以過濾式陰極電弧電漿系統合成氮化鋁薄膜結構及特性研究

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研究生：	閔仲強
論文名稱：	以過濾式陰極電弧電漿系統合成氮化鋁薄膜結構及特性研究 Synthesis and characterization of the aluminum nitride thin film using the FCAP system
指導教授：	施漢章教授
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2004
畢業學年度：	92
語文別：	中文
論文頁數：	88
中文關鍵詞：	過濾式陰極電弧、氮化鋁
外文關鍵詞：	FCAP, AlN
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本論文利用過濾式陰極電弧沉積系統(Filtered Cathodic Arc Deposition System，FCAP)合成氮化鋁(aluminum nitride)薄膜，以作為高頻表面聲波元件與光學方面的應用。經由調整製程參數，如壓力、氣體比例、基板溫度及偏壓等參數，成功地合成氮化鋁薄膜的最佳參數。
實驗結果得知以本系統沉積氮化鋁薄膜其最佳製程條件為：基板溫度=500 ℃以上，壓力=1.8×10-3 Torr，N2 : Ar = 2 : 1時，所合成的氮化鋁薄膜，為多晶結構(polycrystalline structure)。當改變基板偏壓，AlN薄膜的結晶取向逐漸由(002)為主轉變為(100)為主；利用FTIR分析薄膜內之鍵結情況，結果顯示只有E1(TO)mode吸收峰，由其與理論值的差異和利用彎柄儀量測的結果進而得知薄膜承受壓應力。並利用AES及ESCA進一步探討AlN之化學成分之定性、定量分析；且能瞭解鋁元素及氮元素之鍵結能及化學位移量的變化；在AFM分析中得知所合成的氮化鋁薄膜平整度很好Rrms = 0.26 - 0.34 nm，且基板偏壓對其影響並不明顯；綜合上述結果，在基板偏壓-25V時，可得到最高的硬度值約為20.6 GPa。由光穿透光譜可發現，氮化鋁薄膜在可見光區擁有很高的穿透率，其能帶寬(band-gap energy)約為5.9 eV。

摘要
致謝
目錄
圖目錄
表目錄
第一章    簡介.............................................1
第二章    文獻回顧.........................................2
1 氮化鋁的結構..........................................2
2 氮化鋁薄膜之特性......................................3
3 氮化鋁之應用..........................................4
4 合成氮化鋁薄膜的方式..................................5
            2.4.1 化學氣相沉積法..........................6
            2.4.2 分子束磊晶法............................6
            2.4.3 脈衝雷射沉積法..........................7
            2.4.4 濺鍍沉積法..............................7
        2.5 本實驗採用過濾式陰極電弧電漿沉積系統之緣故....8
第三章 研究方法及實驗步驟................................11
1 陰極電弧簡介.........................................11
1.1 陰極電弧沉積原理...................................11
1.2 鍍膜成長機制.......................................14
1.3 電漿與壓力之關係...................................15
1.4 微粒(Macroparticles)..............................16
1.5 靶座之外加磁場.....................................17
1.6 微粒過濾裝置(Macroparticle Filter)…...............17
2 實驗步驟與流程.......................................19
2.1 試片準備...........................................19
2.2 合成氮化鋁薄膜.....................................20
2.3 實驗流程...........................................23
2.4 實驗參數...........................................23
3 分析儀器及其量測原理.................................24
3.1 掃描式電子顯微鏡(SEM)..............................24
3.2 傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR).......................27
3.3 X光繞射(XRD).......................................28
3.4 化學分析電子儀分析(ESCA)...........................30
3.5 歐傑電子能譜儀(AES)................................33
3.6 原子力顯微鏡(AFM)..................................35
3.7 硬度(Hardness).....................................37
3.8 穿透光譜量測...................................... 38
3.9 薄膜應力量測.......................................41
第四章 結果與討論........................................44
1 基板溫度對鍍膜性質的影響.............................44
2 工作壓力對鍍膜性質的影響.............................47
3 氮氣濃度對鍍膜性質的影響.............................51
4 過濾式陰極電弧電漿系統合成之氮化鋁膜特性探討.........56
4.1 晶體結構與粗糙度分析...............................57
4.2 化學成分與鍵結分析.................................61
4.3 光學特性分析.......................................65
5 基板偏壓對鍍膜性質的影響.............................67
5.1 晶體結構與晶粒大小.................................67
5.2 表面形貌分析.......................................72
5.3 氮化鋁薄膜之硬度量測...............................81
第五章 結論與未來研究方向................................83
1 結論.................................................83
2 未來研究方向.........................................84
參考文獻.................................................85

                                

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