仪器设备与试验步骤.PDF

第三章 儀器設備與實驗步驟 一、儀器設備 3.1濺鍍系統介紹 [1-4] 3.1.1 濺鍍原理 濺鍍系統架構圖如圖 3-1所示，固體表面受到帶有高能量的粒子 (受電埸加速的正離子的衝擊，固體表面的原子、分子等從帶有高能) 量粒子取得運動能量，由固體表面被擊出，這種現象稱濺鍍。 磁控濺鍍系統基本上是在高真空環境中充入工作氣體，其中， Ar氣體最被常採用於 sputtering的原因為：Ar容易取得且與物質不起反 應，其Sputtering yield (濺鍍率，S)值高。藉著兩個相對應的金屬板(陽 極板和陰極板) ，此氣體由高電壓放電產生電漿(plasma) ，電漿中的正 離子被陰極板的負電壓吸引加速，具有高能量後，轟擊陰極靶材表 面，將離子動量轉移給靶材原子，靶材原子獲得動量後逸出靶材表 面，附著於基板上；即是將直流電輸入真空系統中，進行金屬濺鍍工 作。，另外，使用磁控濺鍍系統的先決條件，就是兩個電極板的材料 必須是導體才行，以避免帶電荷粒子在電極板表面上累積，這會使兩 個電極板的迴路相當於一個荷電的電容。 69 由於濺射是屬於動量之轉移，其蒸鍍速率與靶材材料之熔點無 關，故鎢與鋁之濺射速率並無多大差別。在濺鍍前如將電極極性反 接，則基板先受離子轟擊可清除表面雜質。濺射法尚有下述之優點， 例如 真空蒸鍍困難或不易蒸鍍的低蒸氣壓金屬元素及化合物都可適 用，或用較大之靶可得均勻之薄膜厚度分佈；濺鍍之原子俱相當大之 動量可深植入基板，而得較佳之附著力；基板承座上可加負壓 (對真 空罩殼而言) ，以排除電子之撞擊，並吸引荷電之原子而得較佳之附 著力。但濺射法之缺點為蒸鍍速率甚慢 ，而陰極放出之二次電子，會 衝擊到薄膜或基材，以致薄膜溫度不易控制，如圖 3-所示。2 如果在 陰極靶附近加磁場，如圖3-所示，電子運動軌跡呈螺旋狀，增加與3 氣體碰撞機會，產生較多離子數而增快濺射速率，此稱為磁控 (Magnetron)濺鍍法。 實際做法是在陰極靶材背面放強力磁鐵，如圖 3-所示，因此在4 靶材 表面附近會有磁場產生，使得電子運動軌跡呈現螺旋狀，增加與 氣體碰撞機會，產生較多離子數目而增快濺鍍速率。而本實驗室之磁 控濺鍍系統外觀圖，如圖3-所示。5 70 圖 3-1磁控濺鍍機裝置圖 圖 3-2 入射離子與固體表面之交互作用 圖 3-3電場與磁場存在時在靶材附近的電子螺旋運動 71 圖 3-4磁控濺鍍原理 圖 3-5 射頻磁控濺鍍系統 3.2 蒸鍍法製作奈米粉體[5] 我們實驗中使用的奈米粉體是在氣相中以熱電阻加熱法製造。利 72 用可承受高溫的鎢舟承載金屬材料，通過直流電加熱金屬材料至熔點 以上，使金屬材料蒸發然後在腔壁的收集板上凝結成一顆顆微小的粉 體。首先，腔內需先抽至真空狀態，再導入惰性氣體與金屬蒸氣碰撞， 蒸氣原子在移動至腔壁的途中因與惰性氣體碰撞而損失動能並降低 其溫度，因無足夠的能量與其它金屬顆粒鍵結形成膜，而在腔壁上凝 結形成粉體。而金屬奈米粉體尺寸的影響變因有下列幾個 : 1. 溫度的影響：蒸發溫度較高時，它提供一個密度高的金屬蒸氣 流，使得金屬原子間有更多的機會碰撞，而形成較大的粒子。 2. 氣體的種類：在相同壓力下，鈍氣的分子量越大；則金屬蒸氣 碰撞損失的能量也就越大。因此鈍氣的分子量越大，金屬蒸氣 的凝結會發生在較接近蒸氣源；而當凝結發生在較高的金屬蒸 氣密度時，所得之金屬奈米顆粒會較大。因此在相同壓力下， 氬氣中產生的粒子會比在氦氣中的大。 3. 壓力的影響：當氣體壓力很高時，金屬蒸發原子的冷卻率及和 惰性氣體碰撞的頻率增加，因此成核凝結會發生在靠近蒸發源 處，而使凝結核有足夠的時間，在到達腔壁前長大。而當氣體