改變偏壓階段之時間對於碳化矽層形成之影響

Carburization Bias step

Power (W) 800 900/1000

(1) 條紋狀碳化矽顆粒的長寬比隨著偏壓時間愈長，其比例愈小。

(2) 偏壓時間愈長，其顆粒尺寸大小差異愈大。

(3) 偏壓時間愈長，顆粒排列愈緊密，甚至會有堆疊現象產生。

(4) 偏壓時間愈長，鑽石核種之成核密度愈大。

圖4-21 微波功率 900 W，偏壓階段在不同的偏壓時間下之 SEM 圖。

(a)(b)為 30 sec，(c)(d)為 1 min，(e)(f)為 3 min。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖4-22 微波功率 1000 W，偏壓階段在不同的偏壓時間下之 SEM 圖。

(a)(b)為 3 min，(c)(d)為 1 min。

其中值得注意是在微波功率 1000 W，偏壓時間 3 min 時，其試片的中 央部份與邊緣部份之顆粒表面形貌不同，靠近試片中央部份的區域，顆粒 近似方形，尺寸約 30 nm，密度不高，零星排列。其他區域(指非試片中央 部份區域)，其顆粒為長條形，尺寸約 45 nm，分布均勻，密合排列。推測 可能因為高微波功率造成試片在電漿球內溫度梯度的效應而產生表面形貌 的差異。

(a) (b)

(c) (d)

表 4-9 微波功率 900 W，不同偏壓時間下之碳化矽顆粒的尺寸及鑽石核 Average of grain size

(nm) W 4 W 9 W 25

Center Edge Average of L/W ratio 1.3

1.1 2.2 L 23 L 28 L 45 Average of grain size

(nm) W 17 W 26 W 20

4.6.3 XRD 之分析

圖 4-23 為偏壓階段在微波功率 900W 時，在不同偏壓時間下之 XRD 分析圖。從圖中可以明顯得知，隨著偏壓時間的增加到3 min，表面已沒有 Graphite 的訊號峰。在偏壓 30 sec 及 1 min 的條件下，皆有 β-SiC、α-SiC 及 Graphite；在偏壓 3 min 的條件下，只有 β-SiC。經由跟標準粉末試片計算 β-SiC 各訊號峰的強度比，參照表 4-10，可知偏壓 1 min 時，β-SiC 具有(200) 晶面取向。

圖 4-24 為偏壓階段在微波功率 1000 W 時，在不同偏壓時間下之 XRD 繞射圖。在偏壓1 min 的條件下，有 β-SiC (111)、(200)及(220)三個訊號峰，

為(111)晶面取向。在偏壓 3 min 的條件下，有 β-SiC (111)、(200)及(220)之 訊號峰，為(220)晶面取向；在偏壓 5 min 的條件下，則測不到 β-SiC(200) 的訊號峰，僅有β-SiC(111)及(200)的訊號峰，為(220)晶面取向。β-SiC 各訊 號峰的強度比，參照表 4-10。

從 XRD 分析數據可以得到之結果：

(1) 偏壓時間增加，其表面非 β-SiC 之訊號會消失，晶面取向會傾於(220)。

(2) 在微波功率 1000 W 的條件下，所得的膜層為單純的 β-SiC。

圖4-23 偏壓階段以微波功率 900 W，在不同的偏壓時間下之 XRD 分析圖，

由上而下為偏壓時間3 min、1 min、30 sec。

圖4-24 偏壓階段以微波功率 1000W，在不同的偏壓時間下之 XRD 分析圖，

由上而下為偏壓時間5 min、3 min、1 min。

表4-10 β-SiC 在 XRD 分析的各訊號峰強度比例及晶面取向 900W Time (min) I_220/I₁₁₁ I₂₀₀/I₂₂₀ 晶面取向

3 2.206 - (220)

1 - 0.741 (200)

0.5 1.339 0.312 (220) 1000W Time (min) I220/I₁₁₁ I₂₀₀/I₂₂₀ 晶面取向

5 2.432 - (220)

3 2.158 0.041 (220) 1 0.290 0.192 (111) Standard β-SiC

Powder sample 0.370 0.470

4.6.4 XPS 之分析

圖4-25 為偏壓階段在不同偏壓時間之 XPS-C(1s)能譜圖，將此作

curve-fitting 處理，得到之結果如下圖 4-26 所示。隨著偏壓時間的增加，α-SiC 的訊號峰值強度變小，即有α-SiC 的成份含量減低的趨勢。推測的可能為偏 壓時間30 秒時，短時間內電漿中的碳氫活性基快速沉積於基材表面，使沉 積之物種在碳化階段含有β-SiC 成份的碳化層上產生疊差，因而促使 α-SiC 的形成。隨著偏壓時間的增加，沉積物種產生表面重建(surface reconstruction) 現象，降低沉積後疊差的產生，因此減少α-SiC 的形成。

圖4-25 偏壓階段以微波功率 900W，在不同偏壓時間的條件下之 XPS-C(1s) 能譜。

圖4-26 偏壓階段以微波功率 900W，在不同偏壓時間下，XPS C(1s)圖譜之 分峰分析結果，(a)-(c)分別為 3 min、1 min、30 sec。

(a)

(b)

(c)

4.6.5 偏壓階段改變偏壓時間之總結

在偏壓階段的過程中，偏壓時間的長短，對於碳化矽形成有極大的影 響，由 SEM 分析可知偏壓時間 30 秒所形成的顆粒尺寸較小，長寬比例接 近 1，隨著偏壓時間的增加，尺寸亦隨著增加，顆粒密合度也增高。XRD 及XPS 分析中得知，偏壓時間愈長，表面之碳層(carbon layer)會漸漸消失，

所形成之碳化矽層品質較佳。考慮鑽石的成核密度大小(見表 4-10)，偏壓時 間 3 分鐘之成核密度雖高，但其表面碳化矽顆粒尺寸差異大，已有顆粒堆 疊一起變大的現象，造成表面的不平整。另外，考慮所形成 之 β-SiC 的結 晶性，偏壓3 分鐘並無(200)晶面繞射峰出現，此結果可能不利於後續 HOD 之成長。綜合以上分析，推測在偏壓時間 1 分鐘的條件下，所製程的碳化 矽層品質最佳。