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研究生:林久勝
研究生(外文):Jiu-sheng Lin
論文名稱:反應射頻磁控濺鍍法成長(100)取向氮化鋁薄膜之特性研究
論文名稱(外文):The Study of (100) Oriented AlN Thin Films by Reactive RF Magnetron Sputtering
指導教授:李茂順吳信賢吳信賢引用關係
指導教授(外文):Maw-Shung LeeSean Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:(100)氮化鋁薄膜反應性射頻磁控濺鍍法
外文關鍵詞:AlN films(100) orientedReactive RF Magnetron Sputtering
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(100)取向氮化鋁薄膜具有優異之體聲波與表面聲波特性。
本研究主要以反應性射頻磁控濺鍍法在p-type (100)矽基板上成長(100)取向氮化鋁薄膜,探討製程參數: 射頻濺鍍功率350W、氮氣濃度(33%-67%)、基板溫度(150℃-300℃)及腔體壓力(1m Torr-9m Torr),對(100)取向之氮化鋁薄膜的影響。經由X光繞射儀(X-Ray Diffraction, XRD)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)、穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscopy,TEM)分析對(100)取向氮化鋁薄膜進行分析。研究發現在射頻濺鍍功率350W、氮氣濃度50%、基板溫度300℃及腔體壓力9m Torr的參數下,可沉積出具有最佳(100)取向之氮化鋁薄膜。
The (100) oriented AlN thin films have excellent bulk acoustic wave (BAW) and surface acoustic wave (SAW) properties.
In this research, the (100) oriented AlN thin films were deposited on p-type (100) silicon substrate by RF magnetron sputtering. The dependence between sputter conditions (RF powers, nitrogen concentrations, substrate temperatures and chamber pressures) were investigated by X-Ray diffraction (XRD)、atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy(TEM). The best (100) oriented AlN thin films were prepared with 350W RF power, 50% nitrogen concentration, 200℃substrate temperature and 9m Torr chamber pressure in this research.
目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 v
表目錄 vi
第一章 緒論 1
第二章 理論分析 6
2.1 壓電簡介 6
2.2 壓電理論 6
2.2.1 正壓電效應 7
2.2.2 逆壓電效應 7
2.3 聲波的運動方程式[12] 8
2.4 壓電理論的數學關係式 10
2.5 壓電體內之聲波傳遞 14
2.6 各晶向氮化鋁薄膜之特性分析[8] 18
2.7 壓電材料 19
2.8 氮化鋁(AlN)之結構與特性 20
2.9 濺鍍原理 21
2.9.1 電漿(Plasma)[15][16] 21
2.9.2 濺鍍(Sputtering) 22
2.9.3 射頻磁控濺鍍 24
2.9.4 反應性濺鍍 25
2.10 薄膜沉積理論 26
第三章 實驗方法與步驟 30
3.1 基板清洗 30
3.2 氮化鋁薄膜的成長 31
3.2.1 濺鍍系統簡介 31
3.2.2 薄膜沈積 33
3.3 薄膜量測分析 35
3.3.1 X光繞射(X-Ray Diffraction, XRD)分析 35
3.3.2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 36
3.3.3 FWHM(Full Width at Half Maximum)換算薄膜晶粒大小(Grain Size)
分析 37
3.3.4 穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscopy,TEM)分析37
第四章 實驗結果與討論 39
4.1 濺鍍參數對氮化鋁薄膜之影響 39
4.2 腔體壓力對(100)取向氮化鋁薄膜之影響 39
4.2.1 X光繞射(X-Ray Diffraction,XRD)薄膜結晶構造分析 39
4.2.2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 41
4.3 基板溫度對(100)取向氮化鋁薄膜之影響 42
4.3.1 X光繞射(X-Ray Diffraction,XRD)薄膜結晶構造分析 42
4.3.2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 43
4.4 氮氣濃度(N2/N2+Ar) 100%對(100)取向氮化鋁薄膜之影響 44
4.4.1 X光繞射(X-Ray Diffraction,XRD)薄膜結晶構造分析 44
4.4.2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 45
4.5最佳化濺鍍參數(100)取向之氮化鋁薄膜再現性 46
4.6最佳參數穿透式電子顯微鏡(TEM)分析 46
第五章 結論 47
參考文獻 86
表目錄
表2.1 各壓電參數之關係 48
表2.2 濺鍍氮化鋁薄膜材料參數表 48
表2.3 (002)與(100)晶向氮化鋁薄膜特性參數表 49
表2.4 結晶點群之特性 50
表2.5氮化鋁之物理、化學特性 52
表3.1成長氮化鋁薄膜於Si基板之濺鍍參數 53
表3.2 氮化鋁的JCPDS 54
圖目錄
圖1.1 縱向波 55
圖1.2剪向波 55
圖1.3 傾斜基板之濺鍍法示意圖 56
圖1.4 垂直基板表面濺鍍法示意圖 56
圖2.1 介電性、壓電性、焦電性與強電性的關係 57
圖2.2 正壓電效應 57
圖2.3 逆壓電效應 57
圖2.4 彈性體內部粒子位移示意圖 58
圖2.5 壓電材料方向表示法 59
圖2.6 氮化鋁結晶構造(a)變型四面體結構(b)單位晶胞圖 60
圖2.7 電子的溫度Te、氣體分子的溫度Tg與壓力之關係圖 61
圖2.8 電漿之能量轉移基本形式 62
圖2.9 輝光放電管 63
圖2.10 反應濺射模型 64
圖2.11 薄膜沉積機制 65
圖2.12 晶粒聚結示意圖 66
圖3.1 射頻磁控濺鍍系統 67
圖3.2 薄膜成長流程圖 68
圖3.3 X射線在晶格表面產生Bragger繞射 69
圖3.4 X-Ray 繞射系統 70
圖3.5 原子力顯微鏡示意圖 70
圖3.6掃描穿透式電子顯微鏡剖面圖 71
圖4.1 不同腔體壓力(Torr)的XRD繞射圖 72
圖4.2 腔體壓力為1 mTorr的3D圖 73
圖4.3 腔體壓力為1 mTorr的2D圖 73
圖4.4 腔體壓力為3 mTorr的3D圖 73
圖4.5 腔體壓力為3 mTorr的2D圖 73
圖4.6 腔體壓力為5 mTorr的3D圖 73
圖4.7 腔體壓力為5 mTorr的2D圖 73
圖4.8腔體壓力為7 mTorr的3D圖 74
圖4.9腔體壓力為7 mTorr的2D圖 74
圖4.10腔體壓力為9 mTorr的3D圖 74
圖4.11腔體壓力為9 mTorr的2D圖 74
圖4.12 不同腔體壓力的AFM - Ra值 75
圖4.13 不同基板溫度的XRD繞射圖 76
圖4.14 基版溫度為150℃的3D圖 77
圖4.15 基版溫度為150℃的2D圖 77
圖4.16 基版溫度為200℃的3D圖 77
圖4.17 基版溫度為200℃的2D圖 77
圖4. 18 基版溫度為250℃的3D圖 78
圖4. 19 基版溫度為250℃的2D圖 78
圖4.20 基版溫度為300℃的3D圖 78
圖4.21 基版溫度為300℃的2D圖 78
圖4.22不同基版溫度AFM - Ra值 79
圖4.23不同氮氣濃度(N2/N2+Ar) 100%的氮化鋁XRD繞射圖 80
圖4.24氮氣濃度為42%的3D圖 81
圖4.25氮氣濃度為42%的2D圖 81
圖4.26氮氣濃度為50%的3D圖 81
圖4.27氮氣濃度為50%的2D圖 81
圖4.28氮氣濃度為58%的3D圖 82
圖4.29氮氣濃度為58%的2D圖 82
圖4.30氮氣濃度為67%的3D圖 82
圖4.31氮氣濃度為67%的2D圖 82
圖4. 32不同氮氣濃度(N2/N2+Ar) 100%的AFM - Ra值 83
圖4. 33最佳參數在現性XRD圖 84
圖4. 34(a)剖面圖(b)A點局部放大之晶格距離 85
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