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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:邱煥評
研究生(外文):Huang-Ping Chiu
論文名稱:離子濺鍍膜厚均勻性之研究
指導教授:李正中李正中引用關係
指導教授(外文):Cheng-Chung Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:光電科學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:48
中文關鍵詞:膜厚均勻性離子濺鍍
外文關鍵詞:thicknessuniformIBSD
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摘要
本研究是使用離子束濺鍍 ( Ion Beam Sputter Deposition),分別濺鍍Ta及Si兩種材料。量測由離子束濺鍍出來的光學薄膜得知,只要能夠控制好製程參數,便可鍍出膜質緻密、折射率穩定、低散射損耗、低吸收耗損以及非晶態(Amorphous)的優質光學薄膜。建立在這樣條件的優質光學薄膜之後,再對膜厚分佈建立一個適用的描述及分析方法,在此我們以離子束投影在靶材上之密度分佈模式,來模擬實際離子束濺鍍膜厚分佈,而且在模擬過程中,我們將投影面源均勻地分割成有限個發射源,如此對於描述及分析膜厚分佈,有很好的結果。
Abstract
We have deposited Ta2O5 and SiO2 films by ion-beam sputtering. By measuring Ta2O5 and SiO2 films, we find that thin films deposited by ion-beam sputtering have several advantages.
1.High packing density.
2.Refractive index steady.
3.Low scattering loss.
4.Low absorption loss.
5.Amorphous.
Based on these advantages, we establish the method to describe and analyze thickness distribution. We use a concept that the density distribution of ion beam projecting on target to simulate actual thickness distribution. In simulation process, we divide the projecting surface source of target to many uniform emissive sources. A correct thickness distribution by using the concept has been successfully described.
目錄
第一章 緒論 …………………………………………………………1
第二章 基本理論 ……………………………………………………..4
2.1 膜厚分布理論 ....……………………………………………..4
2.1.1點源 ....………………………………………………...4
2.1.2 面源 ....………………………………………………....7
2.1.3 蒸發源的發射特性 …………………………………..8
2.2 離子束濺射理論 ………………………………………….....9
2.2.1 離子濺射效應 ………………………………………..9
2.2.2 離子束濺射靶材之碰撞理論 ………………………10
2.2.3 離子束入射角度與濺射率 …………………………11
2.3 離子源工作原理 …….…………………………………........12
2.3.1 離子源結構 …….………………………………….....12
2.3.2輝光放電 .......…….……………………………….....14
2.3.3 離子光學 .......…….………………………………......15
第三章 實驗儀器及量測工具 ….……………………………….......19
3.1 實驗儀器 ……………………………………………………..19
3.1.1 離子束濺渡系統 ……………………………………..19
3.2 量測儀器 …………………………………………………….21
3.2.1 原子力顯微鏡 …………………………..……………21
3.2.2 X光繞射儀 ………………………………………….23
3.2.3 光譜儀之量測 ……………………………………......24
第四章 實驗結果與分析討論 ………………………………………25
4.1 離子束投影在靶材表面的密度分佈 ………………...……..25
4.2 離子束濺鍍膜厚分佈之探討 ……………………………….28
4.2.1 膜厚公式推導 ………………………………………..28
4.2.2 膜厚分佈之實驗及模擬結果之比較 ……..…………31
4.3 離子束能量對於膜厚分佈的影響 ………….…………...….36
4.4 膜厚分佈對表面粗糙度的影響 …….………………………38
4.5 XRD量測 ………………………………………………….40
4.6 膜厚分佈之光學特性探討 ………………………………….41
第五章 結論 …………………………………………………………43
參考文獻 ……………………………………………………………..45
圖目錄
圖2-1 角度對薄膜沉積厚度影響 ……………………………………5
圖2-2 不同N值之比較 ………………………………………………8
圖2-3 離子撞擊靶材過程示意圖 ………………..…………………10
圖2-4 Ar離子束對幾種金屬靶的濺射率與入射角的關係 ………..11
圖2-5(a) 離子源的剖面圖 ……………………….……….…………13
圖2-5(b) 寬束離子源與電源供應器 ……………..…………………13
圖2-6 離子源的電位分佈圖 ………………………………………..15
圖2-7 兩柵極孔徑沒有對齊造成離子束偏向示意圖 ……………..16
圖2-8 離子束電流量與兩柵極之關係 ……………………………..17
圖2-9 離子束發散角度與離子束電流Ib關係圖 …………………...18
圖3-1 離子束濺鍍系統示意圖 ……………………………………..20
圖3-2 原子力顯微鏡示意圖 ………………………………………..22
圖3-3 XRD光譜分析θ/ 2θ模式示意圖 …………………………..23
圖3-4 包絡線示意圖 ………………………………………………..24
圖4-1離子束投影在靶材表面的示意圖 ……………………………26
圖4-2 投影面源的示意圖 ………………………………………….29
圖4-3 基板位於r = 11.7公分之實驗架構圖 ………………………31
圖4-4(a) Ta2O5薄膜對不同角度之膜厚關係 …….…………………32
圖4-4(b) Ta2O5薄膜模擬曲線與實驗值比較 …...…………………..32
圖4-5平面基板架構圖 …………………..…………………………..33
圖4-6 Ta2O5薄膜平面基板架構的模擬與實驗值的比較圖 ………..33
圖4-7(a) SiO2薄膜對不同角度之膜厚關係 …………………….…34
圖4-7(b) SiO2薄膜模擬曲線與實驗值比較 …………….………….35
圖4-7(c) SiO2薄膜平面基板架構的模擬與實驗值的比較圖 ………35
圖4-8(a) Nb2O5隨著不同入射離子能量的膜厚分佈圖 ……………37
圖4-8(b) 以不同離子束能量濺鍍TiO2膜厚分佈圖 ….………..…..37
圖4-8(c) 以不同離子束能量濺鍍Ta2O5膜厚分圖 …………………37
圖4-9(a) Ta2O5薄膜AFM量測結果(二維) ………………..……….39
圖4-9(b) Ta2O5薄膜AFM量測結果(三維) ………………………...39
圖4-10(a) SiO2薄膜AFM量測結果(二維) ………………..……….39
圖4-10(b) SiO2薄膜AFM量測結果(三維) ………………..……….39
圖4-11(a)基板(BK7) AFM量測結果(二維) ………………………...39
圖4-11(b)基板(BK7) AFM量測結果(三維) ………………..……….39
圖4-12(a) Ta2O5薄膜的X光繞射圖 ……………………………...40
圖4-12(b) SiO2薄膜的X光繞射圖 ………..……………………...40
圖4-13(a) Ta2O5薄膜在不同位置之折射率及消光係數值 …….…..42
圖4-13(b) SiO2薄膜在不同位置之折射率及消光係數值 ……..…..42
參考文獻1.David T. Wei , “ Ion beam interference coatings for ultralow optical loss ’’ Appl. Opt. , Vol28 , No.14 , p.2813(1989)2. 徐進成 , ‘’雙離子束濺鍍光學薄膜之研究’’ , 中央大學光電科學研究所博士論文, p.14 (1997)。3. 李正中 , ‘’薄膜光學與鍍膜技術’’ , 藝軒出版社 , 台北 , p.394 (1999)。4. Arvind Jain , ‘’Energy considerations for preparing thin films by ion beam deposition’’ , Thin Solid Film , 219 , p.266(1992)5. 李正中 , ‘’薄膜光學與鍍膜技術’’ , 藝軒出版社 , 台北 , p.281 (1999)。6. C. C. Lee , K. P. Chuang , J. Y. Wu , ‘’ Thickness distribution of thin films deposited by ion beam deposition ‘’ , Optical Interference Coatings , July 2001。7.H. A. Macleod , ’’ Thin-Film Optical Filter ’’ , Macmillan Publishing , 8.徐進成 , ’’ 雙離子束濺鍍光學薄膜之研究 ’’ , 國立中央大學光電科學研究所博士論文 , p.15(1997).9.G. K. Wehner , “ Threshold Energies for Sputtering and the Sound Velocity in Metals “ , Phys. Rev. 93 , p.633 (1954).10.P. J. Martin , ’’ Review Ion-based methods for optical thin film deposition ’’ , Journal of Materials Science , 21 , pp.1~25(1986).11.Peter Sigmund , ’’Theory of Sputtering Yield of Amorphous and Polycrystalline Target’’ , Phys. Rev.184 , 383(1969).12.H. Fetz , Z. Phys. 119 , 590(1942).13.John E. Mahan , ’’ Physical Vapor Deposition of Thin Films ’’ , John Wiley & Sons , Inc. , pp.218(2000).14.李正中 , ‘’ 薄膜光學與鍍膜技術 ’’ , 藝軒圖書出版社 , pp.282.(1999).15.Harold R. Kaufman and Raymond S. Robinson , ‘’ Operation of Broad-Beam Sources ’’ , Commonwealth Scientific Corporation , pp.5.(1987).16.Harold R. Kaufman and Raymond S. Robinson , ‘’ Operation of Broad-Beam Sources ’’ , Commonwealth Scientific Corporation , pp.6. (1987).17.J Reece Roth , ‘’ Industrial Plasma Engineering Volume 1 : Principles ’’ , Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia , pp.100.(1995).18.李正中 , ‘’ 薄膜光學與鍍膜技術 ’’ , 藝軒圖書出版社 , pp.283.(1999).19.J Reece Roth , ‘’ Industrial Plasma Engineering Volume 1 : Principles ’’ , Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia , pp.102~106.(1995).20.J Reece Roth , ‘’ Industrial Plasma Engineering Volume 1 : Principles ’’ , Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia , pp.199.(1995).21.Liudvikas Pranevicius , ’’ COATING TECHNOLOGY:ION BEAM DEPOSITION ’’ , Satas & Associates , pp.39. (1993). 22.李正中 , ‘’ 薄膜光學與鍍膜技術 ’’ , 藝軒圖書出版社 , pp.284.(1999).23.Harold R. Kaufman and Raymond S. Robinson , ‘’ Operation of Broad-Beam Sources ’’ , Commonwealth Scientific Corporation , pp.41.(1987).24.李正中 , ‘’ 薄膜光學與鍍膜技術 ’’ , 藝軒圖書出版社 , pp.351~357.(1999).25. 莊凱評 ,‘’光學薄膜厚度均勻性之研究 ”, 國立中央大學光電科學研究所碩士論文 , p.14(2000) 26. 沈昌翰 ,‘’離子束濺鍍薄膜之物理與光學特性之分析 ”,國立中央大學光電科學研究所碩士論文 , p.22(1995)27. 莊凱評 , ‘’光學薄膜厚度均勻性之研究’’ , 國立中央大學光電科學研究所碩士論文 , p.14(2000)
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