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研究生： 翁志偉
Jhih-Wei Won
論文名稱： 以過濾式陰極真空電弧沉積系統合成非晶質碳氟膜及其鑑定之研究
Characterization and Synthesis of Fluorine Doped Amorphous Carbon Films by Filtered Cathodic Vacuum Arc System
指導教授： 施漢章
Han C. Shih
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 71
中文關鍵詞： 非晶質碳氟膜 、聚四氟乙烯 、過濾式陰極電弧 、奈米壓痕 、X光光電子能譜 、拉曼光譜 、原子力顯微鏡 、霍氏紅外線吸收光譜
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    • 近年來，非晶質碳氟膜(a-C:F films)被廣泛地研究，在於其能減低非晶質碳膜(a-C films)的表面能而能維持不錯的機械性質。增強材料表面的疏水性已經成為現代生物醫療用材料設計的一個發展方向。聚四氟乙烯(PTFE)塗層的醫療器具因為機械性質差且與基材結合力不牢固，而非晶質碳氟膜因為具有良好的生物相容性、抗細菌吸附、低摩擦係數、耐磨性和良好的化學惰性、低表面能、低介電常數等特質而引起人們廣泛的研究興趣。

    本研究採用過濾式陰極真空電弧沉積系統(FCVA)在n-type (100)矽單晶上合成固定直流偏壓下，不同流量的非晶質碳氟膜。並利用X光光電子能譜(XPS)及霍氏紅外線光譜(FTIR)分析薄膜結構可能的鍵結和計量F/C、利用拉曼光譜(Raman spectra)分析薄膜的石墨結構、薄膜的形貌觀察和表面粗糙度則是利用場發射掃描式電子顯微鏡(FESEM)及原子力顯微鏡(AFM)分析、使用奈米壓痕(Nano-indenter)量測薄膜的硬度和揚氏係數、採用液滴法(liquid drop method)量測薄膜與去離子水之間的接觸角來評價其疏水性質。

    本論文內容主要探討在固定直流偏壓-100V下，四氟化碳氣體流量分別為20、30、40sccm，沉積時間為4mins時所合成薄膜的結構及性質變化。由XPS及FTIR的分析可得之成功合成非晶質碳氟膜，由XPS和拉曼光譜分析結果可得知薄膜內部結構因為F的滲入，原本堅硬的三維網狀鍵結構造遭到破壞，另外由SEM可觀察到所合成的薄膜雖然表面仍有微粒存在，但大致還算平坦。由AFM觀察薄膜表面隨氣體流量增加而更加平坦緻密。由接觸角和奈米壓痕的分析得知所合成的非晶質碳氟膜接觸角很接近PTFE，且硬度也比PTFE高，因此將來有希望用來取代PTFE在生醫材料方面的應用。

    摘要.....................................................Ⅰ 致謝.....................................................Ⅱ 目錄.....................................................Ⅲ 第一章 文獻回顧..........................................1 1.1 類鑽碳膜介紹.......................................1 1.2 非晶質碳氟膜介紹...................................2 1.3 非晶質碳氟膜成膜機制...............................3 1.4 非晶質碳氟膜沉積方法...............................3 1.5 低介電材料應用.....................................5 1.6 生醫材料應用.......................................5 第二章 陰極真空電弧介紹...................................8 2.1 陰極電弧簡介.......................................8 2.2 陰極真空電弧沉積原理介紹...........................8 2.3 鍍膜成長機制......................................10 2.4 電漿與壓力的關係..................................11 2.5 真空電弧..........................................12 2.6 電弧源............................................12 2.7 電漿的輝光放電過程................................13 2.8 微粒..............................................14 2.9 靶座之外加磁場....................................15 2.10 微粒過濾裝置......................................15 第三章 實驗流程、製程與分析儀器..........................18 3.1 試片準備..........................................18 3.2 合成非晶質碳氟薄膜系統............................18 3.3 實驗流程..........................................23 3.4 實驗参數..........................................24 3.5 分析儀器與量測原理介紹............................25 3.5.1 霍氏紅外線吸收光譜儀...........................25 3.5.2 化學分析電子儀.................................26 3.5.3 拉曼光譜.......................................28 3.5.3.1 拉曼光譜儀原理............................28 3.5.3.2 拉曼光譜的測定方式........................29 3.5.4 原子力顯微鏡...................................30 3.5.4.1 探針與材料表面間的交互作用力..............31 3.5.4.2 懸臂彎曲的量測............................31 3.5.4.3 三種操作模式比較..........................31 3.5.5 場發射掃描式電子顯微鏡.........................33 3.5.6 接觸角量測儀...................................34 3.5.7 奈米壓痕量測...................................35 3.5.7.1 機械性質量測..............................35 3.5.7.2 硬度......................................36 3.5.7.3 奈米壓痕量測系統介紹......................37 3.5.8 X光繞射.......................................38 第四章 結果與討論........................................40 4.1 霍氏紅外線吸收光譜特性分析........................40 4.2 拉曼光譜特性分析..................................42 4.3 X光光電子能譜特性分析............................51 4.4 原子力顯微鏡特性分析..............................56 4.5 場發射掃描式電子顯微鏡特性分析....................58 4.6 接觸角特性分析....................................60 4.7 奈米壓痕特性分析..................................64 4.8 X光繞射特性分析..................................68 第五章 結論..............................................70 第六章 未來研究方向......................................71 参考文獻 第一章...............................................72 第二章...............................................73 第三章...............................................74 第四章...............................................74 圖目錄 圖1.1 類鑽碳膜三元相圖..............................................1 圖1.2 摻雜不同原子對類鑽膜表面性質影響..............................2 圖2.1 陰極真空電弧內陰極點的激發粒子種類示意圖......................9 圖2.2 過濾式陰極電弧沉積系統的鍍膜成長機制示意圖...................10 圖2.3 電漿溫度與壓力關係圖.........................................11 圖2.4 各種不同幾何形狀的過濾器型式.................................16 圖3.1 過濾式陰極真空電弧系統(FCVA)示意圖...........................20 圖3.2本實驗室採用的過濾式陰極真空電弧沉積系統......................21 圖3.3過濾器內部磁場的磁力分佈圖.....................................22 圖3.4 霍氏紅外線光譜儀。系統一，S1代表紅外光的輻射路徑，系統二，S2、系統三，S3分別代表雷射及白光干涉路徑...........................25 圖3.5 光電子發生原理示意圖.........................................27 圖3.6 拉曼散射機制示意圖...........................................29 圖3.7 拉曼光譜測定方式.............................................30 圖3.8 Tapping mode AFM掃描原理.....................................32 圖3.9 SEM構造示意圖...............................................33 圖3.10 接觸角量測儀................................................34 圖3.11 各種濕潤效果示意圖..........................................35 圖3.12 各種壓痕形狀所表示的各種曲線圖..............................35 圖3.13針頭有校正與沒有校正的壓痕深度與硬度曲線圖...................36 圖3.14 X光繞射原理示意圖...........................................38 圖4.1 不同CF4氣體流量下的FTIR吸收光譜圖..........................41 圖4.2 (a)、(b)、(c)、(d)鑽石薄膜(e)無定型碳及(f)石墨之拉曼光譜圖.......42 圖4.3 振動模式.................................................44 圖4.4 振動模式中，在同一石墨層中的 碳原子的相對振動情形示意圖...........................................................44 圖4.5 振動模式..................................................45 圖4.6 振動模式中，在同一石墨層中的 碳原子的相對振動情形示意圖...........................................................46 圖4.7 振動模式..................................................46 圖4.8 與類鑽膜中石墨群大小關係..................................48 圖4.9 在固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量之拉曼光譜分析........49 圖4.10 固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量下拉曼光譜高斯分峰示意圖 ...........................................................50 圖4.11 固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量下的XPS全能譜分析....51 圖4.12 直流偏壓-100V下，CF4氣體流量為40sccm時的C 1s core-level分峰..52 圖4.13 直流偏壓-100V下，CF4氣體流量為40sccm時的F 1s core-level分峰..53 圖4.14 固定偏壓-100V下，F/C比與不同CF4氣體流量關係................53 圖4.15 固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量下的C 1s core-level能譜...54 圖4.16 固定直流偏壓-100V下，不同四氟化碳氣體流量時利用C 1s core-level分峰結果估算出不同碳氟鍵結含量比例與四氟化碳氣體流量關係圖.....55 圖4.17 固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量的F 1s core-level能譜圖....56 圖4.18 固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量的AFM立體掃描影像與粗糙度分析.......................................................57 圖4.19 直流偏壓-100V，氣體流量30sccm時的SEM斷面圖................59 圖4.20 固定直流偏壓-100V下，薄膜沉積速率與CF4氣體流量關係圖........59 圖4.21 氣、液、固三相力平衡示意圖...................................60 圖4.22 固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量時的接觸角平視圖.......62 圖4.23 固定直流偏壓-100V下，所計算出不同的固體表面自由能與F/C比關係...........................................................63 圖4.24 壓痕實驗之負載-位移曲線.....................................65 圖4.25 固定直流偏壓-100V下，不同CF4氣體流量合成之碳氟膜之負載-位移曲線...........................................................66 圖4.26 固定直流偏壓-100V下，不同四氟化碳流量合成之碳氟膜的硬度與F/C關係.........................................................67 圖4.27 固定直流偏壓-100V下，不同四氟化碳流量合成之碳氟膜的揚氏係數與F/C關係圖...................................................68 表目錄 表4.1 FTIR中可能出現的碳氟官能基鍵結種類...........................40 表4.2 利用高斯分峰所得G peak position及 值......................49 表4.3 經計算所得F/C比.............................................53 表4.4 不同碳氟鍵結含量比例.........................................55 表4.5 不同氣體流量下粗糙度變化.....................................58 表4.6 氣體流量與膜厚、沉積速率.....................................59 表4.7 氣體流量與接觸角、表面能.....................................63 表4.8 氣體流量與硬度揚氏係數關係...................................67

    第一章
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    第二章
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    第三章
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    第四章
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