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高功率脈衝磁控與射頻系統共濺鍍Cr-W-N膜之研究

為了解決耐磨係數700的問題，作者吳承恩 這樣論述：

本研究使用高功率脈衝磁控濺鍍系統搭配鉻(Cr)靶與鎢(W)靶通入氬氣與氮氣沉積氮化鉻鎢(Cr–W–N)鍍膜於矽晶片(100)、不鏽鋼(SUS420)及碳化鎢(WC)基材上，觀察顯微結構、機械性質與抗氧化性質，研究Cr–W–N鍍膜應用於玻璃模造保護層。透過顯微結構、電性分析判斷應用於擴散阻障層之可行性。3吋鉻靶(純度99.99%)濺鍍功率固定500 W，改變2吋鎢靶(純度99.95%)的RF電源功率由0至100 W，在氣體總流量30 sccm下改變N2/(N2+Ar)比為0.1、0.2、0.3、0.4，鎢靶功率從0到100 W，研究不同氮含量與鎢含量對Cr–W–N鍍膜的顯微結構及機械性質的影響

。在N2/(N2+Ar)比例0.2及靶材功率50 W下給予20 V及40V的負偏壓，透過改變偏壓方式(持續偏壓、同步偏壓、延遲偏壓)研究不同偏壓模式對Cr–W–N鍍膜的顯微結構及機械性質的影響。由X光繞射儀發現當N2/(N2+Ar)在0.2以下鍍膜相結構為六方晶結構Cr2N(111)，當N2/(N2+Ar)比例≥0.3時轉為面心立方CrN (111)與(200)，實驗結果顯示製程隨鎢靶功率從0上升到100 W 使鍍膜鎢含量從0增加至10 at.%，硬度從15.4上升至22.4 GPa，表面粗糙度從1.42上升至2.56 nm。以快速退火爐在氮氣環境下從270 ℃至580 ℃做熱循環測試，並在5

80 ℃停留60秒以模擬玻璃模造的作業環境。實驗結果顯示經熱循環退火後鍍膜表面產生氧化層使鍍膜硬度下降，Cr56W10N34鍍膜經20個循環後硬度從22.4 GPa降至18.01 GPa，表面粗糙度從2.56 nm增加至5.16 nm。偏壓模式對Cr-W-N鍍膜殘留應力有明顯的影響，持續施加偏壓-40 V測得殘留應力為-1.61 GPa，當偏壓同步HIPIMS時殘留應力減小至-0.22 GPa，偏壓延遲50 μs觸發時殘留應力近一步減小至-0.03 GPa。在矽晶片上濺鍍厚度100 nm的Cr–W–N鍍膜，並在上方沉積100 nm的銅，在高真空環境(5×10-6 torr)退火500 ℃至65

0 ℃，使用四點探針(FPP)、X光繞射儀(XRD)及奈米級歐傑電子(AES)研究Cr–W–N鍍膜作為擴散阻障層的能力，結果顯示在退火650 ℃後，銅並未擴散至Cr–W–N鍍膜與矽基板產生銅矽化合物。

氮化鋁鉻硼硬質薄膜之機械性質與磨潤性能

為了解決耐磨係數700的問題，作者鍾承熹 這樣論述：

過渡金屬氮化物硬質薄膜，如CrN、AlCrN及AlTiN等薄膜，由於其具有高強度、硬度、耐磨耗及熱穩定性等優異之機械性質。本研究中使用陰極電弧蒸鍍技術(CAE)使用鋁鉻(AlCr)、三元鋁鉻硼(AlCrB)、三元鋁鉻矽(AlCrSi)合金靶材鍍製氮化鋁鉻(AlCrN)、氮化鋁鉻硼(AlCrBN)及氮化鋁鉻矽(AlCrSiN)薄膜，利用CrN當作介層可有效提升薄膜與基材的附著強度。接著將AlCrN、AlCrBN及AlCrSiN薄膜進行不同溫度之高溫氧化(溫度分別為700℃、800℃及900℃)後觀察其抗氧化性及熱穩定性。　　藉由場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)及高解析穿透式掃描電子顯微鏡(

HR-TEM)觀察其薄膜微結構，利用電場發射槍電子微探儀(EPMA)測量元素成分分析，利用X光繞射分析儀(XRD)觀察薄膜之晶體結構、結晶相分析及殘留應力，利用二次離子質譜儀(SIMS)判別氧化層厚度，再利用化學分析電子能譜儀(ESCA)判別氧化物。機械性質分析先利用洛氏壓痕試驗機以及刮痕試驗機評估薄膜與基材之間的附著性能，接著透過微克氏壓痕試驗機及奈米壓痕試驗機測量薄膜硬度值及彈性係數，並透過球對盤磨耗試驗機(ball-on-disk)觀察薄膜耐磨性能。　　根據實驗結果顯示AlCrBN薄膜及AlCrSiN薄膜皆為fcc B1-NaCl而藉由SEM觀察薄膜結構更可發現AlCrBN及AlCrSi

N薄膜為奈米晶結構與非晶結構組成之奈米複合薄膜，B及Si元素具有效抑制晶粒成長導致晶粒細化形成緻密結構，因有效阻礙差排移動，從而獲得高硬度(30~31GPa)及優異耐磨性。透過X光繞射峰計算晶粒尺寸可發現AlCrN薄膜因加入B及Si元素會使晶粒細化形成緻密結構，因此O不會沿著晶界滲透和發生氧化反應，故在高溫氧化退火下之AlCrBN薄膜具有較低之磨耗率(5.17x10-8 mm3/Nm)，而AlCrBN及AlCrSiN薄膜經高溫氧化後能維持一定硬度(27~29GPa)，故在高溫氧化退火下之AlCrBN薄膜仍然維持優良機械性質，具有優異熱穩定性，也有較好的附著性。