放電中產生反應物種的反應過程 ...........15
圖2-4 直流濺鍍機示意圖 ...............................22
圖2-5 磁控濺鍍設備示意圖 ...............................24
圖2-6 封閉式非平衡磁控物理濺鍍設備示意圖 ...............25
圖2-7 薄膜成長過程中四個時期的示意圖 ...................28
圖3-1 實驗流程圖 ................................34
圖3-2 離子濺鍍系統示意圖 ...............................35
圖3-3 SEM基本裝置圖 ...............................42
圖4-1 不同鍍膜時間下氮化鈦薄膜之SEM微結構圖,濺射電源900V、偏壓電源50 V、氮氣量30 sccm,放大倍率40 K倍....46
圖4-2 氮化鈦薄膜之SEM微結構圖,濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量20 sccm、濺鍍時間20分鐘,放大倍率60K倍 ...52
圖4-3 氮化鈦薄膜之SEM微結構圖,濺射電源900 V、偏壓電源50 V、氮氣量20 sccm、濺鍍時間20分鐘,放大倍率100K倍 …53
圖4-4 氮化鈦薄膜之Alpha-Step膜厚測量圖,濺射電源700 V、偏壓電源 200V、氮氣量20 sccm、濺鍍時間30分鐘 ..........55
圖4-5 在濺鍍電源為700 V、偏壓電源100 V、氮氣量20 sccm、濺鍍時間35~60分鐘的濺鍍條件下,製備的薄膜之厚度與時間關係圖,薄膜成長速率為1.84 nm/min ..................60
圖4-6 濺射電源700 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm、濺鍍時間40分鐘,所製備的氮化鈦薄膜之EDS成分分析圖 .....63
圖4-7 不同顏色之薄膜的XRD分析圖 ......................65
圖4-8 濺射電源800 V、偏壓電源50 V、氮氣量30 sccm時,在不同濺鍍時間下所製備之氮化鈦薄膜,掃描頻率範圍為40 Hz ~ 30 MHz時,其介電常數與頻率之關係圖 ..................66
圖4-9 濺射電源800 V、偏壓電源50 V、氮氣量30 sccm下所製備之氮化鈦薄膜,在掃描頻率為1 MHz時之介電常數與濺鍍時間之變化圖 .........................................67
圖4-10 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm時,在不同濺鍍時間下所製備之氮化鈦薄膜,掃描頻率範圍為40 Hz ~ 30 MHz時,其介電常數與頻率之關係圖 ...............68
圖4-11 濺射電源900 V、偏壓電源100 V、氮氣量30 sccm下所製備之氮化鈦薄膜,在掃描頻率為1 MHz時之介電常數與濺鍍時間之變化圖 .......................................69
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