第二章 理論基礎
2.2 熱燈絲化學氣相沉積法
2.2.2 熱燈絲原理與製程概述
熱燈絲化學氣相沉積法(hot filament chemical vapor deposition, HFCVD)，是一個現今科技常應用的技術。在1974年，Matsumoto 等 人和日本的國家無機材料研究所(national institute for research in inorganic materials, NIRIM)合作 應用此項 技術，成 功的合成 鑽石 400-1000℃之間。鍍膜速率可為0.3~20 µm/hr，基板面積最大可達到 20×20 cm2。
2.3 分析設備 分析設備 分析設備 分析設備 原子力顯微鏡 原子力顯微鏡 原子力顯微鏡 原子力顯微鏡
原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)是由 Binning、
Quate 及 Gerber 於 1986 年所提出[12]。其在科學應用上已廣為 應用於奈米尺度下的顯微分析，對奈米科技有直接的助益。原子 力顯微鏡具有原子級顯像能力，可應用於材料表面的檢測，並且 能在真空、氣體或液體環境下量測樣品，是屬於掃描探針顯微技 術(scanning probe microscopy，SPM)的一種，此種技術均是利用 特製的微小探針來做量測，其針尖尖端直徑介於 20 nm 至 100 nm
可使用這些資料來反向推導出樣品表面特性。
(3) 間歇接觸式（或稱為輕敲式，intermittent contactor tapping）：
第三種輕敲式 AFM 便是將探針與樣品距離加近，在增大振幅，
使探針在振盪到波谷時接觸樣品，由於樣品的表面高低起伏，使得 振幅改變，再利用類似非接觸式的迴饋控制方式，便能取得高度影 像[13]。由於 AFM 有原子級的解析度，可利用在各種薄膜粗糙度 檢測，及微觀表面結構研究的重要儀器。原子力顯微鏡量測示意圖 如圖 2-3 所示。由於接觸式有接觸的情況怕會破會樣品表面，所以 本論文是使用非接觸式 AFM，其優點在於非接觸式的不會破壞到 樣品，在高真空下有良好的解析度，所以才會使用此模式的 AFM 來做實驗的分析。
圖 2-1 碳化薄膜成長示意圖
圖 2-2 原子力顯微鏡量測示意圖[13]
第三章
V、電流：0~130 A、功率：0~13 kW。可提供鎢絲發熱所需電流。3.2.3 溫度量測系統 溫度量測系統 溫度量測系統 溫度量測系統
基板溫度由非接地型熱電偶(k-type thermal couple，Cr/Al)進行量 測，置入一 2 mm 內徑，長度 50 mm 之石英管內，置於矽基板之裡 面進行基板溫度的量測。
3.2.4 真空設備系統 真空設備系統 真空設備系統 真空設備系統
本實驗以迴轉幫浦進行系統抽氣，為英國 EDWARDS 產品，型
使用電容式壓力計為 MKS type122A Baratron gauge :量測範圍為 10-1~103 Torr，此電容型壓力計因無須考慮氣體工作種類，故用
H2(1000 SCCM)、SiCl4(10 SCCM)質量流量控制器，精準控制各氣體 流量。各流量控制器在安裝時，均經過原廠流量校正，以確保氣體流 量精確控制。
3.3 實驗材料 實驗材料 實驗材料 實驗材料
5. 實驗結束，及便完成碳化步驟。
6. 曝氣，將經過前處理後的矽基板放置於系統中，並抽氣至 5×10-3 Torr。
7. 設定實驗參數(基板溫度、燈絲溫度、氣相組成、壓力)，打開循環 水系統，開始進行鍍膜。
8. 鍍膜結束，將全部氣體流量歸零，熱燈絲電流歸零，循環水關閉，
結束鍍膜程序。
9. 待基板溫度回到常溫後，曝氣並取出試片。
3.5 實驗樣品總表 實驗樣品總表 實驗樣品總表 實驗樣品總表
在本論文中，我們規劃了一系列的實驗參數，來討論製作完成的 SiC 薄膜品質。規劃的樣品代號與實驗參數表如表 3-2 及表 3-3：固 定通入 400 SCCM 的氫氣、2 SCCM 的四氯化碳、3 SCCM 的氧氣，
利用改變基板與鎢絲的距離與鍍膜時間進行製備樣品。
表 3-1 SiC01~SiC12 實驗樣品表，dWS為樣品與鎢絲的距離，製程固
圖 3-1 實驗流程圖
圖 3-2 製程設備示意圖
反應用氣體
提供熱源的熱 燈絲
第四章
等樣品來作原子力顯微鏡分析並量測其粗糙度(RMS roughness, nm)，原子力顯微鏡分析圖如圖 4-1(a)(b)(c)(d)、圖 4-2(a)(b)(c)(d)，由 AFM 的圖我們可以觀察到參數 SiC12 的 AFM 圖最不平整，有一些點厚度
I-V 呈現幾乎對稱的情況，而且電流相當低，顯示實驗完成的 SiC 的
薄膜電阻相當高。因此，在本論文中將此 SiC 當成絕緣層來處理。圖 4-4 為樣品 SiC06 的 XRD 圖，由此可以看到二個繞射峰，分別是 2θ =28.8 與 36.8 度。其中 2θ =28.8 度是基板 Si(111)的訊號，36.8 度 則是 SiC(111)的訊號[14][15]。顯示 SiC 薄膜不是非晶態，而是具有 (111)方向的結晶型薄膜。
圖 4-9 為 Au/SiC/Si 結構在不同偏壓下的能帶示意圖(a)未施加偏 之 SEM 截面圖（cross-section image），可以觀察到碳化矽薄膜厚度 約為 410.0 nm，由此可以得知，真實厚度與上述所推估之厚度相近。
表 4-1 10 kHz 的頻率下 SiC01〜SiC12 各個膜厚所推算的厚度
SiC15 1018.278
SiC16 1048.38
圖 4-1(a) 參數 SiC01 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-1(b) 參數 SiC04 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-1(c) 參數 SiC08 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-1(d) 參數 SiC12 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-2(a) 參數 SiC13 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-2(b) 參數 SiC16 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-2(c) 參數 SiC20 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-2(d) 參數 SiC24 所成長之碳化矽薄膜，原子力顯微鏡所觀察到 的表面型態
圖 4-3 樣品 SiC12 的 I-V 關係圖
圖 4-4 樣品 SiC06 的 XRD 圖
圖 4-5 SiC06 在 10KHz 的電容-電壓關係圖
圖 4-6 SiC01、SiC04、SiC08、SiC12 其樣品來作 AFM 分析並量測
圖 4-7 SiC13、SiC16、SiC20、SiC24 其樣品來作 AFM 分析並量測其 粗糙度
圖 4-8 在 1V 偏壓下，樣品的電流與距離 d 的關係
(a) (b)
(c)
圖 4-9 Au/SiC/Si 結構在不同偏壓下的能帶示意圖(a)未施加偏壓(b)電 極正向偏壓(c)電極負向偏壓
圖 4-10 沉積時間五分鐘的樣品 SiC01〜SiC12 在 10 kHz 頻率下的電 導與厚度關係圖
圖 4-11 沉積時間五分鐘的樣品 SiC13〜SiC24 在 10 kHz 頻率下的電 導與厚度關係圖
A
C
B D A
C
D B
圖 4.12 為樣品 SiC06 之 SEM 截面圖
第五章
2.實驗中尚未量測應力大小。
在於 4.2.2 節判斷其應力對膜厚的影響，日後應實際量測其應力 值，以達精確之效果。
3.系統成長碳化矽面積還需改善。
目前系統可成長的膜有效範圍為 2 cm×2 cm 面積的矽基板，日後 應改良其成長面積對日後研就會更有幫助。
參考資料 參考資料 參考資料 參考資料
[1] (J. Bardeen and W.H. Brattain,” The Transistor, A Semiconductor Triode,”Phys. Rev., 74, 230, 1948.)
[2] (S. M. SZE, Semiconductor Devices, Physics and Technology, Wiley, New York, 1985.)
[3] (P.L. Dreike, D. M. Fleetwood, D. B. King, D. C. Sprauer, and T.
E.Zipperian, “ An Overview of High-Temperature Electronic DeviceTechnologies and Potential Application“, IEEE Transaction Components,Packaging, and Manufacturing Technology-Part A, 17, 594, 1994.)
[4] (J. B. Casady, and R. W. Johnson, “Status of Silicon Carbide (SiC) as aWide-Bandgap Semiconductor for High-Temperature Applications:
AReview”, Solid-State Electronics, 39, 1409, 1996.)
[5] (William F. Smith, Foundations of Materials Science and Engineering, 2nd,McGraw-Hill, 1994.)
[6] (5W/cm-k)( G. A. Slack, Journal of applied physics, 35, 3460, 1964)( http://nina.ecse.rpi.edu/shur/SiC/sld023.htm)
[7] (T. Paul Chow and Ritu Tyagi,”Wide Bandgap Compound
Semiconductors for Superior High-Voltage Unipolar Power Device”, IEEE Transaction on Electron Devices, 41, 8, 1994.)
[8] H. Matsunami, T. Kimoto, Mater. Sci. Eng. R20, 125 (1997).
[9] 田明波與劉德令編譯，薄膜科學與技術手冊（機械工業出版社，
北京，1991 年），第 1 頁.
[10] C. E. Morosanu, Thin Films by Chemical Vapor Deposition, chapter
Electrochem. Soc., 121, 919 (1974).
[11] P. E. Pehresson, F. G. Celii, and J. E. Butler, Diamond Films And Coatings, edited by R. F. Davis, 69(Noyes, 1993).
[12] G. Binning, C.F. Quate, and C. Gerber. "Atomic Force Microscope".Physical Review Letters. 56 (1986): 930-933.
[13]行政院國家科學委員會精密儀器發展中心。“表面分析儀器原子力 顯微鏡”，儀器總覽，1998。29-31。
[14] 張岳青。2009。熱鎢絲化學氣相低溫沉積奈米碳化矽薄膜電晶體 之研究。碩士論文。台南：成功大學電機工程學系微電子工程研究所。
[15]宋增滄。2003。以迴旋濺鍍法成長氮化鋁薄膜之機制探討。碩士 論文。桃園：中原大學電子工程學系碩士班。
附錄一 附錄一 附錄一 附錄一
1. 矽基板矽基板矽基板矽基板(111)基板的清洗基板的清洗基板的清洗：基板的清洗：： ：(1) 將矽基板浸泡於裝有 5% BOH 的燒杯中，浸泡十分鐘後在用去離 子水沖洗。
(2) 將矽基板浸泡於裝有去離子水的燒杯中，並將燒杯置入超音波震 盪器中震盪三分鐘。
(3) 將矽基板浸泡於裝有丙酮的燒杯中，並將燒杯置入超音波震盪器 中震盪三分鐘。
(4) 將矽基板浸泡於裝有甲醇的燒杯中，並將燒杯置入超音波震盪器 中震盪三分鐘。
(5) 將矽基板浸泡於裝有去離子水的燒杯中，並將燒杯置入超音波震 盪器中震盪三分鐘。
(6) 以氮氣槍將表面吹乾，並置入烤箱中以 90℃，烤乾 3 分鐘。
附錄二
附錄三
4’silicon Wafer (Heavily doped wafer) Orientation:（111）
Type/Dopant: N/Phos.
Diameter : 100±0.5 mm Thickness: 525±25 um Resistivity: 1~10 ohm-cm Surface: one side polished