射頻濺鍍功率對氧化鋅薄膜機械性質之影響魏中聖

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射頻濺鍍功率對氧化鋅薄膜機械性質之影響

魏中聖

^a

、蕭俊卿

^a

、沈弘俊

^{a, b}

a

國立台灣大學奈米機電中心

b

國立台灣大學應用力學研究所

摘要

本文主要介紹真空射頻濺鍍系統之架構、各元件功能及其所濺鍍之氧化鋅薄品質，而氧化鋅薄膜主要以掃描電子顯微鏡(SEM)來研究以不同濺鍍功率對其晶粒大小及缺陷的影響。

前言

約在1970~1980 年，鐵電陶瓷薄膜的研究已經開始被注意，不過直到1985 年後才廣泛受到重視。近幾年來，科技發展的趨勢促使半導體元件微小化，而原本應用於電子系統的鐵電陶瓷其薄膜化技術及相關元件之開發，遂成為近日重要的研究發展方向。目前，

鐵電性(Ferroelectricity)陶瓷薄膜已被應用於電子元件方面，如表面聲波元件(Surface Acoustic Wave Devices SAW)、非揮發性記憶元件 (Nonvolatile Memory Devices, NVRAM)、焦電紅外線感測器(Pyroelectric Infrared Detectors) 及壓電致動器 (Piezoelectric Actuators)等。

機台介紹

利用射頻濺鍍(RF Sputtering)方式是如表面聲波元件、焦電紅外線感測器及壓電致動器中陶瓷層主要鍍膜方式，故薄膜品質對其訊號影響甚鉅。圖 1 為奈米機電中心所使用之射頻濺鍍機全貌，其中包括真空系統、射頻產生系統及控制系統，

圖 2 顯示高真空冷凍機示意圖，其原理是利用極低的溫度來捕捉氣體分子，這些氣體分子會被凝縮在被降溫至極低溫之冷卻面上，冷凍機必須要與氦氣壓縮機搭配使用，

如圖 3 所示，壓縮機的功用是壓縮冷媒(氦氣)使其送往冷凍機以進行低溫凝結與低溫吸附[1]，其終端壓力可達 10^-9~10^-11 Torr，

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᜔֡՚ 1100(W) x 930(D) x 1500(H) mm (main unit) ట़࿺᧯ SUS 304Δ350mm(D) x 350(H)

RF ขسᕴ 13.56MHzΔMax. 600W

܅ట़ૠ Pirani gauge, GP-1SRY, 20 ~ 3 x 10^-3Torr ಱ᠏ڤ੗௥ ULVAC D-330DK, 309liters/min

೏ట़ܐଯ੗௥ ULVAC U-12PU, H2OΚ9500 liters/s, N2Κ4000 liters/s, ArΚ3300 liters/s

ףᑷᕴ Max. temp 300к

ᠦ՗ట़ૠ GI-TL3, 1 x 10^-4 ~ 1 x 10^-8Torr

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鍍膜參數簡介

RF濺鍍是最被廣為使用的方法，因為RF 濺鍍可以提供包括了靶材、O2/Ar或純O2的氣體流量、基板溫度、以及工作壓力等不同參數以沉積出具有良好性質的ZnO薄膜[2]。

以下簡單介紹各種參數的影響

I.基板材質的影響[3]:

不同之基板，將會影響到薄膜的結構與性質甚鉅。一般而言，薄膜的成長可分為如所述之兩個步驟：

1.起始生長(initial growth)：(包括孕核 (nucleation)和聚集(coalescence))

2.實質生長(actual growth)在起始生長期間，

基板的物理與化學性質與到達基板之欲鍍粒子間的交互作用，將扮演重要的角色。若基板與薄膜材料的晶格常數非常接近，則容易導致磊晶(epitaxial)成長；若晶格常數相差太大，則有特定方向的結晶結構。又若是多晶結構的基板，所沉積的薄膜容易有小晶粒的結構，這些小晶粒會隨著基板溫度的升高而易於結合在一起；而非晶質(amorphous)結構之基板，則容易沉積形成具有較寬的柱狀晶結構。

II.基板溫度[4]:

溫度控制附著於基板表面原子的遷移率

，以及影響其再蒸發的行為，低溫時，會造成表面原子的遷移率低且易於形成低密度、

表面多孔及粗糙的非結晶結構。而較高的基板溫度則能促進分子的遷移率，並使鍵結較

差的分子蒸發，所以能形成品質較佳的薄膜。較佳的基板溫度能夠促進晶格的成長形成最大的分子遷移率、減少晶格之雜亂或空位的區域，使得薄膜的結構、性質會有最好的表現。

III.氧的含量[5]:

氧的含量在製備ZnO薄膜中是一項非常重要的參數，ZnO薄膜的(002)面優選方向 (preferred orientation)會隨著氧含量的增加而增加。這種現象可歸因由於ZnO薄膜之O/Zn 之比值的不同所造成之影響。隨著氧含量的增加，ZnO薄膜之O/Zn比值會愈接近於化學計量比，但過量的氧，將會導致中性的氧原子發生“反濺鍍(re-sputtering)”的現象，此種現象將會妨礙到優選方向的生成，同時又會導致ZnO薄膜之多孔性結構的增加，造成如電阻的升高、(002)面峰值強度的下降。

IV.射頻功率(RF power)[6]:

射頻功率愈高，電漿產生的電流密度會愈高，由氣體分子游離而生成的離子能量也就愈高，使得有效撞擊靶材的機會為之提高

，因而提高其濺鍍率。又有文獻指出，當射頻功率增加，會造成O/Zn原子比之下降，沉積出更不具化學計量比的ZnO薄膜。而此種現象可歸因於Zn與O的濺射率(sputtering yield)不同，Zn有比O更高的濺鍍率。

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結果與討論

本文利用 SEM 量得濺鍍薄膜(ZnO)於不同濺鍍功率下之薄膜形貌，圖 4

圖 4

與圖5 分別為濺鍍功率 90 Watt 濺鍍時間 6 小時之ZnO 薄膜在 3 萬及 6 萬倍下之 SEM 圖，

從SEM 圖來看，可知晶粒大小非常不一致，

大小可能從30 nm 至 100 nm 不等，且幾乎無法有效來分辨晶粒形狀，大部分皆成不規則狀，而且還有大量的孔洞出現，如在圖上之 (a)與(b)所標示。圖 6 與圖 7 分別為濺鍍功率120 Watt 濺鍍 3.5 小時之 ZnO 薄膜在 3 萬及6 萬倍數下之 SEM 圖，從 SEM 圖來看，

可知晶粒大小非常一致，大小可能從 30 nm 至50 nm 不等，比 90 Watt 稍微略小，且晶粒形狀明顯，呈現圓形狀，均勻性佳，而且孔洞相較90 Watt 較為不明顯，其原因為功率為 120 Watt 時因沉積速率較快，為得到與功率 90 Watt 時之相同膜厚，濺鍍時間必須縮短 3.5 小時，故功率為90 Watt 時在高溫(200℃)下，

ZnO 晶粒可能隨著濺鍍時間而成長，所以在膜厚相同條件下，孔洞因為擴散而產生出來。圖 8 與圖 9 分別為濺鍍功率 150 Watt 濺鍍3 小時之 ZnO 薄膜在 3 萬及 6 萬倍數下之SEM 圖，從 SEM 圖可知晶粒大小與 120 Watt 大同小異，但晶粒形狀較 120 Watt 來得略大，並且有黑色孔洞出現，製程上150 Watt 沉積時間2.5 小時比 90 Watt 之 6 小時短，而與濺鍍功率為120 Watt 之 3 小時差不多，故晶粒與120 Watt 相似，而 90 Watt 雖功率低，

但是濺鍍時間卻比150 Watt 大約長 2 倍，使晶粒成長時間充裕，造成兩者晶粒大小差異很大。

結論

本文介紹了本中心射頻濺鍍機設備架構及工作原理，所製作的ZnO 薄膜其形貌與濺鍍功率有很大關係，從三種濺鍍功率之 ZnO 薄膜 SEM 圖比較得知，在相同膜厚的前提下，濺鍍表面狀態為濺鍍功率120 Watt 較佳，而其餘功率參數則會影響ZnO 晶粒大小或產生密度相當高的缺陷。

圖 4 濺鍍功率 90 Watt 濺鍍時間 6 小時 ZnO 之 SEM 圖，其放大倍率 30000X

(a)

(6)

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ቹ 7 ែᝳפ෷ 120 Watt ែᝳ 3.5 ՛ழ ZnO հ SEM ቹΔࠡ࣋Օ଍෷ 60000X

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(b)

(7)

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1. ๗ሒԳ,VLSI ፹ທݾ๬, รԼ؄ີ, ೏ مቹ஼, 90

2. U. Lampe and J. Muller, “Thin-Film ZnO properties and application” Ceramics Bulletin, 69(12) (1990) 1959.

3. F. C. M. Van De Pol, F. R. Blom and Th. J. A.

Popma, “R.F. Planar Magnetron Sputtered ZnO Films I: Structure Properties”, Thin Solid Films, 204 (1991) 349.

4. B. T. Khuri-Yakub, G. S. Kino and P.

Galle, Studies of the Optimum Conditions for Growth of RF-Sputtered ZnO Films”, J. Appl.

Phys., 46(8) 132(1975) 3266

5. S. Srivastav, C V R Vasant Kumar and A Mansingh, “Effect of Oxygen on the Physical Parameters of RF Sputtered ZnO Thin Film”, J.

Phys. D:Appl. Phys., 22 (1989) 1768.

6. E. M. Bachari, G. Baud, S. Ben Amor, M.

Jacquet, “Structure and Optical Properties of Sputtered ZnO Films”, Thin Solid Films, 348 (1999) 165.32.

射頻濺鍍功率對氧化鋅薄膜機械性質之影響 魏中聖