臺灣博碩士論文加值系統

本研究目的為利用電漿輔助化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ,PECVD)於聚酸碳酯(Polycarbonate ,PC)基板上沉積類鑽碳膜(Diamond Like Carbon ,DLC)，以期應用為光學保護膜。在PC基板上成長類鑽碳膜最適合之方法即為PECVD法，因為製程可在低溫下進行，防止製程溫度過高而使類鑽碳膜與PC基板剝落。
為了增加鍍層之附著力，將先在PC基板上沉積一層SiO2當作中間層，且選擇了有機矽烷化物(HMDSO)當進料物，主要是HMDSO含有Si、O成分，可能在成膜過程中生成類玻璃(Glass-like)結構，使薄膜具有透明性以及拉近與塑膠基板之間熱膨脹係數的差異。本實驗將針對在不同的反應氣體(CH4)濃度、不同基板偏壓以及不同矽摻雜濃度、電極距離等條件下對鍍層作拉曼光譜分析，進而探討G Band、D Band積分強度(ID/IG)比與鍍層表面粗糙度、硬度等機械性質之關係，且探討不同基板偏壓和中間層厚度對鍍層附著性之影響。
最後，我們將探討類鑽碳膜鍍在相變化光碟上的特性，針對類鑽碳膜的機械、光學和結構上的性質如何影響本實驗光碟片的表面、拉曼光譜、電氣訊號，利用原子力顯微鏡、UV-Vis光譜儀、商用燒錄機、碟片測試機來探討此微結構。實驗結果顯示非常適合在相變化光碟的表面鍍上類鑽碳膜以保護資料儲存。

The purpose of this research was to deposit the protective diamond-like carbon (DLC) films on polycarbonate substrates for optical applications. In this study, by using the PECVD method is the better way to deposit DLC film on polycarbonate substrates since the whole process were performed at low temperature to avoiding any degradation of the adhesion of DLC film on polycarbonate substrates occurred at high temperature.

In order to further increase the adhesion between the polycarbonate substrates and the DLC film, we deposited the SiO2 layer as an interlayer, and select HMDSO as precursor because it contain Si and O atoms. It is because that SiOx films that can be deposited from HMDSO/oxyzen feeds are relatively hard and against mechanical damages due to forming the glass-link structure. In addition, SiOx films are fully transparent in the UV range and decrease the difference of TCE ( thermal expansion coefficient) of PC and coating films. In experiments, it is preceded being focus on the analysis of Raman spectrum for the films grown at various CH4 gas fluxes, substrates bias voltages, Si-doping concentrations and the distance of electrode separation. The dependence of the intensity ratio of D-band and G-band ( ID/IG ) on the surface roughness, hardness and mechanical properties were investigated, and the adhesion of coating layer depends on the thickness of intermediate layer were studied under various substrate bias voltage.

At least, the properties of diamond-like carbon (DLC) film coatings on phase-change recording media were characterized by Raman spectroscopy, atomic force microscope (AFM), UV-visible spectrometer and disc testers. The dependence of mechanical, optical and structural properties of DLC films included the characteristics of surface roughness, hardness, transmittance and electrical signals of discs on serveral DLC film thicknesses were investigated. Our experimental results indicate that DLC films provide a suitable coating to protect PC substrate and make it no difference for data stored on phase-change optical discs.

目 錄
附表目錄………………………………………………��
附圖目錄………………………………………………����
第一章 緒論……………………………………………1
1-1 前言……………………………………………….1
1-2 研究目的與動機…………………………………………1
1-3 在塑膠上鍍膜的難處……………………..………2
1-4 摻雜矽的原因………………………..…………...4
1-5 中間層……………………………………..……….5
1-6 論文架構…………………………………………….6
第二章 類鑽碳膜………………………………………..7
2-1 文獻回顧……………………………………………7
2-1-1碳的同素異形體…….……………………………….7
2-1-2類鑽碳膜的發展………………………………………7
2-1-3類鑽碳膜在應用上的問題………………….…………8
2-2 類鑽碳理論…….…..…………………………9
2-2-1類鑽碳膜的定義…………..………………………….9
2-2-2類鑽碳膜的結構……………………………………..11
2-2-3類鑽碳膜的成長機制…………………………..……12
2-3 類鑽碳膜的優點…………………………………..15
第三章 電漿輔助化學氣相沉積法……………….17
3-1 電漿理論……………………………………….17
3-2 電漿對表面的效應……………………………19
3-2-1物理效應….………………………………………….19
3-2-2化學效應…………………………..………………...20
3-3 電漿輔助化學氣相沉積原理…….…………22
3-4 使用電漿鍍膜之優點……………………..23
第四章 實驗方法與步驟……………………………25
4-1 實驗流程……...………………………………25
4-2 系統設備…..……….…………………………25
4-3 實驗藥品與材料…..……………….…………26
4-3-1 基板材料………..………………..…………………26
4-3-2 實驗藥品及氣體………….…...……………………26
4-4 實驗步驟與參數設定…..………………..27
4-4-1基板前處理…..….…………..…….………………27
4-4-2實驗參數設定…….….………………………………27
4-4-3鍍層之沉積步驟…………………………………….28
4-5 鍍層之特性分析儀器與原理…………..29
4-5-1原子力顯微鏡……….…………………………….29
4-5-2拉曼光譜分析…….……..…………..……………29
4-5-3 硬度之量測………………….……………………31
4-5-4 鍍層附著性分析….….………..…………………32
第五章 實驗結果與討論…………………………35
5-1 甲烷流量對鍍層之影響………………………..35
5-2 基板偏壓對鍍層之影響………….……………36
5-3 矽摻雜濃度對鍍層之影響………..………….37
5-4 電極距離對鍍層之影響…………..………….38
5-5 鍍層之附著性分析……….……………..……38
5-5-1 基板偏壓與附著性之關係.…..…….………..….38
5-5-2 中間層與附著性之關係.………………..……….39
第六章 類鑽碳膜在相變化光碟之應用………….40
6-1 簡介……………….………….…..…………40
6-2 樣品成長設備與條件…………………………41
6-3 分析儀器……………….….………………..41
6-4 實驗結果與討論..………..……………..42
6-4-1表面粗糙度與類鑽碳膜厚度的關係…….......….42
6-4-2光學穿透率與類鑽碳膜厚度的關係..…………...43
6-4-3一次寫錄電氣訊號與實驗光碟片的關係.........44
6-4-4多次寫錄電氣訊號與實驗光碟片的關係……..45
6-4-5 耐鹼測試與附著力測試結….………...………45
6-5結語…………..…….………………..46
第七章 結論………...…………………………47
參考文獻………………………………………96
附 表 目 錄
表1-1 PC材質鏡片與傳統玻璃、樹酯鏡片之比較….............................49
表2-1 鑽石、石墨與類鑽碳膜之性質比較……...…….………………..50
表2-2 各種不同結構之類鑽碳膜特性比較……….……...….………….51
表2-3 類鑽碳膜的一般應用.............….…………………..…………….52
表6-1 類鑽碳膜於圖6-1(a)之L及圖6-1(b)之D的厚度與樣品編
號………………………………………………………………….53
表6-2 樣品在類鑽碳膜於不同種類碟片的讀取波長…...…...…………54
表6-3 實驗多層膜結構經過一般商用燒錄機記錄前及記錄後一次由CD-CATS 所測得的訊號………….……...……………….………55
附 圖 目 錄
圖 2-1 鑽石與石墨之結晶結構……………………………………56
圖 2-2 非晶質含氫類鑽碳膜結構示意圖……..…………………….57
圖2-3 DLC性質的界定…………………..……..……………….58
圖 2-4 非晶質含氫類鑽碳膜的三元相圖……...…………………59
圖2-5 RCN模型結構………….…………………………………60
圖2-6 DG模型結構………………………….………………….61
圖 2-7電漿中反應成介穩態物質的活化能示意圖………………62
圖2-8 結晶碳的自由能對體積示意圖…….…….……………..63
圖2-9 碳離子進入非晶質類鑽碳膜的表面穿透機制示意圖……64
圖2-10 非晶質類鑽碳膜的成長機制示意圖……………..………..……..65
圖3-1高能粒子轟擊表面所可能產生的現象……………………66
圖3-2 電漿反應系統示意圖……………………..….…………….67
圖4-1 實驗流程圖………………………….…….……………….68
圖4-2 PECVD系統結構圖……………………………………………69
圖4-3 ID/IG與類鑽碳膜石墨群大小之關係………..………………70
圖 4-4 奈米壓痕典型的荷重－位移曲線…………….………………71
圖 4-5 鍍層的破壞模式示意圖…………….…………………….…..72
圖5-1 不同CH4流量鍍層之AFM表面形態圖………….………..73
圖5-2 不同CH4流量類鑽碳膜之拉曼頻譜圖……..……………74
圖5-3 CH4流量與ID/IG之關係圖………….…………………..75
圖5-4 CH4流量與硬度之關係圖…………..……………………76
圖5-5 不同基板偏壓類鑽碳膜之AFM表面形態圖……………77
圖5-6 不同基板偏壓類鑽碳膜之拉曼頻譜圖…………………78
圖5-7 基板偏壓與ID/IG之關係圖……………….…………….79
圖5-8 基板偏壓與硬度之關係圖………………………………..80
圖5-9 ID/IG與硬度之關係圖………………………………..81
圖5-10不同Si摻雜濃度與ID/IG之關係圖………….……….……82
圖5-11 不同電極距離下鍍層之拉曼頻譜圖………..………………..83
圖5-12 電極距離與ID/IG之關係圖…………………………………84
圖5-13 基板偏壓與臨界荷重之關係圖………………………………..85
圖 5-14 在經刮痕試驗後，由光學顯微鏡觀察所得到的結果
（a）bias＝-100 V（b）bias＝-200 V（c）bias＝-300 V
（d）bias＝-400 V（e）bias＝-500 .........................….86
圖5-15 中間層厚度與附著性(S)之關係圖………..………………..87
圖 6-1 本實驗光碟片的結構(a) 預先壓刻好溝軌的塑膠基板上之
多膜層結構(b) 相同的類鑽碳膜的厚度D 在沒有壓刻溝
軌的塑膠基板……………….………………………….88
圖 6-2 沉積在相變化光碟上的類鑽碳膜表面之原子力顯微鏡的
圖像(a)L1 (b)L2 (c)L3 (d)L4……….………….89
圖 6-3 表面方均根粗糙度與類鑽碳膜厚度之關係圖………..........90
圖 6-4 以樣品D0為基底所量測到樣品D1~D4的光學穿透率(%)………91
圖 6-5 樣品D0至D4的拉曼光譜圖……………………....…………92
圖6-6 樣品D1~D4之G-line 及D-line 的峰值位置及其積分強度
ID/IG值……………………………..………………93
圖 6-7 由CD-CATS 碟片測器所量得反射率與類鑽碳膜厚度的
關係………………………………………………….94
圖 6-8 實驗光碟片重覆燒寫的實驗數據(1,5,10,100,500,1000
次)………………………………………..…………….95

參 考 文 獻
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