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研究生： 陳立威
論文名稱： 鋁合金及氮化鈦表面與水氣作用之分析
指導教授： 陳俊榮
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 107
中文關鍵詞： 鋁合金 、氮化鈦 、水氣 、表面
外文關鍵詞： TiN
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    • 本文利用二次離子質譜術(SIMS)以及殘留氣體分析法探討鋁合
    金受同步輻射光照射下與水氣之作用，探討在曝入大量水氣的鋁合金
    表面受光照射後組成變化，並藉由鍍膜氮化鈦樣品隔絕水氣與鋁合金
    表面之作用，了解照光時水氣分壓下降之機制。
    SIMS 表面分析結果顯示，鋁合金曝光後，表面之水氣、氧化物
    及氫氧化物訊號為增加現象；氮化鈦樣品曝光後，表面水氣些微減
    少，氧化物些微增加，但現象並不明顯。而曝光時之殘留氣體分析結
    果顯示，鋁合金樣品在照光時曝光腔內水氣分壓呈現下降趨勢，而氧
    氣分壓上升，但氮化鈦樣品在照光時曝光腔內水氣分壓呈現上升趨
    勢，但氧氣訊號不明顯。本文綜合結果顯示鋁合金曝光時，真空腔內
    水氣分壓下降之機制，是以鋁合金表面之氧化層為主要場所，其機制
    牽涉到吸水作用、產生氧化物作用以及產生氧氣作用等過程。

    中文摘要……………………………………………………………………………I 誌 謝………………………………………………………………………...…II 目 錄………………………………………………………………………..…III 表 目 錄…………………………………………….………………………….…IV 圖 目 錄………………………………………………………………………...…V 第一章 前言……………………………………………………………………1 第二章 原理……………………………………………………………………5 2.1 光子引發釋氣…………………………………………………………5 2.2 二次離子質譜儀………………………………………………………7 2.2.1 離子槍…………………………………………………………….8 2.2.2 質譜儀…………………………………………………………….8 2.3 拉賽福背向散射………………………………………………………9 第三章 實驗系統與方法……………………………………………………..12 3.1 實驗系統………………………………………………………….…12 3.1.1 前端區……………………………………………………………12 3.1.1.1 光吸收器………………………………………………….…13 3.1.1.2 重金屬輻射遮蔽器……………………………………….…13 3.1.1.3 快速關閉閥門…………………………………………….…13 3.1.1.4 抽氣系統………………………………………………….…13 3.1.2 光束線區…………………………………………………………14 3.1.2.1 光孔…………………………………………………….……14 3.1.2.2 X-Y 狹縫……………………………………………….……14 3.1.2.3 冷卻水………………………………………………….……14 3.1.2.4 抽氣系統……………………………………………….……14 -- 3.1.3 實驗站……………………………………………………………15 3.1.3.1 樣品準備腔………………………………………………….15 3.1.3.1.1 真空系統…………………………………………………15 3.1.3.1.2 樣品微調及傳送機構……………………………………16 3.1.3.1.3 陶瓷管……………………………………………………16 3.1.3.1.4 殘餘氣體分析儀…………………………………………16 3.1.3.1.5 氣導阻塊…………………………………………………16 3.1.3.1.6 鋁合金樣品………………………………………………17 3.1.3.1.7 鍍氮化鈦的鋁合金樣品…………………………………17 3.1.3.2 曝光腔…………………………………………………….…18 3.1.3.2.1 真空系統…………………………………………………18 3.1.3.2.2 光束引出管………………………………………………19 3.1.3.2.3 二次離子質譜儀…………………………………………19 3.2 實驗方法與步驟………………………………………………………19 3.2.1 系統烘烤…………………………………………………..……20 3.2.2 氮化鈦樣品成分分析………………………………………..…20 3.2.3 二次離子質譜儀最佳化調整……………………………..……21 3.2.3.1 加強表面分析訊號…………………………………...……21 3.2.3.2 質量解析度調整……………………………………...……21 3.2.4 水氣純化、曝水…………………………………………..……21 3.2.5 樣品曝光…………………………………………………..……23 3.2.5.1 TiN 樣品曝光………………………………………………23 3.2.5.2 針對不同表面曝光…………………………………...……23 3.2.5.3 改變曝光時樣品偏壓………………………………...……24 3.2.5.4 改變光束引出管偏壓………………………………...……25 3.2.5.5 改變不同水氣濃度…………………………………...……26 3.2.6 SIMS 表面分析…………………………………………………27 -- 第四章 實驗結果…………………………………………………….….……29 4.1 TiN 樣品成分確認…………………………………………….….…29 4.2 二次離子質譜訊號調整…………………………………….………30 4.2.1 SIMS 訊號調整…………………………………….……….......30 4.2.2 誤差分析…………………………………….……….................30 4.2.2.1 實驗系統誤差…………………………………….………..31 4.2.2.2 統計誤差…………………………………….………..........31 4.3 光子引發釋氣……………………………………………….………32 4.4 不同樣品表面曝光之比較……………………………………….…32 4.4.1 曝光順序(Al→Al→TiN→TiN→Al→Al→TiN→TiN) ..…33 4.4.2 曝光順序(TiN→TiN→Al→Al→TiN→TiN→Al→Al) ..…34 4.5 改變樣品偏壓…………………………………………………….…35 4.5.1 鋁合金樣品…………………………………………..…………36 4.5.2 氮化鈦樣品…………………………………………..…………36 4.6 改變光束引出管電極偏壓…………………………………….……37 4.6.1 曝光TiN 樣品 光束引出管偏壓 0~800V……………….......... 37 4.6.2 曝光氮化鈦樣品 光束引出管偏壓600~0V……………………38 4.6.3 樣品正偏壓以及光束引出管負偏壓………………………....39 4.7 改變不同水氣濃度……………………………………….…………41 4.8 SIMS 表面分析結果…………………………………………...……44 4.8.1 鋁合金樣品………………………………………………..…....45 4.8.2 氮化鈦樣品…………………………………………………..…45 第五章 討論………………………………………………………………..…47 5.1 TiN 鍍膜隔絕水氣之效果…………………………………….....…47 5.1.1 隔絕水氣之現象...…………………………………………...…47 5.1.2 TiN 表面之變化...…………………………………………....…48 5.2 在光束引出管處造成水氣下降之作用比例…………………….…49 5.2.1 光束引出管偏壓及電流之影響……………………..…....……49 5.2.2 其他因素之影響程度..……………………………………....…50 -- 5.3 水氣與鋁合金之反應機制………………………………................ 51 第六章 結論………………………………………………………………..…53 參考文獻……………………………………………………......................55 附表……………………………………………………………………. …….......59 附圖…………………………………………………………………….……....…74 -- 表 目 錄 表3-1 鋁合金樣品臭氧水清洗程序……………………………………….59 表3-2 鋁合金樣品化學清洗程序…………………………... ……….……60 表3-3 樣品鍍氮化鈦步驟………………………………………………….61 表3-4 SIMS ion source 分析條件………………………………………….62 表3-5 改變樣品曝光位置之實驗步驟…………………………….………63 表3-6 SIMS 之實驗步驟……………………………………………...……64 表4-1 二次離子質譜實驗訊號誤差比較…………………………….……65 表4-2 鋁合金樣品與TiN鍍膜樣品之電流與光束引出管電流 …...……66 表4-3 曝光氮化鈦樣品時 量測樣品與光束引出管電流與吸收光電子之 比例……………………………………………. …………..........…67 表4-4 鋁合金樣品曝光前後負質譜比例…………………………………68 表4-5 鋁合金樣品曝光前後正質譜比例…………………………………69 表4-6 氮化鈦樣品曝光前後負質譜比例…………………………………70 表4-7 氮化鈦樣品曝光前後正質譜比例…………………………………71 表4-8 氮化鈦及鋁合金樣品曝光前後水、氧化物、氧、氫氧化物比例 …………………………………………………………………....…72 表5-1 曝光TiN 樣品改變樣品及光束引出管偏壓時所量測 樣品及光 束引出管電流及水氣變化情形……………………………………73 -- 圖 目 錄 圖2-1 EX05 型離子槍結構圖…………………………………………….74 圖2-2 四極式質量分析儀的結構示意圖…………..…. …………………75 圖3-1 前端區側視圖………………………………………………………76 圖3-2 光子引發釋氣系統側視圖………….………….. ………….…..….77 圖3-3 光子引發釋氣系統實驗站系統圖....................................................78 圖3-4 光束引出管結構圖.......…................……...........………………….…..79 圖3-5 樣品結構圖……………………………………………………….…80 圖3-6 樣品鍍氮化鈦區域……………………………………………….…81 圖3-7 樣品鍍氮化鈦系統……………………………………………….…82 圖3-8 氮化鈦樣品 RBS 分析示意圖……………………………………83 圖3-9 水氣純度質譜…………………………………………. ……...……84 圖3-10 光束引出管前端電極之接線示意圖………………………….……85 圖4-1 氮化鈦樣品 RBS 分析圖………………………………………….86 圖4-2 離子光學鏡結構圖………………………………………. …...……87 圖4-3 二次離子質譜訊號調整之負質譜…………………………….……88 圖4-4 二次離子質譜訊號調整之正質譜…………………………….……89 圖4-5 TiN 正質譜SIMS 誤差測試…………………………………..……90 圖4-6 氮化鈦和鋁合金樣品光子引發釋氣率隨光子累積劑量變化之比較 圖……………………………………………. …………………...…91 圖4-7 改變樣品曝光順序 (Al Al TiN TiN Al Al TiN TiN)，It、Isi 為樣品 及光束引出管之電流………………………………………...……. 92 圖4-8 改變樣品曝光順序 (TiN TiN Al Al TiN TiN Al Al )，It、Isi 為樣品 及光束引出管之電流………………………………………...……. 93 圖4-9 改變鋁合金樣品偏壓，Vt 及It 為樣品之偏壓及電流值…………94 圖4-10 改變氮化鈦樣品偏壓，Vt 及It 為樣品之偏壓及電流值…………95 -- 圖4-11 改變光束引出管偏壓對氮化鈦樣品曝光，光束引出管偏壓0~800V It 及Isi 為樣品及光束引出管之電流……………………….……96 圖4-12 改變光束引出管偏壓對氮化鈦樣品曝光，光束引出管偏壓600~0V It 及Isi 為樣品及光束引出管之電流……………………….……97 圖4-13 TiN 樣品曝光 樣品正負偏壓 光束引出管負正偏壓，Vt 及Vs 為 樣品及光束引出管偏壓 ，It 及Isi 為樣品及光束引出管之電流 ……………………………………………. ………………………98 圖4-14 鋁合金樣品曝光 樣品正負偏壓 光束引出管負正偏壓， Vt 及Vs 為樣品及光束引出管偏壓，It 及Isi 為樣品及光束引出管之電流 ……………………………………………. ………………………99 圖4-15 鋁合金曝水2.66mbar 樣品正負偏壓 光束引出管負正偏壓，Vt 及 Vs 為樣品及光束引出管偏壓，It 及Isi 為樣品及光束引出管之電 流..…………………………………………. ………………… ...100 圖4-16 TiN 曝水2.66mbar 樣品正負偏壓 光束引出管負正偏壓，Vt 及Vs 為樣品及光束引出管偏壓，It 及Isi 為樣品及光束引出管之電 流……………………………………………. ……………..……101 圖4-17 鋁合金曝水8mbar 樣品正負偏壓 光束引出管負正偏壓，Vt 及Vs 為樣品及光束引出管偏壓，It 及Isi 為樣品及光束引出管之電 流……………………………………………. ……………..……102 圖4-18 氮化鈦曝水mbar 樣品正負偏壓 光束引出管負正偏壓，Vt 及Vs 為樣品及光束引出管偏壓，It 及Isi 為樣品及光束引出管之電 流……………………………………………. ……………..……103 圖4-19 鋁合金樣品曝光前後負質譜………………. ……………………104 圖4-20 鋁合金樣品曝光前後正質譜………………………………..……105 圖4-21 氮化鈦樣品曝光前後負質譜………………………………..……106 圖4-22 氮化鈦樣品曝光前後正質譜……………. ………………………107

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