研究方向 研究簡介研究方向 硬質薄膜透明導電膜其他功能性薄膜CIGS太陽能電池燃料電池鋰電池銀合金生質碳研究計畫 |
隨著現代加工業的進步和金屬切削工藝的發展，日益苛刻乃至極端惡劣的服役條件對刀具、工具和模具等的性能和壽命提出了越來越高的要求，如超高的硬度、耐磨性、耐熱性、足够的韌性、强度和壽命等。表面塗層是實現上述要求的經濟有效實用的方法，在刀具、工具和模具中獲得了普遍的應用。但隨著服役條件的日益苛刻，常用的TiN、TiC、CrN等單一塗層由於硬度、熱穩定性、韌性、結合强度較差和內應力較大等原因，在許多情况下已經不能滿足需要，而性能更爲優越的多元合金氮化物應運而生。多元合金氮化物既可有效延長切削刀具的使用壽命，又能發揮其超硬、强韌、耐磨、自潤滑的優勢，同時多層膜的可設計性等可大大提高刀具、工具和模具等在現代加工過程中的耐用度和適應性。當今，材料按需設計、對服役性能的精確控制已成爲先進材料發展的必然趨勢。而除了傳統的切削工具、模具及機械零組件等，硬膜也逐漸進入電子、光電、航太、機密機械、生醫等高科技領域。 多年來本實驗室研究重點在開發傳統及多元硬質薄膜，進而開發多功能之薄膜與其應用之可行性。 1. 傳統硬質薄膜 左圖為利用磁控濺鍍系統鍍著多層薄膜於不銹鋼基材上之剖面穿透式電子顯微鏡照片，由內層至外層共七層，分別為Ti（26 nm）、TiCN（173 nm）、Ti（43 nm）、TiCN（191 nm）、Ti（36 nm）、TiN（262 nm）及 TiC（271 nm），總膜厚約1 μm，其中以 Ti 層作為中介層（Interlayer），以降低鍍層與鍍層間之內應力。而右圖為TiO2/TiN奈米級多層薄膜剖面圖。  圖中為利用電弧沉積系統鍍著CrN薄膜於不銹鋼基材上之剖面穿透式電子顯微鏡照片
2. 特殊結構多元合金薄膜 TiVCr三元合金薄膜具有結晶相(BCC)與非晶相共存之結構，其非晶相具有平滑的表面，而結晶像則呈現三角錐之形貌。圖為TiVCr合金薄膜微結構與相對應繞射圖。 |
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 3. 高熵超硬質氮化物薄膜 高熵合金是由多個主元素所構成，具有較高的熵，其結構與性質皆迴異於傳統合金，深具有學術研究及工業應用發展的豐富潛力，為台灣極少數能夠居於領先地位的項目。圖為(TiVCrZHf)N薄膜微結構與相對應繞射圖，其硬度高達48 GPa。  由於抗氧化性也是評估硬質薄膜應用重要的性質，本研究群也探討在不同大氣退火溫度下(TiVCrZrHf)N薄膜的氧化阻抗和結構變化。利用TEM觀察發現，(TiVCrZrHf)N薄膜成長初期為一非晶結構，隨著鍍膜時間的增加，逐漸成長型成FCC晶面的柱狀晶結構，同時會有嚴重的晶格扭曲和殘留應力存在。綜合EPMA、XRD、SEM和TEM的分析，薄膜在退火溫度400 oC下發生氧化，到600 oC接近完全氧化，並在500 oC下發現氧化層為一非晶結構，且偏向在表面形成氧化物。然而，隨著退火溫度達600 oC，薄膜會形成六方晶的ZrTiO4相，當退火溫度達700 oC，斜方晶ZrTiO4會分解單斜晶ZrO2和TiO2 (rutile)。退火溫度提高，表面的氧化層厚度增加，並形成鬆散及含有許多孔洞殘留的結構，因此，由於形成鬆散結構的氧化層，薄膜的物理性質受到損害，使(TiVCrZrHf)N薄膜硬度值降至2 GPa而電阻提高至100 Ω-cm。在此茲列出經過400 oC和600 oC退火後(TiVCrZrHf)N薄膜的TEM影像。   4. 擴散阻障層 隨著積體電路朝向高積集度與高傳輸速率的目標發展，金屬導線寬度及間距不斷縮小，造成嚴重之電阻電容延遲 (RC Delay) 效應。降低電阻電容延遲效應主要有兩個改善方法：(1) 使用低電阻率 (Resistivity) 金屬導線材料，以增加訊號傳遞速度，(2) 使用低介電常數 (Dielectric Constant) 材料介電層，以降低寄生電容；其中在金屬導線材料方面，銅因電阻率較鋁為低 (Cu: 1.67 μΩ-cm; Al: 2.66 μΩ-cm)、且抗電遷移能力亦較佳，因此逐漸取代鋁而成為現今最重要的金屬內連線材料。然而由於銅原子擴散係數高，一旦銅擴散至矽元件中，極易造成元件特性退化，因此需要於銅導線與介電層之間加入有效之擴散阻障層，以提升元件之電性可靠度；理想的擴散阻障層需具備低電阻率以及優良之界面附著性、階梯 覆蓋能力、熱穩定性與機械特性。 在擴散阻障層材料發展上，早期多使用單一過渡金屬氮化物，如TaN、TiN、及MoN等，此類材料中，TiN因易形成柱狀晶結構、晶界為快速擴散路徑，而TaN與MoN則因電阻值偏高會增加電阻電容延遲效應，這些缺點使得單一元素氮化物阻障層的應用受到限制。 在擴散阻障層材料發展上，早期多使用單一過渡金屬氮化物，如TaN、TiN、及MoN等，此類材料中，TiN因易形成柱狀晶結構、晶界為快速擴散路徑，而TaN與MoN則因電阻值偏高會增加電阻電容延遲效應，這些缺點使得單一元素氮化物阻障層的應用受到限制。近年來，擴散阻障層材料的研究不再侷限於單一元素氮化物，多元氮化物逐漸變成研究的重點之一。 本實驗室利用射頻磁控濺鍍沉積(TiVCr)N和(TiVCrZrHf)N多元薄膜之擴散阻障性質分析之研究發現，多元氮化物熱穩定性極佳，並可在800°C高溫退火後仍保持其結構，且厚度僅10 nm之薄膜即可在800°C下成功阻擋銅矽交互擴散，具有相當優異之擴散阻障能力，如下圖所示。   5. 裝飾型節能薄膜 裝飾鍍膜的目的主要是為了改善工件的外觀耐用性能和色澤不同的要求使工件更耐磨耐腐性延長其使用壽命；另方面主要應用五金行業的各種領域，如門窗五金、工具、衛浴五金等行業。節能鍍層能有效隔絕太陽光紅外線，即高效隔熱，使室內覺得涼爽，節省室內冷氣費用支出。 下圖為不同濺鍍功率所製備之(TiZrHf)N薄膜，是一種多功能用途之鍍層。  |
