目錄 摘要 I 誌謝 II 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 基本介紹 2 1.2.1 自我複製式光子晶體 2 1.2.2 Ting’s Model 3 1.2.3 離子束濺鍍系統 (IBS) 5 1.3 論文架構 7 第二章 沉積速率之模擬 9 2.1 三維系統座標定位 9 2.2 沉積速率公式推導 13 2.2.1 靶材T點至基板S點的距離 15 2.2.2 靶材T點至基板S點的投影 16 2.2.3 靶材T點濺射出的粒子至基板S點的散射機率 17 2.2.4 單位時間靶材表面單位面積T點濺射出的總粒子質量 18 2.2.4.1 單位時間入射靶材表面單位面積T點的離子數 18 2.2.4.2 靶材T點的Sputter Yield 19 2.2.5 沉積速率公式總結 22 2.5 沉積模擬之流程圖 24 第三章 蝕刻速率之模擬 25 3.1 蝕刻速率公式推導 25 3.1.1 單位時間基板表面單位面積S點被打出的總粒子質量 27 3.1.1.1 單位時間入射基板表面單位面積S點的離子數 27 3.1.1.2 基板S點的Sputter Yield 28 3.1.2 蝕刻速率公式總結 29 3.2 蝕刻模擬之流程圖 30 第四章 實驗內容與討論 31 4.1 實驗流程 31 4.2 實驗裝置 32 4.3 量測儀器－橢圓偏光儀(Ellipseometer) 33 4.4 量測結果 35 4.5 實驗與模擬結果比較 37 4.5.1 沉積模擬參數 37 4.5.2 蝕刻模擬參數 39 4.5.3 沉積速率之結果比較 41 第五章 自我複製式光子晶體成長之模擬與分析 42 5.1 傾斜基板之模擬動機 42 5.2 傾斜基板之討論 43 5.3 傾斜基板之沉積與蝕刻速率模擬 45 5.3.1 傾斜基板之模擬參數對應 45 5.3.2 Shadow Effect 47 5.3.3 模擬結果 49 5.4 Ting’s Model曲線之討論 51 5.5 三角形成膜過程之模擬 53 5.5.1 基板成膜之方法 53 5.5.2 基板初始結構之設計 56 5.5.2.1 漸進式轉角之設計 56 5.5.2.2 非漸進式轉角之設計 59 5.6 三角形成膜模擬流程 60 5.7 不同RF Bias功率之分析 61 5.7.1 Өsub = Өt = 30°、45°、60° 62 5.7.2 Өsub = 60°，Өt = 30°、45°、60°（剛性基板） 64 5.7.3 Өsub = 30°，Өt = 30°、45°、60° 66 5.7.4 Өt = 60°，Өsub = 30°、45°、60° 68 5.8 不同Duty Cycle之分析 70 第六章 結論與未來展望 73 6.1 結論 73 6.2 未來展望 74 參考文獻 76 附錄A 離子束密度公式推導 77 A.1 靶材表面的離子束密度分佈 77 A.2 基板表面的離子束密度分佈 80 圖目錄 圖1.1 Kawakami研究群使用的射頻濺鍍儀器裝置[3] 2 圖1.2 一維週期性的基板圖案，製作的二維自我複製式光子晶體[4] 3 圖1.3 Ting使用的實驗儀器圖[5] 3 圖1.4 沉積速率與蝕刻速率相對基板角度（離子束入射角度）的關係圖[6] 4 圖1.5 Ting’s Model探討金屬基板上的成膜過程[6] 5 圖1.6 離子束濺鍍系統裝置圖 6 圖1.7 論文架構 8 圖2.1 以靶材表面為xy平面之模擬簡圖 9 圖2.2 沉積模擬的三維座標架構圖 10 圖2.3 (a)基板表面S點的座標定位圖 (b)基板表面的俯視圖(Top View) (c)基板的側視圖(Side View) 11 圖2.4 面源沉積於基板之示意圖 13 圖2.5 不同靶材材料，Sputter Yield與入射角的關係圖[8] 19 圖2.6 離子束能量為1000V，入射SiO2靶材時，Sputter Yield與入射角的關係圖 21 圖2.7 沉積模擬之流程圖 24 圖3.1 以靶材表面為xy平面之模擬簡圖 25 圖3.2 蝕刻模擬之流程圖 30 圖4.1 實驗流程 31 圖4.2 IBS1 with RF Bias之實驗裝置圖 32 圖4.3 旋轉析光片式橢圓偏光儀(Rotating Analyzer Ellipsometer, RAE) 33 圖4.4 已標示量測點的Si基板 35 圖4.5 SiO2靶材和Si基板，IBS1 beam voltage=1000V，不同基板半徑其沉積速率模擬曲線與實驗值的比較 41 圖5.1 (a)不同斜角的基板初始結構示意圖 (b) 傾斜平面基板以模擬不同斜角(Өs)的基板初始結構之示意圖 43 圖5.2 (a)斜角為Өs的基板初始結構之系統相對位置簡圖 (b)傾斜Өs的平面基板之系統相對位置簡圖 45 圖5.3 (a)當Өs=55°時，靶材最邊緣的濺射粒子恰好能夠到達基板 (b)當Өs>55°時，靶材上某些部分的濺射粒子無法到達基板（陰影效應） 48 圖5.4 不同斜角的基板初始結構，其沉積與蝕刻速率的曲線 50 圖5.5 考慮基板自轉，不同斜角的基板初始結構，其沉積速率、蝕刻速率與膜淨成長速率的曲線 52 圖5.6 (a)基板上每一點淨成長單位膜厚tNet之模擬示意圖 (b)基板上P點的詳細示意圖 53 圖5.7 漸進式的轉角設計，基板主要角度Өsub = 45°之方形基板初始結構 56 圖5.8 漸進式的轉角設計，Өsub = 45°，Өt = 45°，堆疊10個單位膜厚（每單位膜厚成長時間為0.1min）之轉角模擬圖 57 圖5.9 漸進式的轉角設計，Өsub = 45°，Өt = 45°，堆疊200個單位膜厚（每單位膜厚成長時間為0.1min）之三角形成膜模擬圖 58 圖5.10 非漸進式的轉角設計，Өsub = 45°，Өt = 45°，堆疊140個單位膜厚（每單位膜厚成長時間為0.1min）之三角形成膜模擬圖 59 圖5.11 三角形成膜之模擬流程 60 圖5.12 不同RF Bias功率，蝕刻速率相對於不同斜角的基板初始結構之關係圖 61 圖5.13 Өsub = Өt = 30°、45°、60°之三角形成膜模擬圖 63 圖5.14 Өsub = 60°，Өt = 30°、45°、60°（剛性基板）之三角形成膜模擬圖 65 圖5.15 Өsub = 30°，Өt = 30°、45°、60°之三角形成膜模擬圖 67 圖5.16 Өt= 60°，Өsub = 30°、45°、60°之三角形成膜模擬圖 69 圖5.17 四個週期，Өsub = 45°，Өt = 45°之三角形成膜模擬圖 72 圖A.1 離子束投影於靶材表面的示意圖 77 圖A.2 蝕刻源投影於基板表面的示意圖 80 表目錄 表2.1 沉積模擬中各符號代表的意義 10 表2.2 氬離子垂直入射SiO2靶材，不同離子束能量與Sputter Yield的關係[10] 20 表4.1 SiO2沉積膜厚與沉積速率之實驗值 36 表4.2 沉積速率之模擬參數表 38 表4.3 蝕刻速率之模擬參數表 40 表5.1 基板初始結構的斜角Өs，對應至基板法線與z軸的夾角β與射頻偏壓源入射角Өi2的關係（單位：°） 46 表5.2 不同斜角的基板初始結構，其膜的成長情形 52 表5.3 固定So2，不同膜層的Sputter Yield常數值，與零成膜角的關係 62