4.1 氧化鋅薄膜表面形貌之討論
4.1.1 掃瞄式電子顯微鏡之分析
直接從掃瞄式電子顯微鏡得知。
區域存在，這是因為過高的濺鍍功率，會使得粒子擁有太大的動能，
當粒子在空間中移動而轟擊到薄膜表面時，便會使得薄膜表面留下缺 陷，所以濺鍍功率的大小有其一定的適當範圍，越大的濺鍍功率雖然 能使平均表面粗糙度下降，但卻也會對表面造成缺陷的影響。
圖4.10和4.11兩組圖分別是將探測範圍縮小至單位長度為3 µm 和1 µm 來觀察其較小範圍之表面粗糙度，其實驗結果和探測範圍單 位長度為5 µm 的實驗結果相似，氧化鋅薄膜的表面形貌也是隨著濺 鍍功率的上升而越趨於平坦，此結果可在圖4.9 中明顯的觀察到，此 外，從圖4.9 還可以看出在濺鍍功率為 100 和 150W 時，不論原子力 顯微鏡探測範圍的大小為何，氧化鋅薄膜之平均表面粗糙度幾乎沒什 麼變化，此實驗結果說明在濺鍍功率為100 及 150W 時，所沉積出的 氧化鋅薄膜表面較為均勻。
圖4.2 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜表面形貌分析圖(SEM-30k)
50W
100W
150W
200W
300W
50W
100W
150W
200W
300W
圖4.3 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜表面形貌分析圖(SEM-70k)
圖4.4 濺鍍功率為 50 W 時，氧化鋅薄膜之表面形貌圖 RMS = 5.8 nm
圖 4.5 濺鍍功率為 100 W 時，氧化鋅薄膜之表面形貌圖 RMS = 4.4 nm
圖 4.6 濺鍍功率為 150 W 時，氧化鋅薄膜之表面形貌圖 RMS = 2.6 nm
圖 4.7 濺鍍功率為 200 W 時，氧化鋅薄膜之表面形貌圖 RMS = 3.0 nm
圖 4.8 濺鍍功率為 300 W 時，氧化鋅薄膜之表面形貌圖 RMS = 2.4 nm
50 100 150 200 250 300 1
2 3 4 5 6
RMS (nm)
Power (W)
1um 3um 5um
表4.2 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜之表面粗糙度
圖4.9 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜之表面粗糙度比較圖
圖4.10 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜之表面形貌圖 (3 µm) 50W；RMS = 4.7 nm 100W；RMS = 4.2 nm
150W；RMS = 2.5 nm 200W；RMS = 2.9 nm
300W；RMS = 2.4 nm
圖4.11 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜之表面形貌圖 (1 µm) 50W；RMS = 4.2 nm 100W；RMS = 4.4 nm
150W；RMS = 2.3 nm 200W；RMS = 1.9 nm
300W；RMS = 1.6 nm
4.2 氧化鋅薄膜結晶結構之討論
由圖4.12可以初步觀察出，氧化鋅薄膜主要是沿著(002)平面成 長，從圖中可以看出，(002)繞射峰值的強度一開始會隨著濺鍍功率 的增加而變強，但當濺鍍功率大過於150 W時，(002)繞射峰值強度卻 會開始明顯的下降，根據之前表面形貌的觀察與比較，可以發現，氧 寬高(FWHM；full width at half maxima)來求得所沉積氧化鋅薄膜之晶 粒大小。此方法是根據 Scherrer’s formula 來計算出晶粒尺寸大小，公 式如下：
(弳)，而晶粒尺寸大小 D 則可由以上參數求得。由 Scherrer’s formula 可以看出，晶粒尺寸大小是和半寬高成反比的，當半寬高越大，晶粒 尺寸大小也就越小。從X 光繞射實驗結果及表 4.3可以觀察出，濺鍍 功率為 150 W 時，(002)優選取向的繞射強度最強，半寬高最大，而 根據Scherrer’s formula 也可算出晶粒尺寸大小。
25 30 35 40 45
( 0 0 2 )
250W
200W
150W
100W
50W
Intensity(a.u.)
2-Theta(Degree)
圖4.12 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜微結構之 X 光繞射圖
表4.3 不同濺鍍功率下氧化鋅薄膜之晶粒尺寸大小、
半寬高、及(002)優選取向峰值強度
4.3 氧化鋅薄膜微區結構之討論
圖 4.13 為氧化鋅薄膜截面之 TEM 明視野圖像(BF image；
Bright-Field image)，是以濺鍍功率 150W 之氧化鋅薄膜試片做截面 (Cross-section)微區結構分析，從圖中可以明顯的看出氧化鋅薄膜成長 均勻且為柱狀晶結構，此柱狀晶結構具有六方對稱，且無對稱中心，
沿著(002)平面成長，(002)優選取向也使得氧化鋅薄膜具有高壓電特 性[8]。從圖 4.13 右上角之氧化鋅(ZnO)薄膜與矽(Si)基材鍵結面之放大 圖可以觀察出，在基材矽和氧化鋅薄膜間有明顯的氧化層形成，氧化 層的存在，對薄膜與基材間的附著以及薄膜的機械性質都會具有其一 定之影響性，所以氧化層的生成及研究也成為日後薄膜科技裡重要的 議題。
圖 4.13 氧化鋅薄膜截面之 TEM 明視野圖像。右上角為氧化鋅 (ZnO)薄膜與矽(Si)基材鍵結面之放大圖
10 nm
50 nm
ZnO
Si
4.4 氧化鋅薄膜機械性質之討論
在不同的濺鍍功率下，所沉積出之氧化鋅薄膜除了表面形貌與內 部晶格結構會產生變化外，薄膜本身機械性質也會直接受到不同濺鍍 功率的影響而有所改變，所以接著此實驗便利用奈米壓痕技術，來探 測氧化鋅薄膜的機械性質，實驗中所使用的探針為鑽石三角錐壓痕探 針(Berkovich)，使用連續剛性量測(CSM)模式，固定下壓深度為 200 nm。
本實驗並非固定薄膜之沉積厚度，而是將濺鍍薄膜的時間控制在 60 分鐘，以不同濺鍍功率造成不同的濺鍍速率，藉由不同的薄膜厚 度，來觀察基材效應(Substrate effect)對薄膜硬度及彈性模數的影響。
從前述X 光繞射圖(圖 4.12)的分析趨勢，氧化鋅薄膜在濺鍍功率
是 150 W 所沉積出(002)優選取向最為明顯之氧化鋅薄膜，但當壓痕
0 50 100 150 200
Modulus (GPa)
Displacement Into Surface (nm)
50 W 150W 200W
100W 50 W
Modulus (GPa)
Power (W)
圖4.14 不同濺鍍功率下，透過奈米壓痕技術所 得到氧化鋅薄膜之彈性模數
圖4.15 利用奈米壓痕技術所得到不同濺鍍功率 下沉積出氧化鋅薄膜之平均彈性模數
0 50 100 150 200
Hardness (GPa)
Displacement Into Surface (nm)
50 W
Hardness (GPa)
Power (W)
圖4.16 不同濺鍍功率下，透過奈米壓痕技術所 得到氧化鋅薄膜之硬度
圖4.17 利用奈米壓痕技術所得到不同濺鍍功率 下沉積出氧化鋅薄膜之平均硬度
0 50 100 150 200
Load On Sample(mN)
Displacement Into Surface(nm) 50 W
Load On Sample(mN)
Displacement Into Surface(nm) 50 W
表4.4 不同濺鍍功率下，氧化鋅薄膜之硬度與彈性模數
4.4.2 奈米刮痕之分析
2500、5000、以及 10000 µN，其時間與應力之相對關係，如圖 4.19 所示，此刮痕形式過程共花了54 秒，分成七個區段(區段時間與反施
其固定來進行側向刮痕移動，主要是用來觀察薄膜受到固定刮痕力時 表面形貌及摩擦係數的變化，從圖 4.21 氧化鋅薄膜受奈米刮痕之 AFM 圖(Normal load 模式)可以觀察出，刮痕深度會隨著正向力預設 值的提高而加寬加深，但在同一固定之正向力中，固定刮痕力在刮痕
2500、5000、以及 10000 µN，其時間與應力之相對關係，如圖 4.23 所示，此刮痕形式過程共花了45 秒，分成以下五個區段(區段時間與 反施加正向力之關係於3.2.2 節有詳細流程)，在 Ramp load 形式中，
氧化鋅薄膜實際受到刮痕影響是在區域三(8 ~ 38 秒)，所以在選取側 向力數據做圖時，主要是以8 ~ 38 秒為主，如圖4.24所示，從圖中 以及表4.6 可以觀察出，正向力的增加，會使得側向力也上升。
在刮痕漸增負載模式中，正向力是隨著側向刮痕移動而逐漸提高 到預設值，主要是用來觀察薄膜受到漸增刮痕力時表面形貌及摩擦係 數的變化情形，從圖4.25氧化鋅薄膜受奈米刮痕之AFM 圖(Ramp load 模式)可以觀察出，刮痕深度會隨著正向力在刮痕行進時的漸增加寬 加深，而刮痕過程中隨著痕力的變大，所產生在刮痕痕跡兩旁的堆積 現象也越來越明顯。
和Normal load 形式不同的是，因為側向力是漸增式的增加，所 以刮痕過程中並未達到臨界負載，氧化鋅薄膜之柱狀晶結構[44]也就沒 有產生突然碎裂和薄膜剝離的情況，因此並沒有震盪的情況發生。而 摩擦係數雖然在刮痕過程中也會隨著時間與側向力的增加而變大，如 圖4.26所示，但是最後的平均值從表4.6 可以觀察出並沒有受到太大 的影響。所以可以從實驗結果得知，正向力的增加會使得側向力增 加，但側向力的變化對摩擦係數的影響卻不明顯。
15 20 25 30 35 40 0
300 600 900 1200 1500
Pz = 10000 uN
Pz = 5000 uN
Pz = 2500 uN Pz = 1000 uN
Lateral Force (uN)
Time (s)
圖4.19 標準負載形式之時間與正向力關係圖
圖4.20 標準負載形式之時間與側向力關係圖
圖4.21 氧化鋅薄膜表面受奈米刮痕之表面形貌圖(Normal load)
15 20 25 30 35 40
Coefficient of friction
Time (s)
Coefficient of friction
Time (s)
Coefficient of friction
Time (s)
Coefficient of friction
Time (s)
表4.5 標準負載形式下，探針所受之側向力與摩擦係數大小
圖4.22 標準負載形式之時間與摩擦係數大小關係圖
10 15 20 25 30 35 40
Lateral Force (uN)
Time (s)
圖4.23 漸增負載形式之時間與正向力關係圖
圖4.24 漸增負載形式之時間與側向力關係圖
圖4.25 氧化鋅薄膜表面受奈米刮痕之表面形貌圖(Ramp load)
10 15 20 25 30 35 40
Coefficient of friction
Time(seconds)
Coefficient of friction
Time(seconds)
Coefficient of friction
Time(seconds)
Coefficient of friction
Time(seconds) Pz = 10000 uN
表 4.6 漸增負載形式下，探針所受之側向力與摩擦係數大小
圖 4.26 標準負載形式之時間與摩擦係數大小關係圖
第五章 結論
本實驗於 Si(100)上使用射頻磁控式濺鍍法並改變其濺鍍功率 (50、100、150、200、300 W)來沉積高品質氧化鋅薄膜，實驗成果及 結論如下：
測氧化鋅薄膜之硬度與楊氏係數，實驗結果顯示氧化鋅薄膜之硬 度和楊氏係數除了受到結晶結構的影響外，基材效應對機械性質 也是有其重要性。
5. 最後使用奈米刮痕技術，來觀察其探針與薄膜間摩擦係數的大 小，實驗結果顯示，當正向力較小時，摩擦係數會隨著時間而增 加，這是因為在做刮痕試驗時，刮痕周圍所產生的堆積現象，會 使得壓痕器和接觸面之間的黏滯力增加進而使摩擦係數上升，而 當正向力及側向力增加時，因為力量較大，周圍堆積現象對摩擦 係數大小所產生的影響就減小了。
第六章 參考文獻
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