(3.230.154.160) 您好!臺灣時間:2021/05/07 18:20
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果

詳目顯示:::

: 
twitterline
研究生:陳裕文
研究生(外文):Wu-Wen Chen
論文名稱:陰極電弧電漿蒸鍍Ti-Si-C薄膜之製程與性質研究
論文名稱(外文):Synthesis and characterizations of Ti-Si-C film by cathodic arc plasma evaporation
指導教授:張奇龍張奇龍引用關係
指導教授(外文):Chi-Lung Chang
學位類別:碩士
校院名稱:明道大學
系所名稱:材料科學與工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:150
中文關鍵詞:陰極電弧電漿蒸鍍
外文關鍵詞:cathodic arc deposition
相關次數:
  • 被引用被引用:2
  • 點閱點閱:315
  • 評分評分:系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔
  • 下載下載:46
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本實驗使用鈦矽合金靶材,利用陰極電弧電漿蒸鍍Ti-Si-C薄膜,藉由調整乙炔的流量,而改變Ti-Si-C薄膜之碳含量。薄膜之成份含量研究使用電子微探儀(EPMA),利用X光繞射儀(XRD)描繪出晶體結構。硬度與殘留應力分別使用維克氏硬度機以及基材繞曲量測法(Stoney's equation)。碳含量的變化與乙炔流量成ㄧ函數關係,碳含量的變化也影響Ti-Si-C薄膜的結構與機械性質。實驗結果顯示,隨著碳含量的增加,晶粒尺寸減小,而硬度值隨之提升;此結果表示當乙炔流量增加,薄膜會有較高的硬度值。Ti-Si-C薄膜的結構分析可以得到一些共存的相,如面心立方體氯化鈉之碳化鈦(fcc NaCl TiC)結構,鈦金屬(α-Ti or β-Ti),還有碳化矽結構以及碳的非晶結構。
In this work, Ti-Si-C coatings were produced by reactive cathodic arc deposition from TiSi alloy target at different C2H2 flow ratios onto cemented carbide substrates. The composition of the films was investigated by Electron Probe Micro-Analysis (EPMA), while structure was characterized using a X-ray diffractometer. The hardness and residual stress were studied using depth-sensing indentation and substrate deflection measurements (using Stoney's equation), respectively. Plots of carbon contents as a function of the C2H2 flow ratios showed the structure and mechanical properties of the coatings depend strongly on their carbon content. Experimental results showed that both the carbon content increases and grain size decrease with the increase of the C2H2 flow ratios, results in hardness increased. This indicates that higher hardness can be enhanced by increasing the C2H2 flow ratios. Structural analysis revealed the possibility of the coexistence of different phases in the prepared films, namely a sub-stoichiometric fcc NaCl-type TiC structure, a Ti metallic phase (α-Ti or β-Ti), and silicon carbide in the amorphous phase
摘要 I
Abstract II
總目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1薄膜沉積技術 3
2.1.1 PVD物理氣相沉積【4】 6
2.1.2 物理氣相沉積鍍膜之結構區模型【29-30】 9
2.2 陰極電弧沉積技術與原理【4,14-17】 12
2.2.1 陰極電弧沉積法(Cathodic Arc Evaporation,CAE) 14
2.2.2 真空電弧的產生【15-17,24-25】 16
2.2.3 陰極點(Cathodic Spot)【27-28】 18
2.2.4 微粒的生成和影響 21
2.2.5 電弧源種類【36-41】 22
2.2.6 輝光放電 24
2.2.7 離子轟擊效應【43】 27
2.3 薄膜殘留應力【44】 29
2.4 影響鍍膜品質的因素 30
2.5 TiC文獻回顧 33
2.6 SiC 文獻回顧 33
2.6 Ti3SiC2文獻回顧 34
2.7 Ti-Si-C三元系薄膜文獻回顧 37
2.8 類鑽碳薄膜 38
第三章 實驗方法 40
3.1 實驗流程圖 41
3.2 實驗設備 42
3.3 材料選擇 44
3.3.1 試片準備 44
3.3.2 試片清洗 45
3.4 陰極電弧電漿鍍膜製程設計和規劃 46
3.4.1 膜層設計與製程參數 46
3.4.2 操作程序 48
3.5 分析方法 49
3.5.1 場發射掃描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electronic Microscope,FE-SEM) 49
3.5.2 能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)【67】 51
3.5.3 XRD(X-ray diffract meter) 53
3.5.4磨耗分析 55
3.5.5表面粗糙度之表示法【71】 59
3.5.6腐蝕試驗【73】 60
3.5.7化學電子光譜儀分析(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis ESCA) 64
3.5.8維氏硬度【75】 66
3.5.9 TGA / DSC【77】 69
3.5.10電子探測光顯微分析(EPMA) 【76】 71
3.5.11四點探針【78】 73
第四章 結果與討論 75
4.1 表面形貌分析 76
4.1.1 表面微觀組織與表面粗糙度 76
4.1.2 斷面組織形貌觀察 80
4.2 薄膜結構特性分析 84
4.2.1 X-ray繞射分析 84
4.2.2 EPMA元素定量分析 86
4.2.3 ESCA表面分析 89
4.3 Ti-Si-C薄膜之物理性質測試 97
4.3.1磨耗分析 97
4.3.2 四點探針量測 113
4.4.3 維氏硬度量測 115
4.4.4 洛氏硬度量測 117
4.4 Ti-Si-C薄膜之化學性質分析 119
4.4.1薄膜電化學極化曲線分析 119
4.4.2 TGA/DSC 124
第五章 結論 128
第六章 未來展望 130參考文獻 131
圖目錄
圖 2.1 薄膜運用與製程設計 3
圖 2.2 薄膜製造方法 4
圖 2.3 薄膜成長機制 5
圖 2.4 PVD鍍膜技術(a)離子槍(Ion Gun) 6
圖 2.4 PVD鍍膜技術(b)離子束輔助濺射沉積(Ion assisted sputtering) 7
圖 2.4 PVD鍍膜技術(c)磁控濺射沉積(Magnetic sputtering) 7
圖 2.4 PVD鍍膜技術(d)脈衝雷射輔助沉積(Pulsed laser deposition;PLD) 7
圖 2.4 PVD鍍膜技術(e)電漿輔助沉積(Plasma assited deposition) 8
圖 2.5 J.A.Thornton物理氣相沉積之鍍膜結構模型 11
圖 2.6 R.Messier溫度與偏壓對結構區模型的影響 11
圖 2.7 陰極電弧源示意圖 13
圖 2.8 常用元素電弧放電特性圖 17
圖 2.9 真空陰極電弧示意圖 19
圖 2.10 微粒產生過程 19
圖 2.11 (a)電弧蝕刻靶材表面形貌 (b)微坑粒射出情形 (c)微粒形貌 20
圖 2.12 使用磁控與否的電弧模式陰極點之運動軌跡示意圖(a)Random Arc(b)
Steered Arc 23
圖 2.13 輝光放電示意圖 26
圖 2.14 轟擊能量對結構影響(a)能量過大,打掉鍵結(b)能量適中,沉積表
面(c)能量太小,離子彈回 27
圖 2.14 薄膜殘餘應力: (a) 壓應力 (b) 張應力 29
圖 2.15 Ti3SiC2晶體結構 34
圖 2.16 MAX phase示意圖 36
圖 2.17 各種MAX phase薄膜在550℃中的摩擦係數 36
圖 2.18 Ti-Si-C三相圖 37
圖 3.1 實驗流程圖 41
圖 3.2 陰極電弧蒸鍍系統示意圖 42
圖 3.3 陰極電弧系統設備 43
圖 3.4 試片前處理程序圖 45
圖 3.5 膜層設計 46
圖 3.6 FESEM電子槍入射示意圖 50
圖 3.7 X射線能量散佈分析儀的結構示意圖 52
圖 3.8 X-ray建設性干涉示意圖 53
圖 3.9 磨耗設備示意圖 55
圖 3.10 常見的四種磨耗型態示意圖 (a) 黏著磨耗;(b) 研磨磨耗;
(c) 疲勞磨耗;(d) 化學磨耗 58
圖 3.11 表面輪廓包含了粗糙度曲線與波浪起伏的曲線 59
圖 3.12 裝置構造圖 60
圖 3.13 典型的極化曲線 61
圖 3.14 維克氏硬度機 67
圖 3.15 熱重分析儀(METTLER TOLEDO TGA/DSC1 ) 70
圖 3.16 四點探針示意圖 74
圖 4.1 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜表面形貌圖(X2000) 78
圖 4.2 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜之表面形貌圖(X5000) 79
圖 4.3(A) 基材為碳化鎢之Ti-Si-C斷面形貌圖(S3) 81
圖 4.3(B) 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜斷面形貌圖(X50000) 82
圖 4.4 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜沉積速率與表面粗糙度關係圖 83
圖 4.5 乙炔流量在15 sccm(S2)與35 sccm(S5)下合成之Ti-Si-C薄膜斷面形貌圖         
(X250000) 83
圖 4.6 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜XRD低掠角繞射圖譜 85
圖 4.7 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜鈦、矽、碳元素原子百分比 87
圖 4.8 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜在三元相圖中的落點 88
圖 4.9 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜XPS分析全能譜圖 90
圖 4.10 不同乙炔流量下合成之Ti-Si-C薄膜(a)Ti2p3/2、(b)Si2p、(c)C1s化學鍵結
能譜圖 91
圖 4.11(a~f) 不同乙炔流量下合成之Ti-Si-C薄膜之Ti2p化學鍵結能譜分鋒分析
92
圖 4.12(a~f) 不同乙炔流量下合成之Ti-Si-C薄膜之Si2p化學鍵結能譜分鋒分析
93
圖 4.13(a~f) 不同乙炔流量下合成之Ti-Si-C薄膜之C1s化學鍵結能譜分鋒分析
94
圖 4.14 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜與鉻球進行磨耗試驗之摩擦係數
曲線 99
圖 4.15(a~f) Ti-Si-C薄膜與鉻球進行磨耗試驗之SEM與EDS 100
圖 4.16 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜與碳化鎢球進行磨耗試驗之摩擦
係數曲線 106
圖 4.17(a~f) Ti-Si-C薄膜與碳化鎢球進行磨耗試驗之SEM與EDS 107
圖 4.18 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜之片電阻值曲線 114
圖 4.19 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜與TiN、(Ti,Si)N、(Ti,Si)CN、
TiC薄膜之片電阻值比較 114
圖 4.20 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜之維氏硬度值曲線 116
圖 4.21 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜之TiC(2 2 0)晶粒大小與校正硬度
關係圖 116
圖 4.22 不同乙炔流量下合成之Ti-Si-C薄膜洛氏壓痕光學顯微鏡圖 118
圖 4.23 VDI3198規範壓痕 118
圖 4.24 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜極化曲線 121
圖 4.25 不同乙炔流量下合成之Ti-Si-C薄膜SEM表面圖 122
圖4.26 不同乙炔流量下合成之Ti-Si-C薄膜腐蝕阻抗與腐蝕電流密度 123
圖4.27(a~f) Ti-Si-C薄膜之TGA/DSC曲線 125








表目錄
表 2.1物理氣相沉積優缺點比較 8
表 3.1 製程參數表 47
表 3.2 實驗參數表 47
表 4.1 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜平均表面粗糙度 77
表 4.2 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C膜層厚度 81
表 4.3 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜化學計量比 87
表 4.4 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜之Ti2p化學鍵結能譜中TiSi2、
TiC、TiO2鍵結比例 95
表 4.5 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜之Si2p化學鍵結能譜中TiSi2、
SiOx、SiC鍵結比例 95
表 4.6 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜之C1s化學鍵結能譜中TiC、SiC、
C-C鍵結比例 96
表 4.7 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜極化數據表 121
表 4.8 不同乙炔流量下所合成之Ti-Si-C薄膜腐蝕阻抗值 123
【1】蘇葵陽、張良謙,『實用電鍍理論與實務』,富文書局,1986
【2】J. Robertson, Materials Science and Engineering, R37 (2002) 129
【3】薄膜工程學 全華科技圖書(2004).1-7~1-8
【4】真空技術與運用,13 (2002) 350
【5】金屬工業研究發展中心,1998,模具處理手冊,高雄市
【6】姚舜暉,『Effect of PVD Ceramic Thin Films on Wear & Fatigue Performances』,國立成功大學,博士論文
【7】N. K. Sharma, W. S. Williams & R. Gottschall,『Thin Solid Films』,P.45,1977
【8】G. Meier zu Kocker, K-H. Habig,1996,『Influence of different production』
【9】Surface & coating Tcchology,『parameters on the functional behavior of tools & parts after coating』,vol.88,pp.294~304
【10】陳寶清,『真空表面處理工程』,傳勝出版社,1992
【11】Yucong Wang,『A study of PVD coating & die materials for extended die-coating die life』,Surface & coating Technology,vol.94~95,pp.60~63
【12】J. A. Thornton, J.Vac.Sci. Technol.1974,P.666
【13】R. Messier, J.Vac.Sci. Technol.1984,P.500
【14】莊達人,VLSI製造技術,高立圖書有限公司,p183~185,87年
【15】真空技術與應用 (2003). 350-450
【16】張奇龍,非平衡磁控濺射沉積含金屬類鑽碳膜之特性研究,中興大學材料工程學系博士論文,(2001)
【17】Andres Gary, Society of vacuum 20 (2000)
【18】洪志穎 以陰極電弧沉積TiAlN/CrN多層膜機械性質研究 明道管理學院材料暨系統工程研究所 (2005)
【19】A. A Voevodin, J. M. Schneider, C. Caperaa, P. Stevenson & A. MATTHEWS,『Characterisation of a Saddle Field Source for Deposition of Diamond-like Carbon Films』, ceranmcs international 22, 1996
【20】李玉華,『應用在硬膜蒸鍍上之陰極弧光技術』,科儀新知第十八卷,第38-43頁
【21】賴冠仁,『冷陰極電弧電漿沉積之製程技術原理』,科儀新知第十六卷五期,第83-94頁
【22】江政忠、蔡春鴻、陳至信、鄭銘湖,『濺鍍製程薄膜均勻性的研究』,真空科技第十三卷二期,第59-63頁
【23】許世昌,『電弧離子鍍膜技術之概論』,工業材料120期,民國八十五年十二月,第53-57頁
【24】http://en.wikipedia.org/wiki/Diamond
【25】Sheeja D, Wear, 249 (5-6) (2001) 433
【26】真空技術與應用(2003).419~427
【27】F. Vaz, L. Rebouta, B. Almeida, P. Goudeau, J. Pacaud, J. P. Riviere and J. Bessa e Sousa, Surface Coating Technology, 120-121 (1999) 166-172
【28】S. Veprek, P. Nesladek, A. Niederhofer, F. Glatz, M. Jilek, M. Sima, Surf. Coat. Technol. 108-109 (1998) 138
【29】薄膜科技與應用 全華科技圖書股份有限公司 (2005). 3-41
【30】Coating Tribology Properties,Techniques and Applications in Surface Engineering. (2002). Jone L, Vossen, Werner Kern, Thin Film processes, Princeton, New Jersey,(1978)
【31】張秉書,以非平衡磁控濺鍍法製備TiN硬質薄膜之研究,國立臺灣師範大學工業教育研究所,(2003)
【32】Löffler, F. H. W, Surface and Coatings Technology, 68-69 (1994) 729
【33】Kenneth Holmberg Allan Matthews, Coatings Tribology, 2(1994)
【34】趙浩勇、何主亮、陳克昌,表面技術雜誌,1995年153期P.75
【35】柯文賢,2003,『腐蝕及其防制』,全華科技圖書股份有限公司
【36】真空技術與應用 丁南宏 國家圖書館(2003). 423
【37】J. Koskinen, U. Ehrnst'en, A. Mahiout, R. Lahtinen, J.P. Hirvonen and S.P. Hannula, Surface & Coatings Technology, 62 (1993). 356
【38】K. Akari, H, Tamagaki, T. Kumakiri, K. Tsuji, E. S. Koh and C.N. Tai, Surface & Coatings Technology, 43-44 (1990).312
【39】D. M. Sanders, E. A. Pyle, Journal Vacuum Science Technology, A5, 4 (1987). 2728
【40】M. Nishibori, Surface & Coating Technology, 52 (1992).229
【41】E. Damond, P. Jacquot, E. Denisse, G. Dervieux, Workshop of B.M.I. in Metal Industrial Centre, Koashiung, (1992)
【42】Robert W. Berry, Peter M. Hall, Murray T. Harris,“Van Nostrand Reinhold", Thin Film Technology, (1980), 201.
【43】蘇青森,實用真空技術 (2003)
【44】材料分析 中國材料科學學會出版 (1998)
【45】楊勝裕 國立東華大學材料科學與工程研究所 (1999)
【46】Hard Materials,25,(2007),5223
【47】賴冠仁,真空技術與應用,國家實驗研究院儀器科技研究中心珠版,(2001)
【48】Haoling Jia , Zhonghua Zhanga, Zhen Qia, Guodong Liub, Xiufang Biana , Journal of Alloys and Compounds 472 (2009) 97–103
【49】Navin Chandra , Meenakshi Sharma, Deepesh Kumar Singh, S.S. Amritphale , Materials Letters 63 (2009) 1051–1053
【50】W. Jeitschko and H. Nowotny, “Die Kristallstructur von
Ti3SiC2 - Ein Neuer Komplexcarbid-Typ,” Monatash.Chem., 98
(1967) 329-37.
【51】T. Goto and T. Hirai, Mater. Res. Bull., 22 (1987) 1195-201.
【52】S. Arunajatesan and A. H. Carim, Mater. Lett., 20(1994) 319-24.
【53】Barsoum, Michel W., El-Raghy, Tamer, Advanced Materials & Processes, 08827958, Jul97, Vol. 152, Issue 1.
【54】J. Pphaseanczyk, T. Niemyski, L. Vinogradov and V. Sinelnikova, Szklo Ceram., 23 (1972); Chem. Abstr., 77,64084c.
【55】C. Racault, F. Langlais and R. Naslain, J. Mater. Sci., 29(1994) 3384-92.
【56】R. Pampuch, J. Lis, J. Piekarczyk and L. Stobierski, J. Mater. Synth. Process., 1 (1993) 93.
【57】M.W. Barsoum and T. El-Raghy, J. Am. Ceram. Soc., 79(7) (1996) 1953-56.
【58】Barsoum MW, El-Raghy T, Rawn C, PorterWD (1999)J. Phys. Chem. 60: 429.
【59】Naka M, Sakai H, Maeda M, Mori H (1997) Mater. Sci. Eng. A226-228: 774.
【60】Barsoum MW, Brodkin D, El-Raghy T (1997) Scripta Mater. 36: 535.
【61】M.W. Barsoum, T. El-Raghy, J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996) 1953.
【62】C. Racault, F. Langlais, R. Naslain, J. Mater. Sci. 29 (1994) 3384.
【63】T. El-Raghy, M.W. Barsoum, J. Am. Ceram. Soc. 82 (1999) 2849.
【64】T. El-Raghy, M.W. Barsoum, J. Am. Ceram. Soc. 82 (1999) 2855.
【65】S. Gupta a, D. Filimonov a,, T. Palanisamy b, M. W. Barsouma Wear 265 (2008) 560–565
【66】Y. Du, J. C. Schuster, H. J. Seifert and F. Aldinger, J. Am. Ceram. Soc., 83(1) (2000) 197-203.
【67】http://elearning.stut.edu.tw/caster/3/no7/7-2.htm
【68】K. Holmberg, A. Matthews, Coatings Tribology, Elsevier Science B.V., 1994.
【69】黃俐恬,陰極電弧沈積法披覆CrN/Cr(N, O)複合層之製程與特性研究,私立大同大學碩士論文,(2003)。
【70】余東曉,鋼材的氧化磨耗行為,國立台灣大學碩士論文,(2001)。
【71】http://cslin.auto.fcu.edu.tw/eleme/premea/lesson3-3-1.htm
【72】楊聰仁,腐蝕電化學分析
【73】N.G.Fontana, N.D.Greene, Corrosion Engineering, 3rd edition, McGraw-Hill, (1986).
【74】楊輝其,宋秉煒,李芷娟 全自動維氏硬度基準的研製,《現代計量測試》1998年第5期,7-13頁。
【75】國立屏東科技大學
【76】國立清華大學
【77】NCKU Micro-Nano Technology Center/Southern Region MEMS Center
【78】洪志穎 明道管理學院材料暨系統工程研究所 (2005).
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
系統版面圖檔 系統版面圖檔