磁控射頻濺鍍系統

本 實 驗 基 材 的 製 備 是 使 用 由 環 瑋 公 司 製 造 的 磁 控 射 頻 濺 鍍 系 統 (RF-Sputtering)；如圖 4-3 所示。其沈積腔內含二個 RF 磁控靶，靶(target)的直徑皆 為3 英吋，其後連接一個匹配系統(matching system)及一個 13.56 MHz 的 RF 電源 供應器(最大輸出功率為 550W)；靶與基板的距離為 5 公分。基板電極具有 DC 偏 壓，其範圍在0 到-300V。系統中裝設有 Gauge A(thermal gauge)、Gauge B(thermal gauge)及 Ion Gauge 用以檢測系統中沈積腔體的背景壓力(Pb)及沈積壓力(Pd)。真空 系統部份先以機械幫浦(mechanical pump)進行粗抽，再以擴散泵(diffusion pump)將 腔體的背景壓力(Pb)抽到 1.0×10^-6 torr 以下。之後再進行沈積 TaNx薄膜於矽晶片基 材上。

4.1.3 有機金屬化學氣相沈積系統

本計畫所使用之系統為一自行設計、組裝之低壓冷壁式有機金屬化學氣相沈 積系統(low pressure cold-wall MOCVD)，其裝置如圖 4-4 所示。反應器為一外徑 38 mm 之不銹鋼六通管，試片以螺絲鎖於試片基座上倒放入反應器中，外部以加熱棒 幫浦。六通管後端則裝有一電容式真空計(capacitance manometer, Gdep)用以量測反 應器壓力。

(2) 試片基座：自行設計，由偉吉達公司製造，設計見圖 4-8。

(3) 電容式真空計(Gdep)：量測反應器壓力，量測範圍 10~ 10^-3 torr。型號為 CMR-263，由瑞士 Balzers 公司製造。

(4) 電容式真空計(Gcell)：量測蒸發器壓力，量測範圍 10~ 10^-3 torr。型號為 CMR-263，由瑞士 Balzers 公司製造。

(5) 溫度控制器：溫度範圍室溫~1000℃。型號為 TC-10A，偉吉達公司代理。

(6) 加熱帶：型號有 SST051-020、FGS101-080、FGS101-040，由美國 OMEGA 公司製造。

(7) 加熱棒：自行設計，由陵勝公司製造。

(8) 機械幫浦：型號為 RV-12，由英國 EWARDS 公司製造。

(9) 管線閥件：型號如圖 4-4 所示，由美國 Swagelok 公司製造。

(10) 質量流量控制器：型號為 840L，範圍 0~20 sccm，由美國 SIERRA 公司 製造。

Mechanical

Pump Cold Trap

N2 MFC V1、V2：Ball Valves (Swagelok SS-42S4)

V3：Bellow Valve (Swagelok SS-4H)

V4、V5、V8、V9、V10：Plug Valves (Swagelok SS-4P4T) V6、V7：Toggle Valve (WHITEY SS-1GS4)

V11：Angle Valve (BALZERS EVA 025S) V12：Butterfly Valve

圖4-5 溫控器設定溫度值和試片基座實際溫度之校正線。

150 200 250 300 350 400 450

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

T

(

C)

T

(

C)

T

(

C) = 0.68 + 0.79T

(

C)

圖4-6 直角閥(angle valve)閥開度與滯留時間(τ)之關係圖。

6 8 10 12 14 16

0 1 2 3 4 5 6

滯留時間 τ (sec)

閥開度 (12格/圈)

2.6 cm

0.62 cm ID 0.45 cm ID

1.1 cm

圖 4-8 試片基座設計圖。

4.2 實驗藥品、材料及分析儀器 4.2.1 實驗藥品及材料

(1) Copper(II) Chloride：

分子式 CuCl2，分子量 134.45，沸點 993℃。購自 ACROS 公司，批號 20653-2500，純度 99%。

(2) Lithium methoxide：

分子式 LiOCH3，分子量 37.97，沸點 64.6℃。購自 ACROS 公司，批號 30123-1000，純度 99%。

(3) Diethyl amino-2-propanol：

分子式(C2H5)2NCH2CH(OH)CH3，分子量131.21，沸點 55~59℃(13mmHg)。

購自ACROS 公司，批號 11407-5000，純度 97%。

(4) 甲苯(Toluene)：

分子式 CH3C6H5，分子量 92.14，沸點 111℃。購自 ACROS 公司，批號 17685-0025，純度 99.5%。

(5) 甲醇(Methyl alcohol)：

分子式 CH3OH，分子量 32.04，沸點 64.7℃。購自 ACROS 公司，批號

(6) 丙酮(Acetone)：

分子式 CH3COCH3，純度 95%，購自島久藥品株式會社。清洗試片及試片 基座用。

(7) 矽晶片(Silicon wafer)：

實驗級，單面拋光，6 吋晶圓之矽晶片，P-type 摻質硼(B)， (100)晶面，厚 度0.6 mm，電阻係數 1 ~ 10 Ω-cm，銥光科技有限公司代理。

(8) 鉭靶(Ta target)：

純度99.99%，直徑 3 英吋，厚度 1/8 英吋，購自均質電子材料股份有限公 司。

(9) 實驗用氣體：

1. 氬氣(Ar)：高純度(4N5, 99.995%)及超高純度(5N5, 99.9995%)。

2. 氮氣(N2)：普氮(2N5, 99.5%)、高純度(4N5, 99.995%)及超高純度(5N5, 99.9995%)。

4.2.2 分析儀器

(1) 傅立葉紅外線光譜儀 (Fourier transfer infrared spectrometer, FTIR)：

儀器廠牌及型號： Bio-Rad (FTS-3500)。鑑定先驅物之官能基的化學鍵結。

(2) 熱重量差分析 (thermogravimetry analysis, TGA)：

儀器廠牌及型號： Dynamic TGA 2950 (動態式熱重分析儀)。測量先驅物的熱 裂解溫度。

(4) X 光電子能譜儀 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)：

儀器廠牌及型號：英國Thermo VG Scientific Theta Probe 型。其 X-ray 光源為 Al/Mg twin anode，Al Kα 光源為 1486.6 eV，而 Mg Kα 光源為 1253.6 eV，最 大能量為15 kV，功率為 2.0~100 W，beam size 為 15~400 μm、入射角度為 50^°，SSA Channel-plate 電子能量分析器，其中共有 112 個 Channel，而能量 解析度為0.50~0.98 eV；可鑑定試片表面的元素成份，化學元素比例及化學性 質；儀器亦附有5 kV 的氬氣離子槍(Argon Ion Gun)及 6 kV 的 Flood Gun，分 別可作清潔試片表面、縱深分佈分析以及補償試片電荷堆積用。

(1) X 射線繞射儀 (X-ray diffraction, XRD)：

儀器廠牌及型號：Rigaku RTP 300。可鑑定薄膜之結晶結構並計算晶格常數。

(3) 場發射式掃描式電子顯微鏡 (field-emission scanning electron microscope,

儀器廠牌及型號：Model RT-7(Napson Corporation)。量測室溫下金屬片電阻 (sheet resistance)，再配合膜厚即可得到電阻值。探針間距相等，經外側的兩 根探針送入固定的電流或電壓，再由內側量測電壓或電流值，可得電阻值 R=V/I (Ω)。

a 為試片長度、d 為試片寬度、w＝薄膜厚度。

對一般薄膜而言，w << a 及 d，電阻值可經由簡單的公式，

ρ= V × w × CF / I，其中 CF 為校正因數；而當 d > > s (探針間距)時，CF = π/ ln 2 = 4.53。

(7) 原子力顯微鏡 (atomic force microscopy, AFM)：

儀器廠牌及型號：Nanoscope III (Digital Instruments, Inc.)。可用以觀察試片的 表面型態，並可量測出粒徑大小、表面粗糙度及粒徑密度。