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研究生:阮彥凱
研究生(外文):Yan-Kai Yuan
論文名稱:製程參數對直流濺鍍複合電子迴旋共振系統沉積類鑽鍍膜之研究
論文名稱(外文):The research of DLC films deposited by MW-ECR CVD
指導教授:李世欽李世欽引用關係
指導教授(外文):Shin-Chin Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:材料科學及工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:類鑽碳電子迴旋共振
外文關鍵詞:ECR-CVDDLC
相關次數:
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摘要
類鑽碳膜具有許多的優異性質,如:高硬度外,在室溫下還具有良好的熱傳導性,且絕緣性質高,對酸、鹼、熱有很好的抵抗能力,並且具有對可見光到紅外光波段的穿透性以及生物相容性極佳的特性,在電子、光學、耐熱、耐摩耗與生醫材料等各界是一項的重要材料。然而,由於製程上離子轟擊效應,導致類鑽碳膜產生很高的壓縮應力,造成類鑽碳膜容易與基板剝離,進而產生附著力不佳的缺點。
本研究使用微波電子迴旋共振化學氣相沈積法(MW-ECR CVD)成長類鑽碳膜,以乙炔及氬氣為反應氣體,基材為SKH51鋼材,並透過製程參數上的負偏壓及乙炔流量的改變,來研究類鑽碳膜的性質。由於類鑽碳膜與鋼材的附著性不佳,故本研究採用添加鈦金屬的方式,形成含鈦類鑽碳膜,並量測鍍膜之之種種特性,以瞭解鍍膜之性質。
研究結果顯示,當乙炔流量增加時,鍍層摩擦係數、表面粗糙度、沉積速率、鍍層臨界荷重皆呈現下降趨勢,而電阻率、磨耗壽命、硬度等則表現出上升趨勢,透過拉曼光譜分析其特性峰有往低波數位置偏移現象。
Abstract
Diamond-like carbon films exhibit extreme hardness、high surface smoothness、low friction coefficient and acid- or base-resistance. However, the sp3 bonding of carbon atoms in the amorphous structure are severely distorted and strained, resulting in a large compressive stress within the film.
Amorphous hydrogenated diamond-like carbon films were deposited on the steel by electron cyclotron resonance chemical vapor deposition with magnetron sputtering using C2H2 and Ar as gas sources. The properties of the film were investigated by SEM、Auger electron spectroscopy(AES)、atomic force microscope (AFM)、Raman spectroscopy and pin-on-disk tribometer.
The results reveal that the structure、adhesion、hardness and friction coefficient of the film depend its deposition bias and C2H2 flow rate. With the C2H2 flow rate increasing, the ratio of sp3 to sp2 and hardness is increasing. With the C2H2 flow rate increasing, the friction coefficient of the film is decreasing.
目錄
摘要 …………………………………………………... II
Abstract……………………………………………… ….. III
目錄………………………………………………………………… IV
圖目錄 ………………………………………………… VI

第一章 序論 …………………………………………….1
1-1 前言…………………………………………………………… 1
1-2 微波電子迴旋共振系統……………………………………… 3
1-3 研究目的……………………………………………………… 5
第二章 理論基礎 ……………………………………..6
2-1 類鑽碳膜 6
2-2 類鑽碳膜成長機制 7
2-3 類鑽碳膜在應用上的問題 15
2-4 儀器原理…………………………………………………… 17
2-4-1 微波電子迴旋共振原理………………………………17
2-4-2 附著性測試……………………………………………22
2-4-3 拉曼光譜儀……………………………………………25
2-4-4 原子力顯微鏡…………………………………………33
第三章 實驗方法與步驟 ………………………………..37
3-1 實驗流程………………………………………………… … 37
3-2 實驗設備與材料……………………………………… …… 38
3-3 實驗步驟……………………………………… …… ………39
3-4 鍍層之分析與測試…………………………………… … …40
第四章 結果與討論 ……………………………………43
4-1 類鑽碳膜之特性分析………………………………… … …43
4-1-1 鍍膜之沈積速率………………………………………43
4-1-2 鍍膜之表面型態觀察…………………………………47
4-1-3 原子力顯微鏡分析鍍膜表面型態……………………52
4-1-4拉曼光譜儀分析…………………………………… …59
4-1-5鍍層元素成分分析…………………………………… 65
4-2 類鑽碳膜之機械性質…………………………………… … 69
4-2-1 磨耗測試………………………………………………69
4-2-2 鍍層之硬度分析………………………………………78
4-2-3 鍍層附著力分析………………………………………80
第五章 結論 ……………………………………………..91
參考資料 …………………………………………………………….93

圖目錄
圖2-1電漿中反應形成介穩態物質的活化能示意圖 ……...8
圖2-2結晶碳的自由能對體積的示意圖……... ………………... 9
圖2-3碳離子進入非晶質類鑽碳膜的表面穿透機制示意圖 … 11
圖2-4非晶質類鑽碳膜的成長機制示意圖(a)入射離子能量小 (0-0.1 eV)(b)適當的入射離子能量(1-100 eV)(c)入射離子能量過大(>100 eV)………………...………………13
圖2-5電子迴旋共振之基本原理示意圖 (a) 右旋偏振 (b)左旋偏振 (c)電子通過共振區之能量變化… ……………….…..18
圖2-6電子在磁場中運動之示意圖(a)電場=0(b)E=E0εjωt,ω=ωce且E0⊥B……………... ……... ……………….… . 20
圖2-7鍍層的破壞模式示意圖(a)剝裂破壞(b)翹曲破壞(c)崩離破壞(d)保形破壞(e)拉伸破壞 ………... ………… 24
圖2-8拉曼散射與雷力散射之能階圖破壞 ……………….……….26
圖2-9微晶石墨的兩種振動模式(a)E2g模式(b)E1u模式………….28
圖2-10在無窮大晶體中之A1g振動模式 ……….……………30
圖4-1基板偏壓對類鑽碳膜沉積速率的影響………………………...45
圖4-2圖4-2 乙炔流量對類鑽碳膜沉積速率的影響……………….46
圖4-3 SEM表面型態觀察(a) –150V (b) –250V……………………48
圖4-4 SEM表面型態觀察(a) –300V (b) –350V ……….…..49
圖4-5 SEM表面型態觀察(a)C2H2=17sccm(b)C2H2=20 sccm 50
圖4-6 SEM表面型態觀察(a)C2H2=22sccm(b)C2H2=25 sccm 51
圖4-7 AFM表面形態分析(a)bias=-150 V(b)bias=-250V …53
圖4-8 AFM表面形態分析(c)bias=-300 V(d)bias=-350V …54
圖4-9 基板偏壓對平均粗糙度Rq(nm)的影響……………………55
圖4-10 AFM表面型態觀察分析(a)17sccm (b)20sccm (c)25sccm…57
圖4-11 乙炔流量對平均粗糙度Rq(nm)的影響……………….…..58
圖4-12在不同基板偏壓下沉積類鑽碳膜之拉曼光譜分析……..60
圖4-13不同基板偏壓下對G band、D band及ID/IG之影響……..61
圖4-14在不同乙炔流量下沉積類鑽碳膜之拉曼光譜分析……..63
圖4-15不同乙炔流量下對G band、D band及ID/IG之影響……..64
圖4-16不同乙炔流量下各元素成分的縱深分析(a)17sccm (b)25sccm ……………..66
圖4-17在不同基板偏壓下沉積類鑽碳膜之磨耗測試 ………….70
圖4-18在不同基板偏壓下沉積類鑽碳膜之磨耗軌跡 ………….71
圖4-19在不同乙炔流量下沉積類鑽碳膜之磨耗測試 (a) 17sccm (b) 20sccm……………….………73
圖4-20在不同乙炔流量下沉積類鑽碳膜之磨耗測試 (a) 22sccm (b) 25sccm ………………... ……………….……….74
圖4-21在不同乙炔流量下沉積類鑽碳膜之磨耗軌跡 (a) 17sccm (b) 20sccm……... ……………….…………...75
圖4-22圖4-22在不同乙炔流量下沉積類鑽碳膜之磨耗軌跡 (a)22sccm (b) 25sccm ………………76
圖4-23在不同乙炔流量下沉積類鑽碳膜之平均摩擦係數……...77
圖4-24在不同乙炔流量下沉積類鑽碳膜之硬度值……………….79
圖4-25在乙炔流量17sccm下沉積類鑽碳膜之刮痕試驗圖……...82
圖4-26在乙炔流量20sccm下沉積類鑽碳膜之刮痕試驗圖……...83
圖4-27在乙炔流量22sccm下沉積類鑽碳膜之刮痕試驗圖……...84
圖4-28在乙炔流量25sccm下沉積類鑽碳膜之刮痕試驗圖……...85
圖4-29乙炔流量改變與類鑽碳膜臨界荷重的關係……………….86
圖4-30壓痕試驗測附著力分級圖……………………………………88
圖4-31 在乙炔流量 (a)17sccm (b)20sccm下沉積類鑽碳膜之壓痕試驗圖……………… …89
圖4-31 在乙炔流量 (a)22sccm (b)25sccm下沉積類鑽碳膜之壓痕試驗圖….………… …90
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