陶瓷與薄膜製程

陶瓷粉末合成的方法 固相反應法 氣相反應法 傳統氧化物法、反應燒結法 溶液法 共沉法、水解法、水熱合成法、溶膠凝膠法 火焰燃燒法、爐內反應法、電漿合成法

固相反應合成法 反應燒結法(無煆燒步驟) 粉末秤重 固相反應通常是由 許多種固相共同參予反 應生成另一新固相的階 煆燒 段反應過程，故通常是 球磨 烘乾 搗磨 煆燒 壓模 燒結 固相反應通常是由 許多種固相共同參予反 應生成另一新固相的階 段反應過程，故通常是 以適當的化學劑量混合 含有各組成元素的氧化 物或碳酸鹽等粉末之 後，在高溫進行分解與 反應。 反應燒結法(無煆燒步驟)

精密陶瓷液相法粉體合成技術分類

共沉法 共沉法是一種將反應液中的離子進行沈澱的方法， 殘留在溶液中濃度可用溶度積來計算。通常以共沉製備 微粒子之反應物系，成品之溶度積皆很小，化學反應都 在高過飽和度下進行，生成無定晶形（amorphous）的含 水化合物。所得一次粒子之粒徑小，但凝結度高，且組 成控制不易，其粒子結構，表面電性與溶液中之pH值有 密切關聯，必須再經鍛燒、粉碎及研磨過程才能得到具 有確定結構、組成及物理特性之結晶態粉末。

共沉法之實驗流程 配置水溶液 洗膠+過濾 混合 烘乾 煆燒 搗磨 成型 燒結

化學還原法 化學還原法一般可用於二價過渡金屬（Fe, Co ,Ni）超微粒合金的製備。製備時是以還原 劑來還原溶液中的金屬離子，可用的還原劑很 多，如次磷酸鈉（NaH2PO2）、硼氫化鉀 （KBH4）、硼氫化鈉（NaBH4）等。由於其影響 製程的變因甚多，但製備不需要在高溫高壓下進 行，故可藉控制改變這些變因而得到不同性質的 超微粒。

水熱合成法 水熱合成晶體生長過程分為幾項特點: 配置水溶液 過程是在壓力與氣份可以控制的封閉系統中進行。 生長溫度比融態和熔鹽等方法低的多。 生長區基本上處於恆溫和等濃度狀態，且溫度梯度很小。 屬稀薄相生長，溶液黏度很低。 配置水溶液 加熱持溫 混合 烘乾 成型 燒結 水熱合成法流程圖

優點： 具有完美的晶型及確定的化學組成，其結構、組成及物理特性和最後所要製造的產品完全一致，不必經煆燒、研磨而可直接應用或成形燒結。 係由溶液中再析出，對複合成份有高度之化學均勻性；且具結晶型態，微粉成品組成不受反應液的pH 值或離子濃度之影響而改變。 粉末微結晶顆粒，流動性佳，清洗及過濾非常容易。 粉末非常微細，通常在一微米以下，且粒度均勻，使燒結溫度得以降低。

溶膠-凝膠法 溶膠凝膠法因反應機構及成膠原理之差異可分為兩種製程方法。 膠體溶膠製程：以金屬醇氧化物或無機鹽為原料，經 快速水解或與鹼反應得氫氧化物之沈澱，然後加酸令 凝聚的粒子分散，解膠而得膠體大小之粒子，其為澄 清透明的超微粒子分散液。 高分子溶膠製程：製備高分子溶膠係以金屬醇氧化物 為原料，在控制水解速率下進行聚合反應，可得高分 子前驅物（precursor）。適當調整水解及聚合反應之 相對速率，並抑制水解反應生成之胚核成核，經老化 成長後，可得粒徑大於1μm 單佈性、球狀之凝集粒 子。

溶膠-凝膠法之程序 水解與聚縮合反應 凝膠化(gelation) 熟化(aging) 乾燥(dring) 熱處理(heat treating)

溶膠-凝膠法的優點 １.其純度可達99.9%以上。 ２.因其起始物為原子程度的混合溶液，所得之陶瓷 粉末可達到良好的化學均勻度。 ３.粉體形狀成規則的球形較易成形。 ４.陶瓷粉末的大小可達到100Å，且可控制粉體大 小、粒徑分佈。 ５.可製備特殊產品如薄膜、纖維和單塊體玻璃。

各種粉末合成法之比較

薄膜製程

物理氣相沈積 (PVD: Physical Vapor Deposition) 藉著加熱或濺射步驟將固態材料氣態化(Vaporizing) ，然後再使蒸氣在基片表面上再凝結(Recondensing)已形成固態的薄膜。 化學氣相沉積 (CVD: Chemical Vapor Deposition) CVD是利用氣態的化學源材料在晶圓表面產生化學反應的製程，它會在表面上沉積一種固態的產物以作為薄膜層。

物理氣相沈積 Physical Vapor Deposition

蒸鍍 (Evaporation) 熱蒸鍍 加熱 氣態化 凝結 缺點： 鈉污染 較差的階梯覆蓋 熱蒸鍍器示意圖

電子束蒸鍍 在真空反應室中，電子束入射到水冷式坩鍋的金屬上，並將金屬加熱至氣化的溫度。 優點：高生產率及低 成本。 缺點：高能量的電子撞 擊金屬鈀材會造成元件的損傷。 電子束蒸鍍器示意圖

Sputter System

在超高真空環境之下使用直流濺鍍和射頻磁控濺鍍的方法，將金屬靶材及非金屬靶材以電漿的型態沉積薄膜於基板上。 功能簡介 在超高真空環境之下使用直流濺鍍和射頻磁控濺鍍的方法，將金屬靶材及非金屬靶材以電漿的型態沉積薄膜於基板上。 Sputter 腔體實際圖

離子撞擊固體表面情形之示意圖 利用高能量離子撞擊靶材，使靶材濺射出原子，進而沉積於所鍍的基材上形成薄膜，即稱為濺鍍沉積。當一個高能量的離子撞擊固體表面時，會產生二次電子或離子植入等現象，當濺擊的動作不停止，結合於該物體上的原子愈來愈多時，便會形成一薄膜。

化學氣相沉積 Chemical Vapor Deposition

常壓化學氣相沉積 Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition APCVD製程要由溫度、製程氣體流量率及傳送帶速度等因素控制。 製程用於沉積二氧化矽、氮化矽。 APCVD示意圖

低壓化學氣相沉積 Low Pressure Chemical Vapor Deposition 沉積製程主要是晶圓的溫度所控制，而與氣體的流量較無關。 製程用於沉積氧化物、氮化物以及多晶矽上。 LPCVD示意圖

電漿輔助化學氣相沉積 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

儀器腔體介紹 電源供應器提供RF電磁波(13.56MHZ)產生電漿，使其為輔助能量，因此電漿產生的自由基會急速增加化學反應速率，所以PECVD可在相對低溫時達到高的沉積速率。 腔體內部是以上下兩片極板所構成，此兩片極板通常為鋁製電極，晶片則是放置於下方電極基板上 。 PECVD腔體結構

製程氣體：O2、NH3、N2O、Ar、CH4、CF4、H2 儀器特點： 階梯覆蓋性良好 生長矽磊晶層厚度均勻 可避免因熱循環而造成的缺陷 所產生之廢氣較易處理 應 用： 生長類鑽薄膜 氧化物薄膜 氮化物薄膜

微波電漿化學氣相沉積系統 Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition

示意圖： 原理： 微波電漿化學氣相沉積法是一種不需電極及發熱體的電漿沉積系統，由微波當做主能量供應導入反應室，其微波能量激發反應室的氣體，使氣體分子解離為原子，再形成帶電的離子，這種含有離子、電子、自由基等的狀態稱為電漿。

以MPCVD所製備之奈米碳管

感應式耦合電漿化學氣相沉積系統 ICP-CVD System

原理簡介： 其原理如下，電流流過一 個線圈，利用此一線圈產 生之電感（Inductance） 來感應出一磁場。此一磁 場可以透過介質（如空 氣，真空或鐵磁心）產生 次極（secondary）感應電 流，以電漿型式釋放出能 量。ICP高密度電漿的基本 原理乃是以磁場產生偶 合。

功能簡介 可以在低溫下成長薄膜。 已應用在MEMS、OLED。 與傳統式的電漿系統比較有幾項明顯的優點： 不易對晶片產生傷害。 電漿密度高。 低溫狀況下沉積薄膜。

製程 優點 缺點 應用 APCVD 反應器結構簡單 沈積速率快 低溫製程 步階覆蓋能差 粒子污染 二氧化矽 氮化矽 LPCVD 高純度 步階覆蓋極佳 可沈積大面積晶片 高溫製程 低沈積速率 氧化物 氮化物 多晶矽 PECVD 高沈積速率 步階覆蓋性良好 化學污染 類鑽 MPCVD 面積小 奈米碳管 類鑚 ICPCVD 高沉積速度 電漿密度高 MEMS OLED

參考文獻 呂宗昕, “電子陶瓷之溶液法粉體製備技術”, 化工技術, 1993, 9月號. W. J. Dawson, “Hydrothermal Synthesis of Advanced Ceramic Powders”, Ceram. Bull., 67 [10], 1673-78. 1998. Michael D. Whitfield , James A. Savage ,Richard B. Jackman ,* Diamond and Related Materials 9 (2000) 262–268 陳清典,MTi4P6O24 (M = Ba, Sr)的合成、燒結與其熱膨脹及介電性質 許瑞楓, (Mg0.95Co0.05)TiO3 介電陶瓷之微波特性及應用. Hong Xiso,Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology. 黃玉婷鑭系波洛斯凱特奈米微粉之製備及其特性 .