崑山科技大...

崑山科技大學機械工程學系

專題製作研究報告

物理氣相沉積氮化鈮 NbN薄膜性質之

研究及微結構分析

班級：四機四 B

學生：方慎偉 4910H066

謝銘書 4910H074

指導老師：劉見成教授

中華民國九十五年五月五日

學生專題電子檔基本資料表

專題學生姓名及學號：

方慎偉 4910H066

謝銘書 4910H074

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科系名稱：機械工程系

學制：四技日間部

學年度： 94 學年度

學期：下學期

專題名稱：物理氣相沉積氮化鈮 NbN 薄膜性質之研究和微結構分

析

頁數： 66

I

關鍵字：反應磁控濺鍍、氮化鈮薄膜、原子力學顯微鏡

摘要

本研究以物理氣相 DC 直流反應磁控濺鍍氮化鈮(NbN)薄膜層鍍

於鋼材、矽晶圓基材上，探討在不同的功率下，以及以不同之氮氣流

量，比較表面粗糙度，及對其奈米微結構之觀察，希望能獲得低粗糙

度之表面型態。並利用原子力學顯微鏡(AFM)、Xp-2 多功能薄膜量測

機、掃瞄式電子顯微鏡(SEM)等儀器，觀測、分析其氮化鈮(NbN)之表

面物理現象。

本實驗完成的結果發現，氮氣流量 N2=1.5sccm 時，有最高沈積

率，每分鐘沈積膜厚度達 2.33nm/min，在施加不同功率下，功率 150W

的硬度值最高，硬度值為 18.7 GPa。從楊氏係數趨勢圖得知，功率

150W 的楊氏系數值最高，其值為 360 GPa。

II

目錄

摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧I 目錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11 圖目錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧III 表目錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧V 一、前言‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1 二、基本原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5 2-1 電漿原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5 2-2 氣相沉積技術‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10 2-3 物理氣相沉積法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10 2-4 濺鍍(sputtering) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14 2-5 直流濺鍍(DC sputtering) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17 2-6 反應濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17 2-7 薄膜沈積原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18 2-8 薄膜微觀結構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21 三、實驗方法與步驟‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 3-1 實驗流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 3-2 實驗參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25 3-3 濺鍍所需之材料及耗材‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25 3-4 實驗步驟‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27 3-5 反應濺鍍 NbN 單層薄膜膜厚之量測‧‧‧‧‧‧‧‧‧28 3-6 表面粗糙度量測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30 3-7 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope) ‧‧ 33 3-8 原子力顯微鏡（AFM）‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35 3-9 X 光繞射分析儀(X-ray Diffractometer) ‧‧‧‧‧‧‧39 四、結果與討論 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42

4-1 氮氣流量與薄膜厚度之關係‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42 4-2 在不同氮氣流量下沉積之表面型態‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49 4-3 在不同功率氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測的表面形貌‧‧‧ 52

4-4 在不同功率下沉積之表面型態‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54

4-5 NbN 氮化鈮粗糙度值之關係‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57

4-6 在不同功率下沉積之 X-ray 薄膜繞射分析 ‧‧‧‧‧‧ 59

4-7 硬度與楊氏係數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 61

五、結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧64 參考文獻 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65 誌謝‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧66

III

圖目錄

圖 2-1 電漿示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 7 圖 2-2 PVD 與 CVD 分類及方法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 8

圖 2-3 離子轟擊靶材表面情形 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 16

圖 2-4 濺鍍時靶材與基材間反應示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 19

圖 2-5 薄膜表面生長情形‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 20

圖 2-6 Thorton[5] 鍍膜微結構模型‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 23

圖 3-1 實驗流程圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 24

圖 3-2 AFM 量測儀示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 32

圖 3-3 SEM 之基本構造圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 34

圖 3-4 單晶繞射的示意簡圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 40

圖 4-1 在不同氮氣流量，基板溫度 350℃時沉積 NbN 氮化鈮薄膜之

沉積率‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 43

圖 4-2 在氮氣流量(N2) 1.5 sccm 時，沉積單層 NbN 薄膜之 AFM 顯

示圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 44

圖 4-3 在氮氣流量(N2) 3sccm 時，沉積單層 NbN 薄膜之 AFM 顯微圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 45

圖 4-4 在氮氣流量(N2) 4.5 sccm 時，沉積單層 NbN 薄膜之 AFM 顯微

圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 46

圖 4-5 在氮氣流量(N2) 6 sccm 時，沉積單層 NbN 薄膜之 AFM 顯微

圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 47

圖 4-6 在氮氣流量(N2) 7.5 sccm 時，沉積單層 NbN 薄膜之 AFM 顯微

圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 48

IV

圖 4-7 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(a) 50W 的表面形貌‧‧‧‧ 50

圖 4-8 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(b) 100W 的表面形貌‧‧‧ 50

圖 4-9 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(c) 150W 的表面形貌‧‧‧ 51

圖 4-10 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(d) 200W 的表面形貌‧‧‧ 51

圖 4-11 沉積 NbN 薄膜之沉積率‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 53

圖 4-12. SEM 掃描式電子顯微鏡表面分析情形(a) 功率 50w(b) 功率

100w (c) 功率 150w (d) 功率 200w.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 55

圖 4-13 SEM 掃描式電子顯微鏡截面分析情形(a)功率 50w(b) 功率

150w (c) 功率 200w.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 56

圖 4-14 在不同施加靶材功率下，低掠角薄膜繞射情形‧‧‧‧ 58

圖 4-15 NbN 氮化鈮在溫度 350℃，不同氮氣流量下，表面粗糙度值

(Ra)之表示圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 60

圖 4-16 在不同施加靶材功率下，楊式係數關係圖‧‧‧‧‧‧ 62

圖 4-17 在不同施加靶材功率下，薄膜硬度關係圖‧‧‧‧‧‧ 63

V

表目錄

表 2-1 PVD 與 CVD 製程優劣比較‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 9

表 2-2 PVD 各式種類優缺點比較‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12

表 3-1 xp-2 多功能薄膜量測儀量測結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 29

1

一、前言

近年來由於加工環境自動化及高速化之發展，對於模具壽命的要

求日益提高。影響模具壽命的因素包括材料、加工、熱處理、表面處

理及使用條件等，各因素間往往相互影響，而其中表面處理製程在適

當的選擇及應用下，可以在最短時程內，改善模具品質，模具使用壽

命明顯的提升。因此，近年來利用 CVD 與 PVD 等各種被覆方法，於刀

具或模具等工件上濺鍍陶瓷硬質薄膜以提高工件使用壽命及降低成

本之應用已漸受重視，例如：TiN，Ti(C,N)，(Ti,Al)N，CrN。而傳

統 CVD 法由於沉積溫度較高，易造成工件材料變形影響尺寸精密度，

同時因沉積溫度較高而導致基材軟化。而 PVD 法因沉積溫度較低，不

致使材料變軟或變形，因此目前工業上對於刀具或模具等，最常使用

的方式還是用 PVD 製程。

物理氣相沉積(PVD)技術自 1980 年已廣泛應用於模具硬膜被覆

處理，以提昇材料之耐磨性及使用壽命，像氮化鈦(TiN)、氧化鋁

(Al2O3)、氮化鈮(NbN)等陶瓷硬膜，而陶瓷薄膜可以增加工件表面的

耐磨耗性、耐熱性、耐腐蝕性、離模性等，有利於延長刀具及模具的

使用壽命，有效降低成本。不過由於單一陶瓷硬質薄膜有一些缺點而

限制他的實際用途。近幾年來鍍膜的研究發展，發現材料受限於單一

種材料特性的限制，因此發展出奈米級多層膜，由兩種(或兩種以上)

2

的材料重複沈積而成的多層膜，其性質可以達到互補或加強，改善單

一材料之限制，又可稱為超晶格膜(Superlattice)，或稱奈米級夾層

膜(nanolaminate)或奈米級複合膜(nanocomposite)。讓材料在硬度

和韌性方面上有顯著的提升，當然其他性質也有明顯不同（如光、電、

磁.等）。通常單層的厚度在 1~100 奈米(nm)之間，而整個多層膜的

厚度則在 1~10 毫米(μm)左右。

早期的切削刀具、模具等，為了提高刀具、模具的耐磨耗性均以

金屬材料為主，常使用滲碳、氮化或電鍍等方法來提高表面硬度。例

如：碳鋼及高速鋼等材料。然而；這些方法常造成環境污染，而且金

屬刀具雖然具有高韌性及低成本的優點，但其高溫強度、硬度及化學

穩定性均不佳。在 1940 年之後非金屬切削刀具陸續出現，包括早期

的碳化物刀具(cemented carbide)，氧化鋁基陶瓷刀具及最近的氮化

矽及氮化硼(CBN)刀具等陶瓷材料，此種材料具有極高的硬度、化學

穩定性及高溫強度等特性，因此具有優異的耐磨耗性質；然而其韌性

不足，而且陶瓷刀具的成型不易，也造成其價格昂貴。

隨著精密製造業的蓬勃發展及全球競爭激烈的環境下，加工成形

模具的精密度要求也越來越高，且生產朝向低成本、高速化與自動化

的趨勢。各種精密機械元件、刀具及模具等在使用過程中必須承受較

高的負荷、溫度及在腐蝕的環境中，致使材料除需具備高強度與高韌

3

性外，還要求化學穩定度及高溫耐磨耗性。

因此如何延長材料使用壽命及降低成本，減少停機維修時間增加

產能，是一個值得探討的問題。為達成此目標，在材料表面必須作適

當的處理，使材料具有耐磨耗性、高溫氧化性與耐腐蝕等特性。

對於以PVD的方式鍍膜，工業上所要求的是：品質能準確控制，

製程參數要易於掌握，同時參數與所鍍薄膜特性間的相關性要明確。

如此才能由製程參數的控制得到所需不同的薄膜性質。濺鍍是物理氣

相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)的一個重要組成部分，相

對於化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)，它不需經過

化學反應與太高的溫度即能在基材表面形成鍍層，因此不會排放有毒

物質，影響環保；且整體設備系統簡明、單純，較容易維護。其所形

成之薄膜，膜厚均勻、附著性佳、薄膜結構緻密，在較低的薄膜成長

溫度下進行製鍍，可保留基材原有的韌性。目前國內沉積陶瓷硬質薄

膜的業界仍是以濺鍍作為表面被覆的主要選擇，並陸續開發新的相關

技術，擴大其用途；而磁控濺鍍(Magnetron Sputtering)則是多了鍍

膜性質再現性高、可以沈積所有種類之鍍膜及可精準的控制氮化物的

計量比。因此，經由PVD等各種被覆法所製之陶瓷硬質薄膜具有高硬

度、低摩擦係數、高熱傳係數、高抗腐蝕性、高壓縮強度、耐高溫及

耐氧化等優點，因此可以增加工件表面的耐磨耗性、耐熱性、耐腐蝕

4

性、離模性等，有利於延長刀具及模具的使用壽命，故具有極高的商

業價值及市場潛力。陶瓷硬質薄膜在製造電子、光學、光電元件上，

亦具有延長壽命與品質提昇的效果。所以被廣泛應用於微電子、金屬

切削刀具、各類器械、包裝材料、資訊儲存元件、光學元件及醫療器

材上，用途十分廣泛。

薄膜沉積是目前最流行的表面處理法之ㄧ，可應用於裝飾品、餐

具、刀具、工具、模具、半導體元件等之表面處理，泛指在各種金屬

材料、超硬合金、陶瓷材料及晶圓基板的表面上，成長一層同質或異

質材料薄膜製程，以獲得美觀耐磨、耐熱、耐蝕等特性。

此研究成果即著重於氮化鈮(NbN)之表面型態、粗糙度及微結構

特性之分析，將研究成果、數據的相關特性，提供於日後沉積多層薄

膜研究者之重要參考依據。

5

二、基本原理

2-1 電漿原理

如果將一根含有空氣的管子，用幫浦將內部的空氣抽掉，當管內

的真空度到達mtorr的等級時在管子的兩端接上電極，並在電極上加

上電壓，然後逐漸加大電壓，此時可以觀察到管內逐漸有電漿產生，

這是由於管內微量的氣體通常存在極微量的游離電子，當施加電場時

這些電子便被加速，而與氣體分子或原子碰撞產生解離或離子化，如

圖2-1[1]所示。離子化的過程會使氣體分子解離產生離子及更多的電

子，而產生的電子再被電場加速，便能夠再引發其他的離子化過程。

如此，類似雪崩的連鎖反應使得在低壓氣氛下產生了大量的離子與電

子而形成電漿態，如此由能量釋放的方式在管內產生。電漿內包含帶

正電的離子、帶負電的電子與中性原子，故永遠保持在電中性的狀態。

2-2 氣相沉積技術

利用氣相中發生的物理、化學過程，在材料表面形成具有特種性

能的金屬或化合物鍍膜的技術稱為氣相沉積。氣相沉積技術通常是在

金屬或非金屬材料表面覆蓋約 2~10um 厚的金屬、合金或碳、氮、硼、

氧、矽化合物。氣相沉積依形成的基本原理，可以將其區分為物理氣

相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和兼有物理和化學方法的等離子體

化學氣相沉積法(PCVD)等，三大類、二十幾種方法其分類及方法如圖

6

2-2[2]所示。PVD 與 CVD 法的特性比較如表 2-1[2]。

7

圖 2-1 電漿示意圖

Ar plasma

Water cooling

Target

Substrate

Ar ion

Electron

Sputtered atom

♁

♁

♁

○

○

●

Magnetron

Cathode fall

●

♁

8

圖 2-2 PVD 與 CVD 分類及方法

PCVD

CVD

Plasma

PVD

Metal organic CVD

Normal pressure CVD

Low temperature CVD

Laser CVD

Ion

Sputtering

Evaporation

Reaction

Laser

Resistance

Induction

Electric beam

Reaction sputtering

R.F. Magnetron sputtering

Dipole sputtering

Tripole sputtering

Fourpole sputtering

DC discharge ion

ARE

HCD ion

Hot cathode ion

Electric arc ion

Pluse PCVD

Radio frequency PCVD

DC PCVD

DC radio frequency PCVD

Ion beam

R.F.I .P.

Ion beam sputtering

Microwave PCVD

9

表 2-1 PVD 與 CVD 製程優劣比較

PVD

CVD

Evaporation

Sputtering

Ion sputtering

Metal easy easy easy easy

Alloy hard easy easy easy

Compound hard easy easy easy

Energy (eV) 0.1~1 1~10 30~1000

Deposition rate(um/min-1) 0.1~75 0.01~2 0.1~50 1~500

Density low high high high

Porosity medium low low very low

Interface not alloying not alloying alloying alloying

Adhesion medium high very high high

Diffraction not uniform uniform uniform uniform

Theorem evaporationglow discharge

sputtering

glow discharge

chemical reaction

10

2-3 物理氣相沉積法

物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition，PVD)是一種原子

蒸鍍製程，在真空氣氛下以物理的方法產生蒸發物質，經由真空、低

壓氣體或電漿環境下輸送到基材上，在基材上冷凝析出反應生成物。

因為蒸鍍材料是以原子級尺寸的顆粒沉積在基材上，可以形成一層緻

密的薄膜組織。因其採用電漿活化與真空蒸發的技術，使其製程溫度

控制在攝氏500℃以下，大幅降低工件受熱變形影響尺寸的可能性，

並且製程中沒有爆炸性或其它公害的問題。一般而言使用PVD製程的

薄膜，厚度在數個nm ~μm 的範圍，並可以依需求產生單層或複層的

鍍膜優點甚多，自1980年[3]已被廣泛成功的應用在模具表面被覆

上，用於提昇模具硬度與耐磨性。其基本過程為：

1. 加熱蒸發或高能束轟擊靶材等方式產生氣相鍍膜材料。

2. 氣相鍍膜材料在真空中向待鍍的基材方向前進，使氣相鍍膜

材料沉積在基材上形成薄膜。

物理氣相沉積常提到的特點有：

1. 蒸發或濺射的原子或分子被分解，並藉由偏壓加速，具有較

高的能量，可以得到緻密，結合性良好的鍍膜。

11

2. 沈積溫度較化學氣相沉積低，基材畸變小，不會產生退火軟

化，一般不需再進行加工。

3. 依靠離子濺射效應，可使基材表面淨化，使整個沉積過程中

均能保持清潔。

4. 在金屬陶瓷、玻璃、塑料等表面都可沉積薄膜，若採用反應

性PVD還能得到各種金屬氧化物、碳化物或氮化物鍍膜。

5. 較少公害。

由於PVD鍍膜法具備上述許多優異特性，使得國內外除了各學術

研究機構不斷針對各種不同鍍膜製程進行研究之外，各家廠商亦不斷

開發新技術與相關設備。現今物理氣相沉積可將其區分為真空蒸鍍、

濺鍍和離子鍍三大類，其優缺點比較如表2-2所示[3]。而其中以磁控

濺鍍法(Magnetron Sputtering)因沉積速率較高，且成分容易控制，

近十幾年來已成為主要應用技術。以下將介紹磁控濺鍍的原理，以及

本實驗所採用的「直流磁控濺鍍系統」。

12

表 2-2 PVD各式種類優缺點比較

真空蒸鍍濺射離子蒸鍍

鍍

膜原

理

在真空條件

下，將欲蒸鍍金屬

加熱蒸發沉積在基

材上。

由入射高能量

的粒子撞擊靶材，

使靶材表面的原子

或分子被濺射出

來，而沉積在基材

上。

藉由電氣加熱將欲蒸鍍

材料蒸發，經過輝光放電區

將反應性氣體與欲蒸鍍材

料離子化形成電漿，此電漿

再與基材表面反應形成被

覆層。

鍍

膜特

性

1.低溫時密度較小但表面平坦

2.低溫時多氣孔 3.附著性不佳 4.鍍層為拉應力 5.只能鍍基板直射表面

1.鍍層密度大 2.氣孔少但混入濺

射性氣體多 3.附著性佳 4.鍍層為壓應力 5.只能鍍基板直射表面

1.鍍層密度大 2.無氣孔但鍍層缺點較多 3.附著性甚佳 4.鍍層應力依蒸鍍條件而定 5.基板表面皆能鍍，膜厚均勻

優

點

1.自高純度來源材料可蒸鍍高純度

之鍍膜 2.蒸鍍材料來源可為任何形態與純

度之固態物 3.可容許使用屏蔽來界定蒸鍍面積

4.蒸鍍之監控甚易 5.為最便宜之PVD 製程

1.可濺射與蒸鍍元素、合金及化合物

2.濺射靶材可提供一穩定及長壽命

之蒸發 3.濺射靶材可提供一大面積蒸發源

4.濺射源可為界定形狀如線狀，或錐

體之片 5.反應蒸鍍可利用反應氣體組成物

於電漿中活化很

容易達成

1.利用高能粒子之撞擊可使甚多能量介入鍍膜表面

2.由於氣體散射及濺射/再蒸鍍效益，表面覆蓋可以

改善許多 3.控制撞擊之使用可改善鍍膜之附著性、密度、殘

留應力及光學特性 4.鍍膜特性與蒸鍍材料流量之入射角關係不深

5.撞擊可利用撞擊強化化學反應及自成長表面未

反應樣品之濺射，來改善

鍍膜材料之化學組成

13

缺

點

1.許多合金組成及化合物之蒸鍍不

易 2.鍍膜特性與蒸鍍材料流量之入射

角有關 3.為改善表面覆蓋及厚度之均勻

性，必須造成基材

移動 4.為達到鍍膜特性之控制，適用之製

程變數不多 5.蒸發源材料利用不良 6.蒸鍍系統內高輻射熱之負載可能

存在

1.與熱蒸鍍比，濺射速率甚低

2.鍍膜特性與蒸鍍材料流量之入射

角有關 3.蒸鍍流量之分布

非均勻，為使鍍

膜得到均勻厚度

及特性，須有夾

治具調整散亂之

基材位置 4.濺射靶材成本高，且材料利用率

低 5.有些結構中，氣體污染物不易自

系統排除 6.有些結構中，自電漿及濺射靶材

之輻射或撞擊造

成基材之劣化

1.須控制許多製程變數 2.基材表面不易得到均勻性之離子撞擊，造成表面

鍍膜特性之不同 3.基材加熱可能是多餘的 4.有些狀況下，撞擊氣體可能介入到成長鍍膜

5.有些狀況下，過多的殘留壓縮鍍膜應力可能受撞

擊而生成

14

2-4 濺鍍(sputtering)

所謂濺鍍就是經由入射高能量的粒子撞擊靶材，使靶材表面的原

子或分子被濺射出來，主要是利用被電磁場加速的氣體離子高速撞擊

靶材，入

射的高能量粒子崁入靶材表層後繼續與內部結構原子繼續碰撞直到

動能消失，而帶有高能量的入射粒子一部份以熱能的形式消耗，另一

部份則將動能傳遞給靶材表層的原子，並引起晶格原子碰撞連鎖反應

而朝外部發射，

因而具有原子尺度的粒子從靶面射出，而濺射出的原子沉積在基材表

面上，如圖2-3[4]所示。當離子對金屬靶進行轟擊並產生靶原子時，

每個離子因轟擊而擊出的靶原子數量的比值，稱之為濺射率

(Sputtering Yield)，故知，氦離子如He┿極易被反彈回去，所以濺

射效率低，反之重離子效率較高，所以不同材料具有不同濺鍍速率。

濺鍍是成長薄膜的一種方式，成本低、容易操作是其兩大主要特色，

因此普遍地被使用在薄膜成長上。經由濺鍍所形成的薄膜晶格結構也

能和靶材(target)的晶格結構相同。

當高能量的離子撞擊固體表面時，會產生下列的現象：

15

1. 離子會注入固體表面內層。

2. 引起電子、正離子、負離子、氣體與中性粒子的濺射。

3. 被濺射粒子的返回及入射離子的反射現象。

4. 因能量的轉換，會產生光與熱。

5. 入射離子若為反應性物質，將會與固體表面被濺射出的離子

相結合，在固體表層形成化合物。

16

圖 2-3 離子轟擊靶材表面情形

Photon

Incident IonI+

Inelastic Effects

X-ray

Secondary Electrons

Elastic Effects Sputtered Particles

( M○, M○, Mn )

Reflected Particles ( I○, I+ , I- )

ImplantationI○

TorgetM

17

2-5 直流濺鍍(DC sputtering)

將靶材放在陰極端通上負電壓，陽極端接地，在兩極間通以Ar

氣體。當兩極通上電壓後，電子從陰極以螺旋狀的路徑加速往陽極前

進。被加速的電子在行進中撞擊Ar原子，使Ar原子失去一個電子而形

成離子，被撞擊出的電子再被加速，又與其他的Ar原子撞擊產生另一

個電子與Ar離子，或是將Ar離子中和掉。在Ar不斷的產生以及抽氣幫

浦的作用下，最後兩極之間的電漿形成平衡穩定態。產生的Ar離子在

電場的作用下，以高能的狀態射到靶材上，導致靶材上的原子被撞擊

出來，以極高動量飛向陰極對面的基材表面並附著其上，以形成結構

更緻密、品質更好的薄膜。

2-6 反應濺鍍

反應濺鍍是在濺射金屬靶時，除了通入工作氣體氬氣(Ar)外，尚

須通入要與濺射出來的物質反應的氣體(例如：N2,O2, C2H2 etc.)，使

兩者在基

材上產生化學反應，以得到所要求的化合物薄膜，如圖2-4[4]所示。

但是通入濺鍍腔室內的反應性氣體不僅會與濺射原子產生反應，還會

與靶材產生反應，而在靶面形成化合物。由於化合物的濺射率

（Sputtering Yield）較金屬小，如此將會使得鍍膜速率大為降低。

18

2-7 薄膜沈積原理

濺鍍沈積薄膜，將以原子的形式到達基材表面，進行一連串的吸

附(adsorption)、脫附(reevaporation)、碰撞與結合(collision &

combination)、成核(nucleation)、成長(growth)、聚結(coalesence)

最終形成薄膜，如圖2-5[4]所示。在濺鍍系統中，經由離子撞擊出靶

材表面的原子，大部分的原子會失去其動能而物理性的吸附於基材表

面。基材表面由於原子鍵結能量分佈不同出現許多低能量的吸附位

置。而在原子抵達基材表面將會失去部分動能，利用剩餘能量在基材

表面的能障間跳躍，形成跳躍超過能障時將移往附近的位置，若是跳

躍超出吸附之位置，稱之為脫附現象。未脫附的原子經過一段時間，

將會與另一個擴散中的原子或是藉由濺鍍到達基材表面的原子形成

一對原子或是原子團，降低移動率呈現穩定狀態。在持續濺鍍情形之

下，基材表面的吸附原子持續增加，原子團的體積逐漸變大，克服臨

界成核所需的成核能障。由原子結合形成穩定團狀態，稱之為成核

(nucleation)。達臨界成核尺寸之晶核，在數量及尺寸上不斷的增

加，晶核可平行或垂直於基材表面成長，前者是由吸附於基材表面之

粒子經由擴散達成，後者則是靠入射粒子直接沈積於晶核上完成。

19

圖 2-4 濺鍍時靶材與基材間反應示意圖

Target

Substrate

Ar

Ar+

20

圖 2-5 薄膜表面生長情形

(a) Single Atom Arrives

(b) Migration Re-evaporation

Substrate

(c) Collision & Combination

of Single Atoms

(d) Nucleation

(e) Growth

Istands Growing

(f) Istand Shape

Cross-Section

Istands

Substrate

“Istands” of Atoms

(g) Coalescence

(h) Continuity

21

2-8 薄膜微觀結構

薄膜沈積是由最初的原子吸附、脫附、成核、成長到最後形成薄

膜，其成核與成長將隨著薄膜沈積時的製程參數(基板溫度、基材偏

壓、氣體壓力)的改變，影響薄膜的微觀結構。

在1974年，John A. Thornton[5]提出SZM (Sputter-Zone Models)

針對濺鍍沈積金屬薄膜時，以基材溫度(T)/鍍膜熔點(Tm)與工作壓力

（sputtering gas pressure）為變數研究其對於鍍膜微觀組織結構

之影響。圖2-6[5]即是Thorton所建立在不同的基材溫度(T)/鍍膜熔

點(Tm)與工作壓力（sputtering gas pressure）的鍍膜微結構模型，

其中大致可分為四種結構區模型:

(1). Zone 1：此區是發生在低溫及高壓的情況下濺鍍所得到的鍍膜，

這主要和沉積原子的活動力(mobility)有關；在低溫時

原子的活動力顯然比較低，無法克服表面陰影效果

(effect of shadowing)，而發展出圓錐狀的結晶，而在

高壓時，由於濺射出來的原子在到達基板前與氣體碰撞

的機會增加而損失更多的能量，故其動能(活動率)的降

低而無足夠的能量到達較緊密堆積的位置，造成鍍膜微

結構鬆散的現象。由於此種結晶的晶界為孔洞(pore)隔

開，故晶粒間的結合性差，因此這種結構有較大的殘留

22

應力和較高的差排密度，是結合性不好的圓錐狀顆粒組

織。

(2). Zone T：此區是發生在當基板溫度提高，原子的活動力隨之增

加，此區是介於Zone 1及Zone 2之間的過渡組織，具有

緊密排列而不易分出晶粒邊界，晶界間孔洞較Zone1少，

的纖維狀結構型態。

(3). Zone 2：當基板溫度較高時,由於沉積在基板之原子的擴散能力

漸增，而生成結構較為緻密且差排密度低的柱狀組織。

(4). Zone 3：當基板溫度接近於鍍膜熔點(Tm)時,由於整體擴散及再

結晶的因素而形成 Zone 3 之等軸晶(equiaxed grains)

組織，此種結構最為緻密。

23

圖 2-6 Thorton[5] 鍍膜微結構模型

ZONE 2

Porous structure consisting of tapered crystallites separated byvoids

Transition structure consisting of densely packed fibrous grains

Columnar Grains

Recrystallized Grain Structure

ZONE 3

ZONE 1ZONE T

Substrate Temperature (T/Tm)

Argon Pressure (mTorr)

30

20

10

1 0.10.2

0.30.4

0.50.6

0.7 0.8

0.9 1.0

24

三、實驗方法與步驟 3-1 實驗流程

本研究之實驗流程如圖 3.1 所示

圖 3-1 實驗流程圖

基材

研磨拋光

基材清洗

濺鍍薄膜

退火

粗糙度微組織觀察膜厚測量

原子力顯微鏡

(AFM)

掃瞄式電子顯

微鏡(SEM)

XP-2 膜厚測量機

綜合分析

結論

分析測試

未經退火

退火溫度：

350℃

400℃

25

3-2 實驗參數

電流(mA)：60 mA

工作氣體：Ar 45 sccm

氮流量：N2=1.5、 N2=3 、N2=6 、N2=4.5、N2=7.5 (sccm)

濺鍍時間：100 min

濺鍍功率：50、100、150、200Watt

3-3 濺鍍所需之材料及耗材

1.本實驗所使用的耗材如下：

Nb 靶材是純度 99.95%，規格 3×0.25 吋之金屬靶。

基材為長寬 3×1cm 厚度 0.7mm 之玻璃、矽晶圓。

2.清洗之溶劑：

(1) 酒精(Ethyl Alcohol),99.5容量%，Shimakyu,s pure chemicals,

島久藥品株式會社，osaka japan.

(2) 丙酮(Acetone) Shimakyu,s pure chemicals,島久藥品株式會

社，osaka japan.

(3) 離子水(DI Water).

26

3.試片之準備：

(1) 先將基材利用切割刀具，切割合適大小尺寸。

(2) 基材經砂紙研磨至#1500 再用 1μm 氧化鋁粉拋光。

(3) 基材浸泡於丙酮中 3 分鐘，主要為除去試片表面油脂有機物。

(4) 以去離子水連續沖洗 2分鐘，主要去除殘留丙酮。

(5) 再依基材試驗之需要，做適當記號，以便濺鍍完之各式分析。

(6) 最後烘乾放進腔內鍍膜。

27

3-4 實驗步驟

1、基材置入真空室先以機械迴轉幫浦抽至 8×10-3torr 左右，再使用

擴散幫浦抽至 2.3×10-5torr 以下。

2、導入氬氣(流量為 60sccm)，調整總壓在 l0mtorr。靶材與基板間

的距離為 5cm。

3、並調整濺鍍電流(0.6A) 作靶材表面的濺射前處理

(pre-sputtering)以除去雜質及氧化層。

4、前處理完後再導入氮氣(2~18sccm)，調整濺鍍電流(0.4A)及真空

度(6mtorr)，待電漿穩定後(約五分鐘)再移開隔絕在靶材與基板間

的遮蔽板(shutter)進行濺鍍。

5、基板溫度約為 350℃，並在濺鍍前持溫 30 分鐘。

6、濺鍍完成後，試片在真空中冷卻至室溫，然後取出試片進行鍍層

的分析與性質的測試。

28

3-5 反應濺鍍 NbN 單層薄膜膜厚之量測

利用 xp-2 多功能薄膜量測儀，量測在電流(mA)：60 mA，工作氣

體：Ar 45 sccm，氮流量：N2=1.5、N2=3、N2=6、N2=4.5、N2=6 (sccm)

濺鍍時間：100 min 的狀態下，對形成薄膜厚度值進行量測，結果如

表 3-1 所示。

29

表 3-1 XP-2 多功能薄膜量測儀量測結果

基板溫度 400℃ 濺鍍 100min 不同氮氣流量下之膜厚：

N22 N26 N210 N214 N218

296 nm 260 nm 221.5 nm 128.33 nm 165 nm

基板溫度 350℃ 濺鍍 100min 不同氮氣流量下之膜厚：

N22 N26 N210 N214 N218

203.5 nm 196.76 nm 144.7 nm 101.533 nm 154.16 nm

30

3-6 表面粗糙度量測

實驗中以原子力顯微鏡(AFM)(Atomic Force Microscope；為美

國Digital Instruments所生產, 型號為NanoScope E)，主要量測薄

膜之表面粗糙度及微觀結構之分析，操作模式為接觸式(Contact

mode)，在XY面之終極解析度為2nm，G掃描器使用440V去驅動6μm之Z

軸移動，每個移動使用216之電路來回饋，Z 軸方向終極解析度為

0.1Å。其基本原理主要為利用探針之針尖與待測物表面之原子交互作

用，使探針臂產生Z軸之高度變化，同時利用特殊微小之雷射光照射

探針臂的背面，以兩相之photodiode來記錄雷射光被探針臂偏移之Z

之相對位置，若此時探針與待測物之間作相對之X與Y軸掃描，則系統

可得到X、Y、Z 三軸之訊號，將此X、Y、Z 三軸訊號處理後，即可得

到待測物表面之立體影像。如圖3-23所示。是一具有三度空間、高度

空間解析能力的非破壞表面分析儀。表面粗糙度的定義為：從工件表

面隨意取各部份的Rmax、Rz或Ra其各個算術平均值。Rmax 為最大高

度粗糙度，Rz 為十點平均粗糙度，Ra 為中心線平均粗糙度。

一般AFM影像直觀是以色澤程度差異愈大，相對表示薄膜越粗糙

的意思，但可以用數學式子將每一掃描點的數據運算出實際表面粗糙

度的程度，即

31

MzzzzR xrms

223

22

21 ...++++=

Mzzzz

R xave++++

=...321

其中M=取樣點數

=xZ 某一點高度 =aveR 平均粗糙度 =rmsR 均方根粗糙度

32

圖 3-2 AFM 量測儀示意圖

探針

二極體雷

射

試片

掃描器

控制

電腦

光偵

檢器

訊號處

理器

▽

光束

33

3.7 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)

SEM[18]主要是用來觀察物體的表面型態，影像解析度極高，放大倍

率可以很輕易達到一萬倍以上(一般的傳統光學顯微鏡最高放大倍率

只有 1500 倍左右)，且有景深長（Depth of Focus）的特點，可以清

晰的觀察起伏程度較大的物體，例如材料之斷口、磨損面、塗層結構、

夾雜物等之觀察研究。

基本構造如下：由電子槍 (Electron Gun) 發射電子束，經過一

組磁透鏡聚焦 (Condenser Lens) 聚焦後，用遮蔽孔徑 (Condenser

Aperture) 選擇電子束的尺寸(Beam Size)後，通過一組控制電子束

的掃描線圈，再透過物鏡 (Objective Lens) 聚焦，打在試片上，在

試片的上側裝有訊號接收器，用以擇取二次電子 (Secondary

Electron) 或背向散射電子 (Backscattered Electron) 成像。圖

3-3 為 SEM 之基本構造圖。

34

圖 3-3 SEM 之基本構造圖

35

3.8 原子力顯微鏡（AFM）

掃描探針顯微技術（Scanning Probe Microscopy：SPM）係指具

有『掃描機制與動作』及『微細探針機制』的顯微技術；而原子力顯

微鏡（1986 年誕生）為掃描探針顯微技術（SPM）的代表儀器，其在

科學上的應用已非侷限於奈米尺度表面影像的量測，更廣為應用於探

索奈米尺度下，微觀的物性（光、力、電、磁）量測，對奈米科技有

直接的助益。AFM 是由 Binnig 等人於 1986 年所發明的，具有原子級

解像能力，可應用於多種材料表面檢測，並能在真空、氣體或液體環

境中操作。AFM 之探針一般由成份為 Si 或 Si3N4 懸臂樑及針尖所組

成，針尖尖端直徑介於 20 至 100nm 之間。主要原理係藉由針尖與試

片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，以測得表面結構形狀，

其中最常用的距離控制方式為光束偏折技術。AFM 操作模式可區分為

接觸式（contact）、非接觸式（non-contact）及間歇接觸式（或稱

為輕敲式，intermittent contact or tapping）三大類，不過若要

獲得真正原子解析度，必須以非接觸式的操作模式在真空環境下方能

得到。目前原子力顯微鏡（AFM）的應用範圍十分廣泛，包括表面形

貌量測、粗糙度分析及生醫樣品檢測等。

36

原子力顯微鏡（AFM）屬於掃描探針顯微技術（SPM）的一支，此

類顯微技術都是利用特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間的

某種交互作用，如穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波等等，然後

使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣品表面做左右

前後掃描（或樣品做掃描），並利用此掃描器的垂直微調能力及迴饋

電路，讓探針與樣品問的交互作用在掃描過程中維持固定，此時兩者

距離在數至數百 A°（10-10m）之間，而只要記錄掃描面上每點的垂直

微調距離，我們便能得到樣品表面的等交互作用圖像，這些資料便可

用來推導出樣品表面特性。圖 3-2 是原子力顯微鏡（AFM）的結構示

意圖。

掃描探針顯微技術（Scanning Probe Microscopy：SPM）係指具

有『掃描機制與動作』及『微細探針機制』的顯微技術；而原子力顯

微鏡（1986 年誕生）為掃描探針顯微技術（SPM）的代表儀器，其在

科學上的應用已非侷限於奈米尺度表面影像的量測，更廣為應用於探

索奈米尺度下，微觀的物性（光、力、電、磁）量測，對奈米科技有

直接的助益。AFM 是由 Binnig 等人於 1986 年所發明的，具有原子級

解像能力，可應用於多種材料表面檢測，並能在真空、氣體或液體環

境中操作。AFM 之探針一般由成份為 Si 或 Si3N4 懸臂樑及針尖所組

成，針尖尖端直徑介於 20 至 100nm 之間。主要原理係藉由針尖與試

37

片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，以測得表面結構形狀，

其中最常用的距離控制方式為光束偏折技術。AFM 操作模式可區分為

接觸式（contact）、非接觸式（non-contact）及間歇接觸式（或稱

為輕敲式，intermittent contact or tapping）三大類，不過若要

獲得真正原子解析度，必須以非接觸式的操作模式在真空環境下方能

得到。目前原子力顯微鏡（AFM）的應用範圍十分廣泛，包括表面形

貌量測、粗糙度分析及生醫樣品檢測等。

原子力顯微鏡（AFM）屬於掃描探針顯微技術（SPM）的一支，此

類顯微技術都是利用特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間的

某種交互作用，如穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波等等，然後

使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣品表面做左右

前後掃描（或樣品做掃描），並利用此掃描器的垂直微調能力及迴饋

電路，讓探針與樣品問的交互作用在掃描過程中維持固定，此時兩者

距離在數至數百 Å（10-10m）之間，而只要記錄掃描面上每點的垂直微

調距離，我們便能得到樣品表面的等交互作用圖像，這些資料便可用

來推導出樣品表面特性。

AFM 的探針是由針尖附在懸臂樑前端所組成，當探針尖端與樣品

表面接觸時，由於懸臂樑的彈性係數與原子間的作用力常數相當，因

38

此針尖原子與樣品表面原子的作用力便會使探針在垂直方向移動，簡

單的說就是樣品表面的高低起伏使探針作上下偏移，而藉著調整探針

與樣品距離，便可在掃描過程中維持固定的原子力，此垂直微調距

離，或簡稱為高度，便可當成二維函數儲存起來，也就是掃描區域的

等原子力圖像，這通常對應於樣品的表面地形，一般稱為高度影像。

39

3.9 X 光繞射分析儀(X-ray Diffractometer)

X 光繞射原理：1913 年 W.L.Bragg 父子在晶體結構分析實驗中，從散

射 X 光的分佈情形，他們認為可以將繞射現象視為入射光被晶面反

射。此種反射如同鏡面反射，入射角等於反射角。在某些散射角下，

從相鄰晶面散射之波彼此相位相同，光程差為波長的整數倍，因而產

生建設性干涉。滿足此條件便可產生繞射，稱為布拉格定律(Bragg＇s

law)

2dhklsinθ=nλ

d 為鄰近平行結晶面（hkl）兩平行面間的距離，θ為入射光與

平面的夾角，λ為 X 光源的波長，n 為任意整數。圖 3-4 是一個單晶

繞射的示意簡圖。當光程差是λ的整數倍時，呈現加成效應；而若光

程差非λ之整數倍時，視為削減效應。由此，可預期繞射峰另在特定

的 θ 產生。為滿足 Bragg 繞射公式，必須滿足下列兩個條件。

第一、入射光、繞射光與晶體平行面之法線這三個向量需在同一

平面。

第二、欲測面的法線平分入射光與繞射光的夾角。

40

圖 3-4 單晶繞射的示意簡圖

41

一般分析材料結晶構造的方法，主要可分為兩大類：一種是利用

電子顯微鏡；另一種即為 X光繞射分析法。電子顯微鏡的光源是一道

經高壓電場加速的電子束，再經過一系列的電磁透鏡，將電子束聚焦

在極小的面積上，用以分析材料上微小區域結晶構造的技術。然而，

受限於電子的運動與穿透能力，這些分析必須在一個高度真空的環境

下進行，而且試樣的厚度必須研磨到很薄才行。如此的條件，使得電

子顯微鏡試樣的製作較不容易，對於某些化學反應或因氧化腐蝕等所

產生的界面層，特別是具有層狀結構，或是其結構強度，界面結合力

薄弱的薄層等，更增加試片製作上的困難程度。X 光繞射分析法的光

源為 X 光射線，X 光是一種短波長電磁輻射，其波長約為 1Å 左右。

由於如此波長之電磁波是無法以透鏡聚焦，使得僅能用來分析一較大

區域，而獲得一整體平均的結果，然而也因如此，其為提供一非破壞

性的分析方式，甚至可在不同的分析條件，如高溫、低溫、真空、高

壓……等特殊環境下進行分析工作。如此不但試樣製作容易，也比較

能獲得接近其原製造環境或使用狀況下的結果。

42

四、結果與討論

4-1 沉積率

氮氣流量與薄膜厚度之關係

本實驗採用DC直流濺鍍法沉積NbN薄膜，實驗中發現在氬氣(Ar)

固定 45sccm，電流 60 mA，不同氮氣(N2)流量下，再以基板溫度 350℃

的條件下，沉積速率與氮氣(N2)流量有明顯之差異，如圖 4-1 所示，

沉積率的大小與氮氣流量之大小成反比，氮氣流量越小，NbN 薄膜沉

機率越高，以 N2=7.5sccm 時沉積速率最低。N2=4.5sccm 時較 N2=7.5

sccm 略高。基板在 350℃時，N2=1.5 sccm 為 2.33nm/min，由上述結

果顯示，氮氣(N2)流量與沉積率有相互的影響。

43

沉積薄膜的表面型態觀察，係利用原子力顯微鏡(AFM，Digital Instrument Inc.,NanoScop,USA)觀察薄膜表面三維空間型態及粗糙度。AFM 具有高度的三度空間解析能力，為一非破壞性、方便且容易操作的表面分析儀器。本實驗依據氮氣流量的改變，來觀察表面型態及表面粗糙度的變化。

5-2.1 AFM 表面型態之觀察如圖 5-3 至 5-6 量測表面擷取長度為 1.00 µm，係以量測此單位長度面積內 Ra、Rms、Rmax 三種粗糙度值。本實驗以 Ra 值來作粗糙度值之比較，並利用在不同氮氣流量沉積之試片得知不同粗糙度值才得以與退火後之粗糙度值觀察其差異性。圖 4-1 在不同氮氣流量，基板溫度 350℃時沉積 NbN 氮化鈮薄膜之沉

積率

44

(a)

(b) (b)

圖 4-2 在氮氣流量(N2) 1.5 sccm時，沉積單層NbN薄膜之AFM顯圖。

(a)2D 顯微圖,Ra=1.429 (b) 3D 顯微圖

45

(a)

(b)

圖 4-3 在氮氣流量(N2) 3sccm時，沉積單層NbN薄膜之AFM顯微圖。

(a) 2D 顯微圖,Ra=1.075 (b) 3D 顯微圖

46

(a)

(b)

圖 4-4 在氮氣流量(N2) 4.5 sccm時，沉積單層NbN薄膜之AFM顯微圖。


47

(a)

(b)

圖 4-5 在氮氣流量(N2) 6 sccm時，沉積單層NbN薄膜之AFM顯微圖。


48

(a)

(b)

圖 4-6 在氮氣流量(N2) 7.5 sccm時，沉積單層NbN薄膜之AFM顯微圖。


49

4-2 在不同功率氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測的表面形貌

沉積薄膜的表面型態觀察，係利用原子力顯微鏡(AFM，Digital

Instrument Inc.,NanoScop,USA)觀察薄膜表面三維空間型態及粗糙

度。AFM 具有高度的三度空間解析能力，為一非破壞性、方便且容易

操作的表面分析儀器。

50

(a)

圖 4-7 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(a) 50W 的表面形貌

(b)

圖 4-8 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(b) 100W 的表面形貌

51

(c)

圖 4-9 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(c) 150W 的表面形貌

(d)

圖 4-10 氮化鈮(NbN)利用 AFM 量測(d) 200W 的表面形貌

52

4-3 在不同功率下沉積之表面型態

靶材功率的大小與沉積速率有關，從圖 4.11 中,可以發現;縱座

標是功率,橫座標是沉積率,在不同功率下,在 50 瓦特;沉積率 24

nm/min 為最小,在 200 瓦特; 沉積率 118 nm/min 為最大。

53

0 50 100 150 200 2500

50

100

150

Dep

ositi

on ra

te(n

m/m

in)

Target power(Watt)

圖 4-11 沉積 NbN 薄膜之沉積率

54

4-4 在不同功率下沉積之 SEM 表面與截面分析

圖 4-12，是用 SEM 儀器作分析;從(a)圖中顯示表面的粒子滿平均,

在(b)圖中右上角表面的粒子變小也密集,在(c)圖中表面的粒子變的

更小,在(d)圖中表面的粒子顯的更大又凸起.

圖 4-13 是用 SEM 儀器來分析截面層，在(a)圖中顯示結晶截面無成

核現象，在(b)圖中顯示截面層比 50W 的結晶有更佳的結晶性，(C)

圖中顯示當功率到 200W 時截面層表面已呈現有晶柱狀的現象發生。

在此可以顯示，當靶材功率隨之增加時，結晶的組成和成核會有一定

的影響。

55

(a) (b)

(c) (d)

圖 4-12 SEM掃描式電子顯微鏡表面分析情形(a) 功率 50w(b)

功率 100w (c) 功率 150w (d) 功率 200w.

56

(a)

(b)

(c)

圖 4-13 SEM 掃描式電子顯微鏡截面分析情形(a)功率 50w(b) 功率

150w (c) 功率 200w.

57

4-5 在不同功率下沉積之 X-ray 薄膜繞射分析

圖 4-14 中可以看到,在不同功率下,X-ray 繞射圖,在基板溫度 200

度 c 下有很明顯的繞射峰,主要的繞射峰有(111),(200),(220),尤其

在 150W 時有一從優取向波峰值產生，產生繞射的角度分別在 2θ

=35.1°、42.1°、60.4°、72.3°，由此結果得知，功率的增加會影響

結晶面的生長方向。

58

20 30 40 50 60 70 80

(311)(220)

(200)

(111)

200W150W100W50W

Inte

nsity

(cps

)

2theta(deg.)

圖 4-14 在不同施加靶材功率下，低掠角薄膜繞射情形

59

4-6 NbN 氮化鈮粗糙度值之關係

如圖 4-15 所示，不同氮氣流量下，表面粗糙度值(Ra)中顯示當

N2=1.5 sccm Ra=1.492nm 為表面粗糙度最大值，N2=3 sccm 次之，

Ra=1.075 nm，N2=4.5 sccm 之 Ra=0.573nm 為最小值。

NbN 氮化鈮在溫度 350℃，不同氮氣流量(N2)，之粗糙度分析圖。

可看出整體粗糙度因不同氮氣流量有明顯之不同。

60

圖 4-15 NbN 氮化鈮在溫度 350℃，不同氮氣流量下，表面粗糙度值

(Ra)之表示圖。

61

4-7 硬度與楊氏係數分析

在圖 4-16 所示,在不同功率下,隨功率的增加，楊氏係數也會有

隨之增加，當功率再 150W 時，楊氏系數值達到 375 Gpa,為最大，200W

居次，會有此現象，有可能是再以奈米壓痕量測時，與取點的位置有

關，這還需更詳細的量測與確認後，在作更深入的分析探討。

在圖 4-17 所示, 在不同功率下,中顯示當 150watt,硬度值 18.75

Gpa,為硬度最大，由圖中顯示，上述的楊式係數最高值也是在功率

150W，由此硬度與靶材功率關係圖顯示，硬度的大小跟楊氏係數值一

定是相輔相成。

0 50 100 150 200 250100

150

200

250

300

350

400

Er(G

Pa)

target power(Watt.)0 50 100 150 200 250100

150

200

250

300

350

400

Er(G

Pa)

target power(Watt.)

62

0 50 100 150 200 250100

150

200

250

300

350

400

Er(G

Pa)

target power(Watt.)

圖 4-16 在不同施加靶材功率下，楊式係數關係圖

63

0 50 100 150 200 25016.0

16.5

17.0

17.5

18.0

18.5

19.0

19.5

20.0

Har

dnes

s(G

Pa)

Target power(w)

圖 4-17 在不同施加靶材功率下，薄膜硬度關係圖

平均膜厚(thickness)：2 μm

施加壓痕力量(Load)：1500 μN

64

五、結論

1.在基板溫度 350℃沈積率之比較中發現，氮氣流量較小時，其沈積

率相對會較高。

2.依據膜厚沈積率之結果計算，氮氣流量 N2=1.5sccm 時，有最高沈

積率，每分鐘沈積膜厚度達 2.33nm/min。

3.不同氮氣流量下，表面粗糙度值(Ra)中顯示當 N2=1.5 sccm 時有表

面粗糙度最大值，N2=3 sccm 次之，Ra=1.075 nm，N2=4.5 sccm 之

Ra=0.573nm 為最小值。

4. 氮氣流量越低，其沉積率相對提高。

5. 施加功率在 200W 時，有最高沉積率，每分鐘沉積膜厚厚度達 118

nm/min。

6. 在施加不同功率下，功率 150W 的硬度值最高，硬度值為 18.7GPa。

7. 從楊氏係數趨勢圖得知，功率 150W 的楊氏系數值最高，其值為 360

GPa。

65

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碩士論文，國立高雄第一科技大學機械與自動化工程所，2003。

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[10] 呂宗昕，“圖解奈米科技與光觸媒＂，商周出版，156-157，

2003。

66

誌謝

本專題由方慎偉同學與謝銘書同學共同努力的成果，誠摯感謝

指導教授－劉見成教授與王建堂學長和呂飛龍學長以及李正和學長

的教導與指正，在研究期間提供甚多的協助與幫忙，使專題研究方面

及架構上給予最精闢的見解,使專題能夠順利的完成。

在這一次的實驗過程中，夥伴扮演著很重要的角色之一，彼此要

分工合作，仔細地去完成每一個步驟，也不畏辛勞地跟隨著前人的腳

步，一步一腳印的完成這一次大學專題的論文，所以特別在此感謝這

一次的夥伴。

最後要感謝兩個家庭的付出，因為有他們的付出與支持，才能造

就出兩個大學生更進一步的也才能完成這一篇文章，所以在此除了感

謝還是感謝。

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