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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳盟偉
研究生(外文):Meng-Wei Chen
論文名稱:以脈衝直流電源濺鍍氮化鈦薄膜之品質分析及機台實務介面整合
論文名稱(外文):Quality analysis of the TiN thin films by sputtering with pulsed DC powers and system interface integration
指導教授:牟善琦
指導教授(外文):Shann-Chyi Mou
學位類別:碩士
校院名稱:清雲科技大學
系所名稱:機械工程所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:169
中文關鍵詞:脈衝直流田口實驗法參數最佳化硬度粗糙度模糊控制器
外文關鍵詞:Pulsed DCTaguchi methodOptimized parametersHardnessRoughnessFuzzy control
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本文主要以脈衝直流磁控濺鍍系統鍍製氮化鈦薄膜,並使用田口實驗法萃取實驗中最佳化氮化鈦薄膜參數,分析得出最佳化鍍率、粗糙度及硬度之結論,進而建立模糊資料庫,並利用圖控軟體LabVIEW建立人機介面並達到即時監控之目的。
本實驗使用田口L9直交表,挑選功率、工作頻率、氬氣流量、氮氣流量四個控制因子並分別設定三個水準。並針對鍍膜速率及薄膜硬度進行望大分析,對薄膜粗糙度進行望小分析等品質項目,進行實驗分析推算製程最佳化參數;在得出了各個目標之最佳化參數後,為了考慮兼顧鍍膜速率、薄膜粗糙度及薄膜硬度,導入一半準則,經過整合可得知功率(700 W)、頻率(25 kHz)、氬氣(7 sccm)及氮氣(4 sccm)為本實驗之製程最佳參數組。
在薄膜相鑑定及沉積之晶體排列方向的驗證,係使用低掠角XRD進行分析,可清楚得出在2θ = 61.8°有一處(220) TiN的繞射峰;針對所設計的製程參數,其鍍膜速率介於0.42 Å/s ~ 0.95 Å/s;薄膜硬度則係使用奈米壓痕儀測定,其薄膜硬度介於15 ~ 21 GPa;薄膜粗糙度係使原子力顯微鏡測定,其薄膜粗糙度並介於0.4 ~ 0.8 nm。
在目前人機介面中已完成關於電源供應器的一切控制及膜厚計的參數設置。因田口最佳化參數通常不會出現在設計的L9直交表中,所以必須經由田口實驗法得出之結論,進而建立模糊資料庫,而氣體流量控制器尚未整合,因此在模糊規則庫的輸出部分只有考慮了功率因子及頻率因子;而在奈米薄膜硬度機及AFM沒辦法即時與電腦整合,因此未納入模糊規則庫中,未來將進行更多實驗,將更完善規則建構至模糊規則庫中,即可利用模糊規則庫運算出結果達到控制的目的。


This paper aims at exploring the pulsed DC magnetron sputtering system in disposition application of titanium nitride film. In addition, the Taguchi experiments have been used to extract the optimized parameters of titanium nitride film, and make an analysis of the optimal deposition rate, roughness and hardness in conclusions. Furthermore, a fuzzy database is established and graphic software LabVIEW is applied to build human-machine interface for real-time monitoring.
In this experiment, Taguchi L9 orthogonal array, power selection, operating frequency, argon flow rate, nitrogen flow rate have been used as four control factors. Moreover, three levels are also respectively set. The-larger-the-better analyses of deposition rate and film hardness have been conducted. The smaller-the-better analyses of film roughness in the category of quality have been conducted so as to analyze and calculate the optimized parameters. After getting the optimized parameters for individual objectives, in consideration of deposition rate, film roughness and film hardness, half of the criteria can be introduced. In integration, power (700 W), frequency (25 kHz), argon (7 sccm) and nitrogen (4 sccm) can be obtained. It may serve the optimized parameters on the production process in this experiment.
In the film phase identification and the validation of deposited crystalline arrangement and direction, a low grazing-angle XRD analysis used for analysis can clearly show at 2θ = 61.8°, there is a (220) TiN diffraction peak. In view of designed process parameters, the deposition rate ranged from 0.42 Å / s to 0.95 Å / s; films harness is measured by nano-indentation hardness, showing its film hardness is between 15 to 21 GPa. Film roughness is measured by atomic-force microscopy, and its film roughness is between 0.4 ~ 0.8 nm.
At the aspect of power supply control and parameter settings of the film thickness meter, currently the man-machine interface has been completed. Since optimized parameter for Taguchi does not normally appear in the design of the L9 orthogonal array, the conclusion must therefore be drawn by the Taguchi method. A fuzzy database will be further established. Meanwhile, the gas flow controller has not integrated, consequently the output part of the fuzzy rule data, which is only in consideration of the power factor and the frequency factor. Nano-film hardness device and AFM are not capable of have a real-time integration with the computer so they not included in the fuzzy rule database. For the future, more experiments will be conducted to build up more comprehensive rules into the fuzzy rule database. By doing so, the fuzzy rule database can successfully calculate the results for a better control.


目錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
符號說明 xiv
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 動機與目的 4
1.3 文獻回顧 6
1.3.1 脈衝直流電源供應器 6
1.3.2 電漿在薄膜製程上之應用 9
1.3.3 氮化鈦薄膜 12
1.3.4 田口實驗法 14
1.3.5 製程的即時控制 17
1.4 本文內容 20
第二章 理論基礎 21
2.1 電漿原理及在製程上之應用 21
2.2 濺鍍、磁控濺鍍及脈衝直流濺鍍原理介紹 24
2.2.1 濺鍍原理 24
2.2.2 磁控濺鍍原理 28
2.2.3 脈衝直流濺鍍原理 30
2.3 脈衝直流電源供應器及電漿應用簡介 31
2.3.1 脈衝直流電源供應器介紹 31
2.3.2 非對稱雙極脈衝直流電漿之應用 31
2.4 氮化鈦薄膜 34
2.4.1 氮化物 34
2.4.2 氮化鈦 36
2.5 田口實驗分析法 40
2.5.1 實驗計畫法 40
2.5.2 田口實驗法基本概念 41
2.5.3 田口實驗計畫法 44
2.5.4 直交表的探討 46
第三章 實驗設備及操作流程 49
3.1 實驗設備簡介 49
3.2 實驗機台之人機介面操作步驟 66
3.2.1 開機與抽氣流程操作 66
3.2.2 濺鍍流程操作 70
3.2.3 腔體排氣流程操作 71
3.2.4 關機流程操作 73
3.3 分析儀器 74
3.3.1 SQM160 74
3.3.2 X光繞射儀 76
3.3.3 原子力顯微鏡 76
3.3.4 奈米薄膜硬度機 77
3.4 試片製備 79
第四章 濺鍍氮化鈦薄膜之實驗分析 82
4.1 田口實驗參數及水準規劃 82
4.2 實驗參數設置及試片分析之數據 86
4.3 XRD量測結果及EDS成分分析 89
4.3.1試片外觀 89
4.3.2 XRD量測 89
4.3.3 EDS成分分析 95
4.4 鍍膜速率結果分析 98
4.5 薄膜粗糙度分析 101
4.6 薄膜硬度分析 122
4.7結果與討論 130
第五章 整合介面與控制器設計 138
5.1 PC-Based及LabVIEW簡介 138
5.1.1 PC-Based 138
5.1.2 LabVIEW 139
5.2 脈衝直流電源供應器之介面整合 141
5.2.1 軟體使用簡介 141
5.2.2 脈衝直流電源供應器之通訊協定 143
5.3 膜厚計之介面整合 152
5.3.1 軟體使用簡介 152
5.3.2 膜厚計之通訊協定 154
5.4 田口最佳化參數導入模糊控制器設計 158
5.4.1 模糊控制基本概念 158
5.4.2 模糊規則庫簡介 159
5.4.3模糊規則庫建立 160
第六章 結論與建議事項 163
6.1 結論 163
6.2 未來建議事項 165
參考文獻 166
簡歷 166


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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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