臺灣博碩士論文加值系統

傳統上利用離子輔助蒸鍍MgF2 (ion-beam assisted deposition, IAD)都會使用氬氣(Ar)做為工作氣體，作為增加薄膜蒸鍍時的能量以改善膜層品質。然而在蒸鍍過程中，往往會有氟的喪失，造成鍍出來的不是純氟化鎂。因此我們嘗試使用六氟化硫(Sulfur hexafluoride, SF6)做為工作氣體，它有著和氬氣一樣惰性氣體的優點，另外由於本身離子態所產生F-可增加MgF2之膜質純度，進而增加膜層穿透率。之後使用XPS(X-ray Photoelectron Spectrometer)去分析薄膜的表面成分，測量是否有其他雜質(如MgO、C-F…等)的形成，並且也可以知道SF6與Ar在做為工作氣體時對膜質成份的影響。

Traditionally Ar is used as a working gas to grow MgF2 thin film in IAD (ion-beam assisted deposition) process to increase the energies of deposited species such that the film quality is improved. However, there is always a loss of F- ions during the process which results in other impurities appeared in MgF2 films. In this study, SF6 (Sulfur hexafluoride) is used as a working gas which provides additional advantage than using noble gas (such as Ar) since more F- ions can be created from the dissociation of SF6 carrying gas in IAD process. Consequently, new MgF2 film will have higher optical transmittance. Later XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) was used to analyze surface compositions to identify other impurities, such as C, O, and Ar, in the film. In addition to the compositions, the chemical bondings of Mg, C, F and O in the film are also obtained from XPS spectra. The results demonstrate that the chemical bonds in the film are closely related to the film growth processes.

中文摘要………………………………………………………………i
英文摘要……………………………………………………………...ii
致謝…………………………………………………………………..iii
目錄…………………………………………………………………..iv
圖目錄………………………………………………………………..vi
表目錄………………………………………………………………..ix
第一章 緒論………………………………………………………….- 1 -
1-1 前言……………………………………………………………- 1 -
1-2 MgF2的特性………………………………………………….- 3 -
第二章 基礎理論…………………………………………………...- 4 -
2-1 紫外光…………………………………………………………- 4 -
2-2 fused silica的特性……………………………………………..- 5 -
2-3 介電質材料的透明度…………………………………………- 6 -
2-4 薄膜的形成……………………………………………………- 8 -
2-5 end-Hall離子源………………………………………………- 14 -
2-6 化學分析電子能譜儀………………………………………..- 16 -
第三章 實驗儀器與量測裝置…………………………………….- 22 -
3-1 真空系統……………………………………………………..- 22 -
3-2 熱電阻加熱裝置……………………………………………..- 23 -
3-3 離子輔助系統………………………………………………..- 24 -
3-4 石英監控器…………………………………………………..- 26 -
3-5 平板探針……………………………………………………..- 27 -
3-6 Varian Cary 5E光譜儀……………………………………….- 28 -
3-7 PE-2000型FT-IR紅外線光譜儀……………………………- 30 -
3-8 包絡法………………………………………………………..- 32 -
3-9 原子力顯微鏡………………………………………………..- 34 -
3-10 化學分析影像能譜儀………………………………………- 36 -
第四章 實驗結果與討論………………………………………….- 39 -
4-1 實驗參數……………………………………………………..- 39 -
4-2 實驗步驟……………………………………………………..- 40 -
4-3 穿透光譜之分析……………………………………………..- 42 -
4-4 折射率與消光係數之分析…………………………………..- 44 -
4-5 原子力顯微鏡數據分析……………………………………..- 46 -
4-6 水汽吸收分析………………………………………………..- 50 -
4-7 XPS數據分析………………………………………………- 50 -
第五章 結論 ……………………………………………………….- 67 -
參考資料…………………………………………………………... - 69 -



圖目錄
圖2-1-1 紫外光光源分類圖………………………………………- 4 -
圖2-2-1 不同厚度fused silica的穿透率…………………………- 5 -
圖2-3-1 一般光學薄膜材料之穿透率光譜圖……………………- 8 -
圖2-4-1 吸附能曲線………………………………………………- 9 -
圖2-4-2 薄膜的成核過程………………………………………..- 10 -
圖2-4-3 球帽型的原子…………………………………………..- 11 -
圖2-4-4 原子團的總自由能與尺寸關係圖……………………..- 12 -
圖2-4-5 薄膜的生長過程………………………………………..- 13 -
圖2-5-1 end-Hall離子源工作示意圖……………………………- 15 -
圖 2-6-1 XPS光電子激發示意圖………………………………..- 18 -
圖 2-6-2 ESCA和ASE光電子激發圖…………………………..- 19 -
圖 2-6-3 XPS架設簡易圖………………………………………...- 20 -
圖3-1-1 真空系統配置……………………………………………- 22 -
圖3-1-2 真空腔配置………………………………………………- 23 -
圖3-3-1 離子源輔助裝置示意……………………………………- 25 -
圖3-5-1 平板探針構造示意圖……………………………………- 27 -
圖3-6-1 Cary 5E光譜儀的系統設計幾何圖……………………..- 28 -
圖3-7-1 FT-IR麥克遜干涉儀光路圖……………………………..- 31 -
圖3-8 1 包絡線與穿透光譜曲線圖………………………………- 33 -
圖3-9-1 AFM工作示意圖…………………………………………- 34 -
圖3-9-2 原子間相互作用力與距離之關係關係圖………………- 35 -
圖 3-10-1 台灣大學貴儀中心化學分析影像能譜儀……………- 37 -
圖4-3-1 使用SF6為工作氣體時不同電壓之穿透光譜圖………- 43 -
圖4-3-2使用不同工作氣體鍍製MgF2薄膜穿透光譜圖……….- 44 -
圖4-5-1 未加IAD之MgF2薄膜樣品AFM圖…………………- 47 -
圖4-5-2 使用Ar為工作氣體鍍製的MgF2薄膜AFM圖………- 48 -
圖4-5-3 使用SF6為工作氣體鍍製的MgF2薄膜AFM圖………- 49 -
圖4-7-1 本實驗三種樣品之FTIR光譜圖……………………….- 50 -
圖4-8-1 SF6與Ar的XPS全能譜圖……………………………..- 52 -
圖4-8-2 各樣品的O元素XPS能譜圖………………………….- 53 -
圖4-8-3 各樣品的C元素XPS能譜圖………………………….- 53 -
圖 4-8-4各樣品的F元素XPS能譜圖…………………………..- 54 -
圖 4-8-5各樣品的Mg元素XPS能譜圖…………………………- 54 -
圖 4-8-6 SF6樣品中S元素的XPS能譜圖……………………….- 55 -
圖4-8-7 Ar樣品中Ar元素的XPS能譜圖………………………- 55 -
圖4-8-8 SF6與Ar的XPS全能譜圖(shift)……………………..- 60 -
圖4-8-9 將全能譜圖針對C訊號做放大圖………………………- 61 -
圖4-8-10 各樣品的O元素XPS能譜圖(shift)…………………..- 63 -
圖4-8-11 各樣品的C元素XPS能譜圖(shift)………………….- 63 -
圖4-8-12 各樣品的F元素XPS能譜圖(shift)…………………..- 65 -
圖4-8-13 各樣品的Mg元素XPS能譜圖(shift)…………………- 66 -






















表目錄
表1-1 F 和Mg 的電子組態……………………………………...- 3 -
表2-1 fused silica的特性………………………………………….- 6 -
表2-2 本實驗會使用到的敏感因子表………………………….- 21 -
表4-1 實驗工作參數…………………………………………….- 39 -
表4-2改變伏特數暨工作氣體樣品之n、k值數值表…………- 45 -
表4-3 不同電壓所對應的電流密度表………………………….- 46 -
表4-4 使用不同工作氣體的樣品之AFM量測………………...- 49 -
表4-5 XPS實驗參數……………………………………………..- 51 -
表4-6 SF6樣品的各元素含量…………………………………....- 56 -
表4-7 Ar樣品的各元素含量…………………………………….- 56 -
表4-8 no-IAD樣品的各元素含量……………………………….- 57 -
表4-9 樣品的各元素含量暨F、O與Mg之比例……………...- 57 -
表4-10 歸一化數據………………………………………………- 59 -
表 4-11 實驗中所討論元素及化合物的Binding Energy……….- 60 -

[1] 林冠廷,“以end-Hall離子源輔助熱蒸鍍氟化鎂紫外光薄膜之研究”,私立輔仁大學物理系碩士論文,1-3 (2005).
[2] 陳進賢,“end-Hall離子源輔助熱蒸鍍MgF2之研究”,私立輔仁
大學物理系碩士論文,1-3 (2004).
[3] F. Rainer, W. H. Lowdermilk, D. Milam, C. K. Carniglia, T. T.Hart, and T. L. Lichtenstein, “Materials for optical coatings in the ultraviolet”, Appl. Opt. 24, 496-500 (1985).
[4] 童啟弘,“離子輔助熱蒸鍍紫外光學薄膜之研究”,國立中央大學
光電所碩士論文,1-2 (2002).
[5] J. M. Siqueiros, R. Machorro, and L. E. Regalado, “Determination of
the optical constants of MgF2 and ZnS from spectrophotometric
measurements and the classical oscillator method”, Appl. Opt.
27, .2550-2556 (1988).
[6] M.W. Williams, R. A. MacRae, and E. T. Arakawa, “Optical
Properties of Magnesium Fluoride in the Vacuum Ultraviolet”, J.
Appl. Phys. 38, 1701-1705 (1967).
[7] P. H. Joosten, J. H. P. Heller, H. J. P. Nabben, H. A. M. van Hal,
and T. J. A. Popma,“Optical thin layers of MgF2 produced by
decomposition of organic magnesium-fluoro compounds”, Appl. Opt.
24, 2674-2678 (1985).
[8] P. J. Martin, W. G. Sainty, R. P. Netterfield, D. R. McKenzie, D. J.H.
Cockayne, S. H. Sie, O. R. Wood, and H. G. Craighead, “Influence of ion assistance on the optical properties of MgF2”, Appl. Opt. 26, 1235-1239 (1987).
[9] S. M. Etzel, A. H. Rose, and C. M. Wang, “Dispersion of the
temperature dependence of the retardance in SiO2 and MgF2”, Appl.
Opt. 39, 5796-5801 (2000).
[10] Y. Tsou and F. C. Ho, “Optical properties of hafnia and
coevaporated afnia:magnesium fluoride thinfilms”, Appl. Opt. 35,
5091-5094 (1996).
[11] L. B. Lapson and J. G. Timothy, “Channel electron multipliers:
detection efficiencies with opaque MgF2 photocathodes at XUV
wavelengths ”, Appl. Opt. 15, 1218-1221 (1976).
[12] 李正中, 薄膜光學與鍍膜技術 (藝軒圖書出版社, 台北,1999).
[13] V. Chandrasekharan and H. Damany, “Dispersion of Quartz in the
Vacuum Ultraviolet from Interference in a Thin Parallel Plate”,
Appl. Opt. 7, 687-688 (1968).
[14] 顧培夫, 薄膜技術 (浙江大學出版社, 1990).
[15] 姜志偉,“end-Hall型離子源之研製”, 私立輔仁大學物理系碩
士論文,23-26 (1994).
[16] H. R. Kaufman and R. S. Robinson, Operation of Broad-Beam
Source (Commonwealth Scientific Corporation, 1987)
[17] 佚名,”激光光譜學與電子光譜學”,
<http://www.nsfz.cn/ywj/wll/swfw/Print.asp?ArticleID=959>
[18] “全反射X-光螢光分析儀”
<http://elearning.stut.edu.tw/caster/3/no4/4-3.htm>
[19]清華大學教學軟件庫,”電子能譜分析的應用”,
<http://www.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/08/09/001/01/00001/10_other/ 10_2_5.htm>
[20] J. F. Moulder, W. F. Stickle, P. E. Sobol, and K. D. Bomben,
Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, (Physical
Electronics, Inc.1995).
[21] 陳進賢,“end-Hall離子源輔助熱蒸鍍MgF2之研究”,私立輔
仁大學物理系碩士論文,19-20 (2004).
[22] 陳進賢,“end-Hall離子源輔助熱蒸鍍MgF2之研究”, 私立輔
仁大學物理系碩士論文,27-30 (2004).
[23] 黃惠鈺,“以紅外光反射光譜來研究低矽鈣鋁矽氧化物玻璃之結
構”, 私立輔仁大學物理系碩士論文, 21-26 (2003)。
[24] 陳進賢,“end-Hall離子源輔助熱蒸鍍MgF2之研究”, 私立輔
仁大學物理系碩士論文,32-33 (2004).
[25] 台灣大學貴儀中心, “ESCA的使用注意事項”,
<http://www.hic.ch.ntu.edu.tw/>