第一章 文獻回顧與實驗動機 1-1 氧化鋁薄膜的文獻回顧……………………………………….1 1-2 二氧化鈦薄膜文獻回顧……………………………………….3 1-3 磁控式濺鍍簡介……………………………………………….5 1-4 實驗動機……………………………………………………….7 第二章 實驗步驟與方法……………………………………………..12 2-1 TiO2-Al2O3奈米薄膜之製備 2-1-1基材選擇…………………………………………………..12 2-1-2靶材製備…………………………………………………..12 2-1-3薄膜製備…………………………………………………..13 2-1-4後續熱處理……..…………………………………………14 2-2 膜厚量測……………………………………………………...14 2-3 薄膜成份分析 2-3-1 拉塞福背向散射量測介紹………………………………14 RBS儀器運作簡介……………………………………..…14 RBS量測原理…………………………………………..…15 RBS分析應用……………………………………………..20 2-3-2 ESCA量測介紹…………………………………………23 主要附件 量測方法 2-4 X光繞射分析…………………………………………………24 2-5 TEM分析………………………………………………………24 試片製作…………………………………………………..25 電子束與樣品之作用……………………………………..26 電鏡系統介紹…………………………………………… .27 成像原理…………………………………………………..29 儀器介紹…………………………………………………..30 2-6 光學量測……………………………………………………...30 第三章 結果與討論…………………………………………………..42 3-1 化學性質(Composition & binding) 3-1-1 RBS…………………………………………………..42 本實驗分析方法………………………………..42 膜厚實驗結果印證……………………………..45 3-1-2 ESCA鍵結分析 不同轟擊時間的能譜圖形變化討論………………………..46 相同轟擊時間之不同製作條件之試片鍵結研究…………..47 3-2 微結構 3-2-1 鍍率……………………………………………………..48 3-2-2 X-ray 結晶繞射………………………………………...49 3-2-1-1 未退火薄膜結晶性比較(as-deposited) …………….49 3-2-1-2 退火薄膜性質比較(Annealing condition) 3-2-1-2-1 不同功率……………………………………50 3-2-1-2-2 不同成分……………………………………51 3-2-1-2-3 不同氣氛……………………………………52 3-2-3 TEM(穿透式電子顯微鏡)微結構研究…………………53 3-3 光學性質(Optical properties) ……………………………………...59 第四章 結論…………………………………………………………..60 表目錄 表1-1 High-k材料性質比較………………………………………………………..9 表2-1 鍍膜參數……………………………………………………………………31 表2-2 熱處理條件…………………………………………………………………32 表2-3 電子槍性能比較……………………………………………………………33 表3-1 RBS模擬參數………………………………………………………………60 表3-2 RBS量測之結果……………………………………………………………60 表3-3 ESCA之試片條件………………………………………………………….61 表3-4 高倍率原子影像的繞射圖中的前三晶面與二氧化鈦前三晶面之對照…61 圖目錄 圖1-1 [9]中介面存在的Si-O-Al的化合物………………………………………… 9圖1-2 [10]無介面化合物生成的乾淨介面…………………………………………10 圖1-3 二氧化鈦結構示意圖……………………………………………………… 10 圖1-4 [12]中的XRD圖,證實退火後的結晶現象…………………………………11 圖1-5 [13]中的XRD圖,討論製作薄膜條件不同與退火環境不同對結晶相的影響… ……………………………………………………………………………… …11 圖2.1 實驗流程……………………………………………………………………..11 圖2.2 真空鎔煉爐示意圖 ………………………………………………………… 35 圖2.3 RBS基本裝置圖……………………………………………………………36 圖2. 4 彈性碰撞示意圖…………………………………………………………… 36 圖2-5 運動因子與質量及觀測器角度之關係……………………………………37 圖2.6 粒子穿透路徑與能量示意圖………………………………………………37 圖2.7 能量蔓生與解析度極限所造成之現象. …………………………………..38 圖2.8 厚度計算之範例…………………………………………………………….38 圖2.9 Si基板上的Au膜經退火後的擴散現象……………………………………39 圖2.10 plane view試片準備示意圖………………………………………………39 圖2.11 電子與試片可能之作用…………………………………………………….40 圖2.12 (場發射電子槍)外加電位表面能障之變化………………………………40 圖2.13 電子在電鏡中行進路徑 …………………………………………………41 圖3-1 RBS結果模擬圖……………………………………………………………61 圖3-2 40w as-deposited RBS分析結果……………………………………………62 圖3-3 120w as-deposited RBS分析結果………………………………………… 62 圖3-4 180w as-deposited RBS 分析結果…………………………………………63 圖3-5 120w +Al as-deposited RBS分析結果…………………………………… 63 圖3-6 120w 800 4hr RBS 分析結果………………………………………………64 圖3-7 120w 1000 4hr RBS 分析結果………………………………………… … 64 圖3-8 試片D. (180w 1000℃ 4hr)不同時間轟擊後的ESCA圖…………………65 圖3-9 表面轟擊一分鐘的Ti能譜圖………………………………………………65 圖3-10 表面轟擊一分鐘的O能譜圖…………………………………………….66 圖3-.11 120w 鍍製 3小時的薄膜SEM照片……………………………………66 圖3-12 對照組 TiO2 之XRD……………………………………………………..67 圖 3-13 不同功率未退火之XRD…………………………………………………67 圖3-14 180w鍍膜功率不同分壓未退火之XRD…………………………………68 圖3-15 40w鍍製的薄膜在800~1000℃退火一小時的XRD圖………………….68 圖3-16 40w鍍製的薄膜在800~1000℃退火四小時的XRD圖………………….69 圖3-17 120w鍍製的薄膜在800~1000℃退火一小時的XRD圖…………………69 圖3-18 120w鍍製的薄膜在800~1000℃退火四小時的XRD圖…………………70 圖3-19 180w鍍製的薄膜在800~1000℃退火一小時的XRD圖…………………70 圖3-20 180w鍍製的薄膜在800~1000℃退火四小時的XRD圖…………………71 圖3-21 40W不同成份的試片經過退火一小時後的XRD圖…………………….71 圖3-22 120W不同成份的試片經過退火四小時後的XRD圖……………………72 圖3-23 在180W不同氣氛下的試片經過900℃退火一小時以後的XRD………72 圖3-24 試片(A).120w as-deposited的低倍率(100K)明視野TEM圖片……………73 圖3-25 試片(A).120w as-deposited的低倍率(200K)明視野TEM圖片……………73 圖3-26 繞射環分別對應之D-spacing 與可能化合物晶面……………………… 74 圖3-27 第一圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 74 圖3-28 第二圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 75 圖3-29 第三圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 75 圖3-30 第四圈繞射環對應之暗視野…………………………………………… …76 圖3-31 試片(B).120w 1000℃ 1hr的低倍率(100K)明視野TEM圖片……………76 圖3-32 試片(B).120w 1000℃ 1hr的低倍率(100K)明視野TEM圖片……………77 圖3-33 繞射環可能對應的化合物晶面 ………………………………………… 77 圖3-34 第一圈繞射環對應之暗視野 …………………………………………… 78 圖3-35 第二圈繞射環對應之暗視野……………………………………………… 78 圖3-36 第三圈繞射環對應之暗視野 …………………………………………… 79 圖3-37 第四圈繞射環對應之暗視野 …………………………………………… 79 圖3-38 試片B-(120w 1000℃退火四小時)結晶顆粒高倍率TEM照片…………80 圖3-39 利用軟體模擬的二氧化鈦Rutile相Zone axis (1.-1.-1)之倒晶格結構… 80 圖3-40 圖4.38 中結晶顆粒的繞射圖形…………………………………………81 圖3-41 晶粒邊緣與基地的接面的HRTEM照片…………………………………81 圖3-42 試片C.(180w 1000℃退火一小時)低倍率TEM照片……………………82 圖3-43 繞射環可能對應的化合物晶面 …………………………………………83 圖3-44 試片D.(180w 1000℃退火四小時)的低倍率TEM照片…………………83 圖3-45 中倍率的TEM照片………………………………………………………84 圖3-48 Dong-Hau Kuo等人的研究………………………………………………84 圖3-47 穿透光譜量測 ……………………………………………………………85