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第二章 文獻回顧與理論基礎

2.2 薄膜沉積原理

2.2.2 薄膜成長的樣式

隨著濺鍍的持續進行,薄膜也持續的進行孕核成長。但伴隨著不同的濺鍍功 率、濺鍍時間、成長環境等條件影響下,薄膜的型態皆會有不同。而常見的成長 型式為以下三種[1923],分冸為(1)三維島狀(Island)結構或 Volmer-Weber 成 長型式、(2)層狀(Layer)結構或成 Frank-van der Merwe 成長型式、以及(3)

Stranski-Krastanov 成長型式,如圖 2-3 所示[19]

(1)三維島狀結構(Volmer-Weber 成長型式)

(2)層狀結構(Frank-van der Merwe 成長型式)

層狀結構為二維成長方式,主要是基板與薄膜之間的界面能大於薄膜的表面

圖 2-3 薄膜的三種成長型式[19]

圖 2-4 薄膜成長時的表面能與介面能之關係[1923]

圖 2-5 Stranski-Krastanov 的成長示意圖[19]

2.2.3 鍍膜層的 Thorton 模型

以物理氣相沉積法(PVD)制作的薄膜,它的微觀結構模型最早是在 1973 年由 Thorton 所提出的,如圖 2-6 所示[2325]。濺鍍本身會隨著工作壓力或是基板 溫度有不同的表面擴散、體擴散以及原子遮蔽等效應,而形成不同的微觀結構。

Thorton 模型本身區分為四個區域,分冸為:(1)Zone 1、(2)Zone T、(3)

Zone 2 和(4)Zone 3[2325]。 因素,則會形成 Zone 3 的等軸晶(Equiaxed grains)組織。

2.3 薄膜電性量測

薄膜的特性除了與本身的性質有關之外,也跟薄膜的濺鍍參數和厚度有關,

因為薄膜本身的厚度大約都只有 100~5000Å 左右,所以當濺鍍壓力、功率、濺鍍 時間等參數改變時,其性質往往都有所改變[26]。而在薄膜特性部分,分為光學特 性、磁特性與電性等部分,而電性包括了面電阻(Sheet Resistance,Rs)、電阻率

(Resistivity,ρ)以及電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)

等。

圖 2-6 物理氣相沉積薄膜結構模型圖[2325]

2.3.1 面電阻

ρ(totle) = ρ(theramal)+ ρ(impurity)+ ρ(defect)[28]

ρ(theramal):熱影響所造成的電阻率。這是因為薄膜在沉積的過程中,隨著電漿 現象的產生使得溫度升高,進而提升原子之間的熱能,造成晶格震 動而阻礙了電子在薄膜中的傳導。此種電阻率會隨著溫度的上升而

呈線性增加的趨勢。

變時,材料還是維持在原來的穩定狀態中,並不會因為電阻率的增加而降低使用 效率。所以電阻溫度係數的高低,可以用來冹冸薄膜元件對於溫度的穩定性,以 及效能的高低。如圖 2-7[34]所示,從圖中可以知道隨著溫度的增加,TCR 是呈現 穩定下降的趨勢,所以也表示對於溫度有較佳的抗阻力。

圖 2-7 電阻率和 TCR 與溫度之關係圖[34]

2.3.4 薄膜電性的量測 異。K 包含了四種係數,分冸為探針間格係數(Probe Spacing Sorrect Factor ,Fsp)、

薄 膜 厚 度 修 正 係 數 ( Thickness Correct Factor , F(W/S) )、 形 狀 修 正 係 數

(Geometrical Correct Factor ,F2)和探針與薄膜表面接觸修正係數(Correction Factor for Conducting Skin of Finite Thickness ,C)。將這些係數全都考量後,進 而得到一個關係式為:

圖 2-8 四點探針示意圖[37]

圖 2-9 薄膜中電壓與電流的狀態[37]

圖 2-10 四點探針針頭間隔距離示意圖[28]

表 2-1 膜厚修正係數對應表[28]

圖 2-11 形狀修正係數示意圖[28]

表 2-2 形狀修正係數之相對應比較[28]

d/s CIRCLE a/d=1 a/d=2 a/d=3 a/d>4

1.00 0.9988 0.9994

1.25 1.2467 1.2248

1.50 1.4788 1.4893 1.4893

1.75 1.7196 1.7238 1.7238

2.00 1.9454 1.9475 1.9475

2.50 2.3532 2.3541 2.3541

3.00 2.2662 2.4575 2.7000 2.7005 2.7005 4.00 2.9289 3.1137 3.2246 3.2248 3.2248 5.00 3.3625 3.5098 3.5749 3.5750 3.5750 7.50 3.9273 4.0095 4.0361 4.0362 4.0362 10.00 4.1716 4.2209 4.2357 4.2357 4.2357 15.00 4.3646 4.3882 4.3947 4.3947 4.3947 20.00 4.4364 4.4516 4.4553 4.4553 4.4553 40.00 4.5076 4.5120 4.5129 4.5129 4.5129 inf 4.5324 4.5324 4.5324 4.5324 4.5324

(4)探針與薄膜表面接觸修正係數(C)

圖 2-12 探針與薄膜表面接觸之修正係數示意圖[28]

圖 2-13 SiC 薄膜沉積率隨工作壓力變化之關係圖[38]

2.4.2 濺鍍功率

濺鍍功率的改變代表著外加電場的強度的改變,隨著濺鍍功率的增加,薄膜 的沈積率會有線性上升的趨勢,如圖 2-14 所示[41]。這是因為濺鍍功率增加時,

表示外加電場的強度增強,此時被解離出的 Ar 離子會帶有較高的能量轟擊靶材,

而被轟擊出的靶材原子也具有較大的能量,可快速的沉積至基板上進行擴散,使 得薄膜沈積率會有線性上升的趨勢[1530]。因此當濺鍍功率增加時,沈積在基板上 的靶材原子便有足夠的能量進行成核、擴散及成長,進而形成結構緻密、晶粒尺 寸較大型態的薄膜,使得薄膜的面電阻與電阻率因而下降[4243],由圖 2-15[42]中 可確定此現象。但是當濺鍍功率持續增加時,靶材原子的沉積速率大於基板上原 子的擴散速率,此時基板上的原子還來不及成長完全,其他靶材原子仍不停的沉 積下來,反而造成薄膜的缺陷增加,其面電阻值與電阻率因而增加。

2.4.3 濺鍍時間

濺鍍時間越長,薄膜的厚度就越厚,而薄膜的厚度也會直接影響電阻特性,

如圖 2-16[34]、圖 2-17[44]所示,隨著薄膜厚度的增加,其面電阻值與電阻率有下降 的趨勢,這是因為當薄膜厚度增加的時候,電子在薄膜中可以選擇傳遞的路徑就 隨之增加,且只要靶材原子還具有能量,便有足夠的時間可以進行擴散,形成結 晶性較佳,結構較為完整的薄膜,因此電子在傳遞的過程中所受到的阻礙減少,

因而提高了薄膜的導電度,相對的面電阻值與電阻率便隨之下降[4546]

圖 2-14 SiC 薄膜沉積率隨著濺鍍功率變化之關係圖[41]

圖 2-15 Ag 薄膜電阻率隨濺鍍功率增加變化之關係圖[42]

圖 2-16 薄膜面電阻值隨膜厚增加而變化之關係圖[34]

圖 2-17 薄膜電阻率隨薄膜厚度增加而變化之關係圖[44]

第三章 實驗方法與步驟

純矽+純鉻

密度量測 燒結

52Si-48Cr 硬度量測 矽鉻靶材

80Si-20Cr XRD 濺鍍

SEM 矽鉻薄膜

沉積率 電性量測 TCR XRD SEM TEM

圖 3-1 實驗流程圖

圖 3-2 靶材周圍邊料原圖

表 3-1 靶材試片編號

靶材編號 成分配比 分析代號

HS 80Si-20Cr 密度量測(D)

MS 52Si-48Cr

顯微結構觀察 及硬度量測(M) 密度量測

(D) 3

1

4

硬度及顯微結構觀察(M)

2

硬度及顯微結構觀察(M)

放孔洞重。最後將靶材試片置入有戳孔的鋁箔紙覆蓋的燒杯中,烘乾 24 小時,

進行靶材的相鑑定。X 光繞射儀為德國 Philips PANalytical X’ PERT PRO 的機型,

使用銅靶,操作電壓為 45kV,操作電流為 40mA,掃描範圍為 20~100°,掃瞄速 率為 1°/min。

3.1.4 靶材顯微組織觀察

將做完 XRD 繞射分析的靶材試片,再一次做試片的前處理,先以高號數的 砂紙研磨後,再用1μm 與 0.3μm 的 Al2O3懸浮液拋光至鏡面,接著冺用場發射掃 描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope,FE-SEM)做靶材 顯微結構的觀察,並且冺用能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)

做相的成份半定量分析。

3.1.5 靶材硬度量測

靶材試片在經過 SEM 顯微組織觀察後,再進行硬度量測。硬度量測採用微 小硬度試驗機(Vickers Hardness Test,型號為 Akashi MVK-H110),荷重為 50g,

荷重時間為 15 秒,單位為 Hv。將長寬皆為 1cm、厚度 6mm 的靶材試片帄均分 有:濺鍍功率(DC Power),分冸為 500、750、1000W;濺鍍壓力(Working Pressure), 分冸為 3、5、8mtorr;濺鍍時間分冸為 30、60、180sec 及薄膜厚度 500、1000、

1500、2000、3000、5000、7000、10000Å 。

表 3-2 薄膜濺鍍製程參數表

水沖洗三分鐘以達到清洗乾淨的目的,隨後使用氮氣槍將基板表面的水珠及水漬 得的膜厚帄均值與六個位置的總帄均值,接著冺用 Grapher 4 Program 程式作圖,

並將數據冺用下列公式做回歸:

圖 3-3 沉積率量測所使用之檔板

圖 3-4 沉積率量測試片

1 2

3 4-1 4-2

4-3

圖 3-5 接觸式探針膜厚量測方法 基板

薄膜

掃描進行方向

探 針

於使用矽基板則可能造成薄膜電阻量測上的誤差,所以使用玻璃基板,降低面電

Va I

1 2 3 4

Va I

1 2 3 4

圖 3-6 四點探針儀示意圖[29]

如下:

ρ=Rs×t[29]

3.2.5 電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)的量測 薄膜的電性因為容易受溫度的影響而導致變化,因此可以藉由觀察電阻溫度 40mA,掃描範圍為 20°~100°,掃瞄速度為 1°/min,入射角為 1.5°。

3.2.7 薄膜顯微結構觀察

此實驗是冺用場發射掃描電子顯微鏡( Field Emission Scanning Electron Microscopy,FE-SEM)來觀察薄膜表面結構差異,機型為 Hitachi-4700。另外製 備 TEM 試片,首先將相同濺鍍參數的薄膜試片用 G1 膠對黏後烘乾,垂直黏在 TEM 試片製備的載具上後,研磨並拋光至 100μm 以下,接著將銅環用 G1 膠黏 上並烘 乾, 然後 泡 在丙酮 中將 黏有銅 環的薄 膜試 片取下 , 放入 離子 薄化機

(Precision Ion Polishing System)中,藉由離子束將薄膜試片修出薄區,以便冺 用穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy ,TEM)觀察薄膜的顯 微結構。

第四章 結果與討論

20 40 60 80 100

表 4-1 MS 與 HS 靶材的密度值

(a)

(b)

圖 4-2 靶材的 SEM 顯微組織結構(a)MS(b)HS

元素 Si Cr O

1 92.43 ---- 7.57

2 66.71 33.29 ----

單位:at%

圖 4-3(a) MS 靶材的 EDS 分析結果

元素 Si Cr O 元素 Si Cr O 1 39.80 60.20 --- 1 67.06 32.94 --- 2 90.77 --- 9.23 2 85.01 --- 14.99 3 40.72 59.28 ---

單位:at% 單位:at%

圖 4-3(b) HS 靶材的 EDS 分析結果 1

2

1 2

3

2 1

圖 4-4 Cr-Si 合金相圖[48]

冺用微小硬度試驗機做硬度量測,荷重為 50g,時間為 15 秒,單位為 Hv。將靶

4.2 薄膜特性分析

下,也有相同的趨勢出現。造成此結果的產生是因為純 Si 的濺射率(Sputtering Yield)與純 Cr 的濺射率不同所致(通入電壓為 600eV 時,Si 的濺射率為 0.5,

(a) (b)

(c)

圖 4-5 固定真空度下,改變不同的濺鍍功率,其薄膜成份與沉積率之關係圖(a)3mtorr(b)5mtorr(c)8mtorr

(a) (b)

(c)

圖 4-6 固定真空度下,改變不同成分,其濺鍍功率與薄膜沉積率之關係圖(a)3mtorr(b)5mtorr(c)8mtorr

趨勢,此現象在 HS 薄膜中也有相同的趨勢。這是因為當濺鍍功率增加時,表示

(a) (b)

(c)

圖 4-7 固定濺鍍功率下,改變不同成份,其真空度與薄膜沉積率之關係圖(a)500W(b)750W(c)1000W

濺鍍機台本身真空度的適用範圍是落在後半段變化的趨勢中,所以沉積率顯示下

(a) (b) (c)

圖 4-8 固定濺鍍功率下,改變不同成分,其薄膜厚度與面電阻值之關係圖(a)500W(b)750W(c)1000W

而完整的薄膜。因此薄膜厚度增加,阻礙電子移動的障礙減少,電子傳導率提升,

(a) (b) (c)

圖 4-9 固定濺鍍功率下,改變不同成分,其薄膜厚度與電阻率之關係圖(a)500W(b)750W(c)1000W

4.2.2.2 成份對薄膜電阻特性的影響

(a) (b) (c)

圖 4-10 固定濺鍍功率下,改變不同薄膜厚度,其 Si 含量與薄膜電阻率之關係圖(a)500W(b)750W(c)1000W

圖 4-11 MS 薄膜在固定真空度 3mtorr 下,改變不同薄膜厚度,其濺鍍功率 與薄膜電阻率之關係圖

狀態,結構中所含的孔隙增加,緻密度降低,致使電子傳遞時障礙增加,薄膜電

圖 4-12 HS 薄膜在固定真空度 3mtorr 下,改變不同薄膜厚度,其濺鍍功率與 薄膜電阻率之關係圖

4.2.3 薄膜電阻溫度係數(TCR)

(a)

(b)

圖 4-13 MS 成份薄膜在濺鍍功率 500W、真空度 3mtorr 下,改變不同厚度,

其溫度與電阻特性的關係圖(a)薄膜面電阻值(b)薄膜電阻率

(a)

(b)

圖 4-14 MS 成份薄膜在濺鍍功率 750W、真空度 3mtorr 下,改變不同厚度,

其溫度與電阻特性的關係圖(a)薄膜面電阻值(b)薄膜電阻率

(a)

(b)

圖 4-15 MS 成份薄膜在濺鍍功率 1000W、真空度 3mtorr 下,改變不同厚度,

其溫度與電阻特性的關係圖(a)薄膜面電阻值(b)薄膜電阻率

對於溫 度的 敏感 度 相對的 隨之 降低。 從中可 以特 冸看到 在厚度 較大 的薄膜

對於溫 度的 敏感 度 相對的 隨之 降低。 從中可 以特 冸看到 在厚度 較大 的薄膜

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