以離子束濺鍍法製作低損耗薄膜應用於雷射干涉重力波偵測儀之高反射鏡製程準備

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研究生：	黃文正 Huang, Wen Jeng
論文名稱：	以離子束濺鍍法製作低損耗薄膜應用於雷射干涉重力波偵測儀之高反射鏡製程準備 Preparation of the ion beam sputter coater for coating the low loss thin films in LIGO mirror application
指導教授：	趙煦 Chao, Shiuh
口試委員:	趙煦 Chao, Shiuh 李正中 Lee, Cheng-Chung 唐謙仁 Tang, Chien-jen 陳至信 Chen, Jyh- Shin
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 光電工程研究所 Institute of Photonics Technologies
論文出版年：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	中文
論文頁數：	111
中文關鍵詞：	離子束濺鍍系統、奈米膜層、二氧化鈦、機械損耗、熱擾動
外文關鍵詞：	ion beam sputter, nano layer, TiO2, mechanical, thermal noise
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製作LIGO (雷射干涉重力波偵測組織)高反射鏡有二大要求。一、在波長1064nm具有低吸收、低散射的光學損耗特性。二、薄膜材料本身須具備低機械損耗的特性。由於機械損耗來源主要是薄膜材料分子行布郎運動所產生的熱擾動所致，因此降低熱擾動有二種方法。一、選擇熱擾動較小的薄膜材料製作高反射鏡。二、利用每層40nm以下TiO2與SiO2多層堆疊的nano layer結構去取代單層1/4λ Ta2O5/Sio2高反射鏡中Ta2O5 膜層，除了能維持原來高反射的光學特性外，同時也能降低熱擾動。

該離子濺鍍機已經由本實驗室在鍍製低損耗光學混合膜之雷射反射鏡研究中，證驗了低吸收、低散射的薄膜特性。然而目前此濺鍍機卻已故障而停置許久，因此必須將離子束濺鍍機台(Ion-Beam Sputter)重置，以期能夠製鍍低損耗的二氧化鈦與二氧化矽薄膜，並且控制鍍率製作四種nano layer結構來驗證厚度之精準控制。論文內容包含重置離子束濺鍍機台所遭遇的各種問題以及解決方法，以確保日後進行nano layer製程之穩定性，並且完成了二氧化鈦與二氧化矽薄膜沉積分布、折射率與消光係數及鍍率之量測。量測過程中，發現二氧化鈦薄膜在膜厚125nm以上薄膜表面出現孔洞，因此進行一系列觀察與探討。最後透過三層、七層、十五層、十九層nano layer結構的製程，了解所能掌握厚度的範圍，在三層結構中，TiO2 厚度42.56nm SiO2厚度42.15nm，其TiO2 誤差在2%以內SiO2誤差則在6.6%以內，至於七層、十五層、十九層nano layer在SiO2 皆已超過10%之誤差，需再予以修正。

目錄
摘要---------------------------------------------------------------Ⅰ
誌謝---------------------------------------------------------------Ⅱ
目錄---------------------------------------------------------------Ⅲ
圖目錄-------------------------------------------------------------Ⅷ
表目錄-----------------------------------------------------------ⅩⅠ
CH1 緒論
      1-1 研究動機與目的--------------------------------------------1   
1-2 論文架構--------------------------------------------------3

CH2離子束濺鍍系統------------------------------------------------- 4
     2-1 離子束濺鍍機結構與幾何位置--------------------------------4
      2-2 離子束濺鍍系統操作流程與說明------------------------------7
      2-3 系統維護與改善--------------------------------------------8
2-3-1 冷卻水路與工作氣體管路----------------------------8
             2-3-1-1冰水機水路系統與維護-------------------- 8
             2-3-1-2 疑難排解--------------------------------9
             2-3-1-3 工作氣體管路系統------------------------9
             2-3-1-4 氣體管路測漏、更換與淨化(purge)方法-----10
            2-3-2 機械幫浦與冷凍幫浦-------------------------------11
                    2-3-2-1 機械幫浦與冷凍幫浦保養-----------------11
                    2-3-2-2 疑難排解-------------------------------12
2-3-3 閥門與真空計-------------------------------------12
             2-3-3-1 主要閥門拆裝與保養方法及注意事項-------12
             2-3-3-2 疑難排解-------------------------------13
           2-3-3-3 真空計拆裝與保養方法-------------------13
            2-3-4 離子源與電源供應器-------------------------------14
                    2-3-4-1 離子源架構與置具安裝流程---------------14
                    2-3-4-2燈絲折繞方法與安裝流程----------------- 16
                    2-3-4-3 Beam current 遭遇問題與解決方法--------16
                    2-3-4-4 Discharge current 遭遇問題與解決方法----17
                    2-3-4-5離子源打火(arcing)遭遇問題與解決方法--- 17
            2-3-5 靶材---------------------------------------------18
                    2-3-5-1 靶材研磨與貼合(Bonding)----------------18
                    2-3-5-2 靶材的更換安裝步驟---------------------19
            2-3-6 石英膜厚監控器-----------------------------------19
                    2-3-6-1 工作原理與注意事項---------------------19
                    2-3-6-2 疑難排解-------------------------------19
                    2-3-6-3 石英振盪器量測誤差分析-----------------20
2-3-7氣體流量控制器----------------------------------- 21
             2-3-7-1 工作原理與注意事項---------------------21
             2-3-7-2 疑難排解-------------------------------22
    
CH3 單層二氧化鈦與二氧化矽薄膜製程與量測--------------------------22
3-1 單層薄膜特性量測流程與方法-------------------------------22
3-2 量測儀器介紹---------------------------------------------24
         3-2-1 表面輪廓儀---------------------------------------24
         3-2-2 光譜儀-------------------------------------------25
         3-2-3 橢圓儀-------------------------------------------28
3-3二氧化鈦薄膜製程與特性量測------------------------------- 29
         3-3-1 二氧化鈦製程方法與製程參數-----------------------29
3-3-2 二氧化鈦薄膜沉積分布量測結果---------------------31
         3-3-3 二氧化鈦折射率與消光係數量測---------------------32
                 3-3-3-1 二氧化鈦厚度125nm以上光譜儀量測結果---32
                 3-3-3-2 二氧化鈦厚度125nm以下橢圓儀量測結果---34
3-3-4二氧化鈦鍍率量測結果----------------------------- 38                                                                 
3-4 二氧化矽薄膜製程與特性量測-------------------------------38
         3-4-1 二氧化矽製程方法與製程參數-----------------------38
         3-4-2 二氧化矽薄膜沉積分布量測結果---------------------40
         3-4-3 二氧化矽折射率與消光係數量測結果-----------------41
         3-4-4 二氧化矽鍍率量測結果-----------------------------43
3-5結果與討論----------------------------------------------- 44

CH4 二氧化鈦表面孔洞化研究----------------------------------------46
      4-1量測儀器介紹--------------------------------------------- 46
            4-1-1 AFM簡介-----------------------------------------46
            4-1-2 SEM簡介------------------------------------------47
            4-1-3 XRD簡介-----------------------------------------47
      4-2薄膜表面孔洞與膜厚關係----------------------------------- 48
            4-2-1 光學顯微鏡觀察薄膜沉積於玻璃基板之表面變化情形---48           4-2-2 SEM觀察薄膜沉積於玻璃基板之表面變化情形----------50
            4-2-3 AFM觀察薄膜沉積於玻璃基板之表面變化情形---------52
      4-3孔洞在不同基板上(已長熱氧化層之矽基板)的影響與比較------- 57
            4-3-1 SEM觀察薄膜沉積於矽基板之表面變化情形------------57
            4-3-2 AFM觀察薄膜沉積於矽基板之表面變化情形------------58
            4-3-3 薄膜沉積於玻璃基板與矽基板生長情形之比較---------63
      4-4薄膜表面孔洞與結晶相關係--------------------------------- 65
            4-4-1 XRD觀察薄膜結晶相之變化-------------------------65
            4-4-2 TEM觀察薄膜結晶晶粒-----------------------------66
   4-5結果與討論----------------------------------------------- 70

CH5 TiO2/SiO2  nano layer疊堆厚度控制------------------------------- 71
      5-1 TiO2/SiO2  nano layer製作與量測流程-----------------------71
      5-2 量測儀器介紹---------------------------------------------72
             5-2-1 聚焦離子束(FIB)簡介-----------------------------72
             5-2-2 穿透式電子顯微鏡(TEM)簡介----------------------72
      5-3 TiO2/SiO2 nano layer 疊堆厚度控制測試--------------------73
             5-3-1 TiO2/SiO2 nano layer設計與製程-------------------73
             5-3-2 FIB製作TEM試片---------------------------------75
             5-3-3 TEM量測nano layer------------------------------77                    5-3-3-1三層nano layern量測結果----------------- 77
                   5-3-3-2 七層nano layer量測結果------------------80
                   5-3-3-3 十五層nano layer量測結果----------------82
                   5-3-3-4 十九層nano layer量測結果----------------83
      5-4結果與討論----------------------------------------------- 86

CH6 結論與未來發展方向--------------------------------------------87

附錄  
1.冷凍幫浦熱氮再生步驟 --------------------------------------------89
2. 離子束濺鍍操作步驟----------------------------------------------92
3.1離子源清潔、保養步驟------------------------------------------- 98
3.2離子源置具校正流程--------------------------------------------107
4.鎢絲折繞流程、安裝步驟------------------------------------------107
5.水冷靶架更換流程------------------------------------------------108
6.全域真空計清潔、安裝流程----------------------------------------108
7.各項儀器保養注意事項--------------------------------------------109
8.相關廠商聯絡方式------------------------------------------------110
參考文獻----------------------------------------------------------111

                                

參考文獻

[1] I. W. Martin, ”Studies of materials for use in future interferometric gravitational wave detectors, ” Ph.D thesis, University of Glasgow, 13-26 (2009).
[2] LIGO Scientific Collaboration, ”Instrument science White Paper,” LIGO Doucument, LIGO-T1100309-v5, 7 (2011).
[3] G. M. Harry, T. Bodiya, R. DeSalvo, “Optical Coatings and Thermal Noise in Precision Measurements,” Cambridge University, 1 edition, chapter 12, 217-219 (2012).
[4] R. Swanpoel, J. Phys. E16, 1214 (1983).
[5] 汪建民,”材料分析,”國家圖書館,16-19,215-216（2009）。
[6] 李正中,”薄膜光學與鍍膜技術,”第六版,藝軒出版社,305-310 (2009)。
[7] 唐謙仁,”離子束濺鍍Ta2O5-TiO2與Ta2O5-SiO2混合膜之特性研究,”國立中央大學光電科學研究所博士論文,58-62,109 (2006)。
[8] 吳永企,”射頻離子束濺鍍(TiO2)x(Ta2O5)1-x 混合膜之特性，”國立中央大學光電科學研究所碩士論文，28-30 (2006)。
[9] 趙素慧，”CdS/TiO2 複合中空球製備與光催化效能之研究，”逢甲大學材料與製造工程化學工程組碩士班碩士論文,68 (2006)。
[10] Ion TECH, inc., ”ION SOURCE 2.5cm MANUAL,” 圖 2 (1978).
[11] M. Horprathum, P. Chindaudom, P. Limnonthakul, P. Eiamchai, N. Nuntawong, V. Patthanasettakul, A. Pokaipisit, and P. Limsuwan,”Dynamic in situspectroscopic ellipsometric study in inhomogeneous TiO2 thin-film growth,” Journal of applied physics 108, 013522, 7-8 (2010).
[12] 王文祥,”具低損耗之光學混合膜及雷射反射鏡的研究,”,國立清華大學電機工程學系博士論文,1-2,39-41(1999)。

全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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