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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳澤民
研究生(外文):Tzu-Ming Wu
論文名稱:利用過濾式陰極電弧電漿沉積碳化鈦之合成與鑑定研究
論文名稱(外文):Synthesis and characterization of Titanium carbide by Filter Cathodic Arc Plasma
指導教授:施漢章
指導教授(外文):Han.C Shih
學位類別:碩士
校院名稱:中國文化大學
系所名稱:材料科學與奈米科技研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:過濾式陰極電弧碳化鈦
外文關鍵詞:FCADTiC
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本研究主要是利用過濾式陰極電弧(Filter Cathodic Arc Deposition, FCAD)沉積系統,其中具有附加過濾器來改善FCAD製程沉積微粒過大之缺點,在表面粗操度、鍍膜附著性與孔隙率有極大的改善,且鍍膜結構不變,又因孔隙率隨particle縮小而減少,使得鍍膜沉積速率降低。陰極電弧具有薄膜密度高、附著力強、沉積速度快,均勻性佳等優點,並藉由控制不同的偏壓及氣體流量製備出不同厚度之TiC膜。可減少時間及成本的增加,更可依不同的應用與需求,搭配不同的鍍膜種類與成分。
本實驗探討TiC膜,並觀察界面之微觀組織和特性。利用X光繞射分析儀分析得到在固定流率下,偏壓越大TiC 越明顯。以SEM觀察發現改變C2H2的流量變因下,發現隨著流量的增加,沈積速率逐漸的下降。在Raman光譜發現固定流量,偏壓-400V,效果最佳。XPS可以觀察到隨著基材偏壓的上升,TiC薄膜的鍵結能量一致地往低能偏移,碳碳鍵逐漸變多,同時造成試片硬度提升。AFM觀察得到在固定偏壓下增加C2H2流量,薄膜的表面粗糙度會隨之提升。
In this study, we use the Filter Cathodic Vacuum Arc Deposition System. Due to have Filter System, it can be improved to filter macro-particle. At surface roughness, plates the film adhering and has great improvement with the hole rate on the surface, and plate the film structure do not change, because hole rate reduce to dwindle with particle, it make to speed reduce of plate film. The Cathodic Arc will have film to be density high, adhesive force strong, fast to deposit speed, advantage such as being good of the homogeneity, and by controlling different bias voltage and flow of gas will get different thickness of TiC film. The process can reduce the increase of the time and cost, and it can depend on different application and demand even more, equally match different kind and composition of plating film.
The experiment discusses the TiC film, and observes micro-structure and characteristic of the interface. Utilize the X-Rays Diffraction analysis gets it under the regular flowing rate. If bias voltage is bigger, TiC intensity will be obvious. We used SEM to observe and discover when change C2H2 flow rate finding the increase with the flow, deposits speed would be slow down. We find the regular flow, and bias voltage -400V in Raman spectrum, the result is the best. XPS can observe the rising with the bias voltage of substrate, the binding energy of TiC film changes to low energy unanimously. The c-c bond becomes many gradually; cause the film of hardness to improve at the same time. At AFM observes and receives increasing C2H2 flow under the regular bias voltage. The roughness of surface of the film will be improved thereupon.
目錄
摘要 1
Abstract 2
謝誌 3
目錄 5
圖目錄 9
表目錄 12
第一章 研究動機 13
第二章 文獻回顧 14
2.1 碳化鈦的結構 14
2.2 碳化鈦薄膜之特性及應用 15
2.3 合成碳化鈦薄膜的方式 16
2.3.1 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD) 17
2.3.2 分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 18
2.3.3 脈衝雷射沉積法(Pulse Laser Deposition, PLD) 18
2.3.4 濺鍍沉積法(Direct Current & Radio Frequency) 19
2.4 本實驗採取過濾式陰極電弧電漿沉積系統之原因 19
第三章 實驗方法及實驗步驟 20
3.1 陰極電弧簡介 20
3.1.1陰極電弧沉積原理 21
3.1.2 鍍膜成長機制: 24
3.1.3 電漿與壓力之關係 25
3.1.4 真空電弧(Vacuum Arc) 26
3.1.5 電弧源(Arc Sources) 27
3.1.6微粒(Macroparticles) 29
3.1.7 靶座之外加磁場 30
3.1.8微粒過濾裝置(Macroparticles Filter) 30
3.2 實驗步驟與流程 32
3.2.1 試片準備 32
3.2.2 應用過濾式陰極電弧合成碳化鈦薄膜 32
3.2.3 實驗流程 37
3.2.4 實驗參數 38
3.3 分析儀器及其量測原理 39
3.3.1 掃瞄式電子顯微鏡(SEM) 39
3.3.2 拉曼特性光譜量測(Raman Spectroscopy) 40
3.3.2.1 拉曼光譜的測定方式 42
3.3.3化學分析電子儀分析(ESCA) 45
3.3.4 原子力顯微鏡特性分析(AFM) 47
3.3.4.1 探針與材料表面間的交互作用力 48
3.3.4.2 懸臂彎曲的量測 48
3.3.4.3 三種操作模式比較 49
3.3.5 X光繞射分析法(X-ray Diffraction) 50
3.3.6 奈米壓痕量測(Nano-indentation) 54
3.3.6.1 機械性質量測 54
3.3.6.2 硬度(Hardness) 55
3.3.6.3 奈米壓痕量測系統介紹 57
第四章 結果與討論 59
4.1 掃描式電子顯微鏡特性分析(SEM characterization) 59
4.2 拉曼光譜分析(Raman characterization) 62
4.2.1 拉曼光譜在研究類鑽碳膜之應用 62
4.2.2 應用FCVD 合成TiC之拉曼分析結果 69
4.3 X光光電子能譜分析(ESCA characterization) 71
4.4 原子力顯微鏡分析(AFM characterization) 75
4.5 低掠角X光繞射分析法(XRD characterization) 82
4.6 奈米硬度特性分析 (Nano-indentation characterization) 85
第五章 結論 90
第六章 未來工作 91
參考文獻 92


圖目錄
圖2.1 碳化鈦晶體結構 10
圖2.2 碳化鈦相圖 11
圖3.1 熔池的形成與轉移 19
圖3.2 真空電弧內陰極弧點之激發粒子種類示意圖 19
圖3.3 過濾式陰極電弧沉積系統之鍍膜成長機制 21
圖3.4 電漿溫度與壓力之關係圖 22
圖3.5 陰極電弧弧源 24
圖3.6 微粒夾雜於薄膜中 25
圖3.7 各種不同幾何形狀之過濾器型式 27
圖3.8.1 過濾式陰極電弧沉積系統(FCAD)示意圖 31
圖3.8.2 本實驗室採用的過濾式陰極真空電弧沉積系統 31
圖3.9 過濾器內部磁場之磁力分佈圖 32
圖3.10 實驗流程示意圖 33
圖3.11 場發射掃瞄式電子顯微鏡設備 36
圖3.12 拉曼散射機制示意圖 37
圖3.13 拉曼光譜四種安排的測定方式 39
圖3.14 光電子發生原理示意圖 42
圖3.15 Tapping mode AFM 掃描原理 46
圖3.16 X-ray原理示意圖 48
圖3.17 X-ray繞射之示意圖。 49
圖3.18 各種壓痕形狀所表示的各種曲線圖 51
圖3.19 針頭有校正與沒有校正的壓痕深度與硬度曲線圖樣品為 52
圖3.20 奈米壓痕機設備圖 54
圖4.1 偏壓-400V下,C2H2氣體流量30sccm時的SEM 斷面圖 56
圖4.2 固定C2H2流率 偏壓與沉積速率的關係圖 57
圖4.3 沒有偏壓的情況下 C2H2流率與沉積速率的關係圖 58
圖4.4 鑽石薄膜與石墨之拉曼光譜圖 59
圖4.5 E2g 振動模式 61
圖4.6 E2g 振動模式中 sp2 碳原子的相對振動情形示意圖 61
圖4.7 E1u 振動模式 62
圖4.8 A1g 振動模式 62
圖4.9 A1g 振動模式,因極化率會互相抵消示意圖 63
圖4.10 不同基材偏壓拉曼散射光譜圖 66
圖4.11 不同C2H2流速拉曼散射光譜圖 68
圖4.12 利用FCAD 系統成功合成出TiC薄膜之全區能譜圖 68
圖4.13 在不同偏壓下所合成碳化鈦薄膜之全區能譜圖 69
圖4.14 在不同流量下所合成碳化鈦薄膜之全區能譜圖 69
圖4.15 不同氣體流量下的碳原子中心能階圖譜 70
圖4.16 不同氣體流量下的鈦氮原子2p 能階圖譜 70
圖4.17 改變偏壓和其Rrms 關係 72
圖4.18-1 偏壓改變造成薄膜表面粗糙程度(平面圖) 73
圖4.18-2 偏壓改變造成薄膜表面粗糙程度(立體圖) 74
圖4.19 改變流量和其Rrms 關係 75
圖4.20-1 流量改變造成薄膜表面粗糙程度(平面圖) 76
圖4.20-2 流量改變造成薄膜表面粗糙程度(立體圖) 77
圖4.21 掠角X光繞射法的幾何關係示意圖 79
圖4.22 在固定流量下 改變偏壓所造成TiC強度變化 80
圖4.23 在固定偏壓下 改變流量所造成TiC強度變化 80
圖4.24 固定流量下 改變偏壓的負載位移關係圖 82
圖4.25 硬度與偏壓改變關係圖 83
圖4.26 固定偏壓下 改變C2H2流量的負載位移關係圖 84
圖4.27 硬度與氣體流量關係圖 85


表目錄
表2.1 碳化鈦之基本性質 11
表2.2 一些陶瓷材料的絕熱溫度(Tad)和熔點(Tm) 12
表2.3 薄膜形成方法 13
表3.1 實驗參數對照表 34
表3.2 拉曼散射遷移資料 40
表3.3 一般X-ray所使用金屬靶之波長 47
表4.1 固定C2H2流率 偏壓與沉積速率的相關數據對照表 56
表4.2 沒有偏壓的情況下 C2H2流率與沉積速率對照表 57
表4.3 改變偏壓和其Rrms 關係 71
表4.3 改變流量和其Rrms 關係 75
表4.5 為分析所得到的硬度與揚氏係數值 83
表4.6 為分析所得到的硬度與揚氏係數值 85
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