材料分析與量測

3.3.1 X光繞射儀(XRD) — Ti-Al-N的相鑑定：

X 光繞射儀(X-ray diffraction—XRD)是以高能量的電子撞擊材料表 面來產生 X 光，不同成分與結構的材料會有其特性的 X 光光譜。利用 實驗所得到的特性光譜與國際性粉末繞射標準委員會(Joint Committee on Powder Diffraction Standards—JCPDS)所建立的粉末繞射資料庫 (Powder Diffraction File — PDF)比對，則可得出待測物的成分與結構。

本實驗利用 XRD 來鑑定不同氮流量所濺鍍出的 Ti-Al-N 之成分結構。

3.3.2 四點探針 — 片電阻(Sheet Resistance)量測：

比較不同的擴散阻障層結構對總電阻值的影響，並比較不同熱處 理條件下，各鍍層間的反應所造成的電阻差異。

3.3.3 場發射電子顯微鏡(FE-SEM) — 鍍膜形態觀察：

場發射電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscopy，

FE-SEM)是以電場發射原理產生電子，場發射槍為鎢針尖，當施加一 負偏壓於電子槍時，強大的電場會集中在針尖，藉此游離電子，再將 游離的電子聚焦，用電子束撞擊材料表面，以偵測二次或背向散射電 子。SEM 主要是用來看物質表面的影像(Topography)，解析度可達 15Å。本實驗使用 Hitachi S4000 場發射電子顯微鏡，加速電壓 20 kV

3.3.4 歐傑電子能譜儀(AES) — 鍍膜縱深分析

歐傑電子能譜儀(Auger Electron Spectroscopy-AES)分析技術是利 用一電子束(2~30 keV)照射在試片表面，以激發帶有特性動能的 Auger 電子，藉著量測 Auger 電子的動能，來判斷試片表面的元素成分或化 學 態 。 由 於 低 能 電 子 (1~3 keV) 在 固 態 材 料 的 平 均 自 由 路 徑 (Inelastic Mean Free Path)很短(5~20 Å)，故 AES 檢測的深度大致上在 50 Å 以內。當電子束直徑很小時，SAM(Scanning Auger Microscope)技 術可得表面成分之 Auger 影像。如果利用離子束濺射試片表面，並檢 測產生之新表面的 Auger 訊號，便可得到試片自表面到內部的成分縱 深分佈(Depth Profile)，因此適合分析薄膜。本實驗以 FISONS Microlab 310F 的 Auger 電子能譜儀，入射能量 10 kV，濺射槍為 3 keV 的 Ar，

來做鍍膜縱深分析。比較各種結構在不同的退火溫度下，各鍍層成份 的擴散與分佈。

3.3.5 二次離子質譜儀(SIMS) — 量測銅在矽中的含量：

二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)是以離子 束 撞 擊 材 料 表 面 ， 以 偵 測 二 次 離 子 ， 可 作 縱 深 分 析 ， 其 靈 敏 度 (Detection Limit)高達 10¹²~10¹⁶ at/cm³，常用來偵測半導體材料的污染 源。本實驗以 CAMECA IMS-5F 的二次離子質譜儀，離子源為 12.5 kV 的氧離子(O2+

)來量測銅在基材中的含量，用以判定銅是否擴散至二氧

化矽或矽基材中。

3.3.6 穿透式電子顯微鏡(TEM)—觀察界面及銅膜、反應物微結構：

穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，TEM)是利用 高能量電子撞擊材料，偵測繞射的電子，主要用來觀察材料的結構，

其 解 析 度 很 高 ， 可 到 個 別 的 原 子 (2Å) ， 對 於 界 面 或 閘 極 氧 化 層 (Gate Oxide)的厚度判定非常有用，且可用 mapping 觀察成份分布。TEM 尚 可 附 加 電 子 激 發 X 射 線 光 譜 議 (Electron Dispersive X-Ray Spectroscopy, EDS) 及 電 子 能 量 損 失 能 譜 議 (Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS)來鑑定材料的化學組成，後者是偵測在產生內層電 子游離化或其他晶體激發的過程中，喪失了一定能量的電子，來做成 份分析。

在電子顯微鏡的試片製作方面，由於 TEM 分析的是穿透過試片的 電子束，所以試片的厚度必須小於 1000 Å，且試片的直徑僅為 3 mm，

欲得到如此薄的試片，可借助於超薄切割機或離子減薄機。

本實驗採用的橫載面試片製作的步驟如下：

1. 將試片切成 2 mm x 3 mm 的大小。

2. 以三明治的夾法用樹酯接著劑(G1 Epoxy)將試片夾緊待乾。

3. 待接著劑完全硬化後，再依次以 400、1200、2400、4000 號的砂紙 將試片研磨至 20 μm 以下，再以化學溶液拋光至近鏡面。

4. 將直徑 3.05 mm 的鉬環黏著於試片上，鉬環中空部份圈住欲觀察的 界面處。

5. 以離子減薄機(Gatan Model 600 Dual Mill)將試片在能量 5 keV、電 流 10 mA 的氬的離子束下減薄至薄區出現。

本 實 驗 使 用 的 機 台 為 JEOL 2000FX STEM 及 JEOL 2010F FEGTEM，以橫載面穿透電子顯微術(XTEM)，輔以 EDS 及 EELS 來判 定各層成分，進行各層膜厚的量測。並觀察銅的晶粒大小(Grain Size)，

界面及表面反應物，且以繞射圖形(Diffraction Pattern)來分析反應物的 微結構。本實驗的實驗流程圖可參考圖 3.1。

圖 3.1、實驗流程圖 As Dep. Ti-Al-N (N=0,1~)

Cu

Ti-Al-N (N=0,1~) Si Sub.

Various annealing temperature

Various annealing temperature

z Resistivity z XRD z AFM z XTEM

z Sheet resistance z XRD