本計畫分三階段之分工及所需大型設備概述如下：

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1 九 十 四 年 度 技 專 校 院 發 展 學 校 重 點 特 色 專 案 計 畫 申 請 書 電 漿 技 術 於 綠 色 科 技 之 應 用 與 研 發 申 請 單 位 : 龍 華 科 技 大 學 計 畫 主 持 人 : 堤 井 信 力 教 授 計 畫 共 同 主 持 人 : 丁 鯤 教 授 計 畫 共 同 主 持 人 : 葛 自 祥 副 教 授 計 畫 聯 絡 人 : 葛 自 祥 副 教 授 中 華 民 國 九 十 四 年 六 月 二 十 九 日 1

2 壹 計 畫 名 稱 電 漿 技 術 於 綠 色 科 技 之 應 用 與 研 發 提 案 單 位 : 龍 華 科 技 大 學 工 程 學 院 依 據 ( 一 ) 教 育 部 92 年 10 月 27 日 台 技 ( 三 ) 字 第 號 函 九 十 三 年 度 教 育 部 獎 補 助 私 立 技 專 校 院 整 體 發 展 經 費 核 配 標 準 ( 二 )92 年 8 月 12~13 日 教 育 部 辦 理 全 國 技 職 教 育 會 議 結 論 ( 三 ) 教 育 部 92 年 11 月 28 日 研 商 九 十 三 年 度 技 專 校 院 發 展 學 校 重 點 特 色 專 案 計 畫 補 助 要 點 等 案 之 修 正 事 宜 會 議 決 議 事 項 計 畫 主 持 人 : 堤 井 信 力 工 程 學 院 講 座 教 授 計 畫 共 同 主 持 人 : 丁 鲲 工 程 技 術 研 究 所 教 授 兼 工 程 學 院 院 長 葛 自 祥 機 械 系 副 教 授 兼 學 務 長 2

3 貳 背 景 及 現 況 ( 含 學 校 中 程 校 務 發 展 計 畫 重 點 ) 一 計 畫 背 景 在 全 球 環 保 意 識 高 漲 的 趨 勢 下, 產 業 界 解 決 生 產 與 環 境 衝 擊 的 觀 念, 由 過 去 只 探 討 製 程 中 危 害 環 境 物 質 排 放 的 管 末 技 術 處 理 轉 換 成 源 頭 設 計 改 善 之 層 面, 並 進 一 步, 使 消 費 市 場 產 生 對 綠 色 產 品 之 要 求 在 此 趨 勢 之 下 綠 色 科 技 也 從 概 念 演 變 成 實 質 之 技 術 層 次, 並 且 逐 漸 形 以 綠 色 為 載 體 及 訴 求 的 產 業 我 們 應 該 更 正 式 的 去 面 對 綠 色 產 業 的 時 機 及 挑 戰 來 臨 了 再 第 七 屆 全 國 科 技 會 議 中, 綠 色 科 技 更 是 政 府 在 未 來 四 年 科 技 發 展 所 推 動 的 重 點 電 漿 科 技 在 材 料 科 學 與 製 造 技 術 等 方 面 的 發 展 已 有 相 當 多 年 歷 史, 為 一 基 礎 研 究 與 技 術 應 用 交 相 發 展 之 學 門 電 漿 技 術 之 應 用 係 利 用 電 漿 內 之 高 能 電 子 離 子 與 活 性 粒 子, 對 各 種 物 質 與 材 料 作 原 子 分 子 尺 寸 之 極 精 細 分 解 合 成 或 改 質, 其 應 用 範 圍 涵 蓋 高 效 率 電 漿 蝕 刻 與 化 學 / 物 理 氣 相 沉 積 之 高 品 質 薄 膜 成 長 生 醫 材 料 之 高 分 子 表 面 改 質 廢 棄 污 染 物 處 理 電 漿 焊 接 與 切 割 電 漿 電 視 與 核 融 合 等 不 勝 枚 舉 其 於 能 源 科 技 材 料 科 技 環 境 科 技 高 能 射 束 與 電 磁 波 源, 乃 至 生 物 科 技 方 面 之 應 用 與 貢 獻, 已 是 各 國 科 技 界 交 相 重 視 與 投 入 之 一 個 領 域 近 年 來 電 漿 技 術 的 發 展 更 在 綠 色 科 技 中 扮 演 重 要 的 腳 色, 如 潔 淨 製 程 的 開 發 廢 棄 物 的 處 理 能 源 電 池 鍍 膜 技 術 的 發 展, 使 得 電 漿 應 用 技 術 的 發 展 在 台 灣 永 續 經 營 需 求 上 日 益 重 要 事 實 上 電 漿 科 技 需 化 學 電 機 化 工 材 料 真 空 等 背 景 人 員 參 與, 為 一 整 合 型 之 科 技 在 台 灣 學 術 界 電 漿 技 術 雖 已 有 若 干 年 的 發 展, 但 早 期 較 偏 重 於 理 論 基 礎 之 研 究 探 討, 多 設 於 物 理 化 學 等 研 究 領 域, 隨 著 應 用 技 術 的 推 廣, 逐 漸 增 設 於 機 械 化 工 電 機 等 領 域 中 有 鑑 於 此, 本 校 於 民 國 九 十 一 年, 在 張 文 雄 校 長 的 大 力 推 動 下, 工 程 學 院 成 立 電 漿 應 用 技 術 研 發 中 心 ( 以 下 簡 稱 研 發 中 心 ), 在 過 去 既 有 基 礎 上, 整 合 本 校 各 項 研 究 資 源, 成 立 電 漿 研 究 團 隊, 涵 蓋 化 工 機 械 電 機 三 系 十 數 位 老 師, 共 同 投 入 電 漿 領 域 方 面 之 相 關 研 究 同 時 聘 請 國 際 電 漿 知 名 學 者 堤 井 信 力 博 士 為 本 校 專 任 客 座 教 授, 並 擔 任 研 發 中 心 計 畫 主 持 人, 以 加 強 建 立 電 漿 實 驗 室 與 規 劃 相 關 之 產 學 合 作 計 畫 堤 井 信 力 教 授 為 東 京 大 学 電 氣 工 學 博 士, 曾 擔 任 日 本 武 藏 工 業 大 學 教 授, 日 本 電 氣 學 會 電 漿 研 究 專 門 委 員 會 主 席, 在 日 本 電 漿 研 究 頗 具 盛 名 先 後 曾 在 台 灣 交 大 雲 林 科 技 大 學 擔 任 客 座 教 授 在 堤 井 信 力 教 授 領 導 下, 3

4 並 配 合 本 校 中 長 程 發 展 方 案, 以 發 展 光 電 材 料 之 鍍 膜 製 程 民 生 材 料 之 表 面 改 質 以 及 產 業 廢 棄 物 資 源 化 等 設 為 發 展 目 標, 以 滿 足 產 學 合 作 之 需 求 龍 華 科 技 大 學 在 電 漿 應 用 技 術 的 發 展, 除 建 立 本 土 化 之 技 術 能 量 外, 也 積 極 進 行 國 際 電 漿 應 用 技 術 的 交 流 共 分 成 三 個 層 次 進 行 : 1. 邀 請 國 際 著 名 電 漿 專 家 舉 辦 研 討 會, 本 校 先 後 於 九 十 二 年 十 月 九 十 三 年 九 月 舉 辦 過 電 漿 技 術 於 表 面 改 質 廢 棄 物 處 理 生 醫 材 料 與 鑽 石 鍍 膜 之 應 用 研 討 會, 邀 請 日 本 名 古 屋 大 學 的 Osamu Takai 教 授 加 拿 大 McMaster 大 學 Chang 教 授 日 本 岐 阜 藥 科 大 學 M. Kuzuya 教 授 日 本 產 業 技 術 綜 合 研 究 所 中 部 中 心 T. Kameyama 博 士 以 及 日 本 九 州 大 學 K. Teii 博 士 擔 任 講 座 2. 舉 辦 電 漿 國 際 會 議, 本 校 於 九 十 二 年 十 二 月 十 五 至 十 七 日 主 辦 第 三 屆 亞 太 電 漿 應 用 技 術 國 際 會 議, 共 有 國 內 外 120 位 產 官 學 研 專 家 學 者 與 會, 國 外 參 加 人 員 有 45 位, 分 別 來 自 日 本 美 國 加 拿 大 澳 洲 韓 國 俄 羅 斯 尼 泊 爾 大 陸 等 地, 共 有 77 篇 論 文 發 表, 分 別 為 電 漿 原 理 製 程 廢 水 處 理 廢 氣 處 理 生 醫 應 用 表 面 改 質 等 領 域 之 專 家, 本 次 國 際 會 議 在 國 內 外 皆 獲 得 相 當 大 的 迴 響 尤 其 國 內 產 業 界 對 電 漿 的 應 用 非 常 有 興 趣, 有 廠 商 認 為 國 內 居 然 有 學 校 要 針 對 以 電 漿 技 術 進 行 廢 棄 物 處 理 之 研 究, 非 常 驚 訝, 表 示 欲 持 續 與 本 校 保 持 聯 繫, 乃 至 合 作 之 意 願 甚 強 由 此 可 見 國 內 產 業 界 對 開 發 電 漿 技 術 之 需 求 殷 切 國 際 會 議 結 束 後, 在 與 會 專 家 學 者 積 極 鼓 勵 下, 由 本 校 發 起 中 華 電 漿 工 程 學 會 之 籌 組, 目 前 已 完 成 相 關 籌 組 工 作, 正 向 內 政 部 申 請 登 記 中 3. 本 校 電 漿 研 究 團 隊 於 先 後 於 九 十 二 年 十 一 月 九 十 三 年 四 月 至 日 本 訪 問 著 名 大 學 之 電 漿 研 究 ( 包 含 東 京 大 學 名 古 屋 大 學 東 北 大 學 大 阪 大 學 京 都 大 學 宇 都 宮 大 學 豐 橋 科 技 大 學 武 藏 工 業 大 學 等 ) 吸 取 相 關 研 究 經 驗, 並 建 立 合 作 管 道 4. 加 強 電 漿 實 務 專 題 之 國 際 交 流 活 動, 九 十 三 年 八 月 與 十 一 月, 本 校 與 日 本 武 藏 工 業 大 學 教 師 與 研 究 生 互 訪, 並 舉 辦 研 究 成 果 發 表 會, 由 學 生 以 英 文 發 表 電 漿 相 關 之 研 究 成 果, 增 進 學 生 之 國 際 視 野 九 十 四 年 度 除 日 武 藏 工 業 大 學 外, 本 校 亦 將 擴 大 與 宇 都 宮 大 學 群 馬 大 學 上 智 大 學 之 合 作 其 中 與 宇 都 宮 大 學 將 加 強 電 漿 在 蔬 果 保 鮮 方 面 之 研 究 5. 加 強 與 俄 羅 斯 在 電 漿 鍍 膜 技 術 方 面 之 研 究, 預 計 邀 請 俄 羅 斯 專 家 與 博 士 後 研 究 人 員 來 本 校 進 行 短 期 之 研 發 工 作, 期 能 迅 速 提 升 本 校 在 此 類 領 域 之 研 究 能 量 此 外, 為 配 合 研 發 中 心 的 設 立, 以 及 積 極 改 進 研 究 教 學 環 境, 更 於 九 十 一 年 在 工 程 學 院 成 立 貴 重 儀 器 中 心, 並 陸 續 購 置 包 含 X 光 繞 射 儀 場 發 射 式 電 子 顯 微 鏡 微 波 與 高 頻 電 4

5 漿 紅 外 線 熱 影 像 儀 等 重 要 設 備, 希 望 能 培 育 學 生 具 有 先 進 之 技 術, 也 使 教 師 能 有 優 質 的 研 究 環 境, 進 而 能 服 務 產 業 界, 達 到 技 術 移 轉 之 目 的 除 上 述 建 立 相 關 設 備 與 技 術 外, 本 校 並 積 極 與 鄰 近 之 技 專 校 院 研 究 單 位 與 產 業 界 相 互 合 作, 並 進 行 技 術 交 流 除 冀 望 達 成 技 專 校 院 資 源 整 合 外, 並 朝 建 立 區 域 性 產 學 聯 盟 之 方 向 努 力, 以 期 建 立 相 關 產 業 技 術 之 諮 詢 平 台 因 此 本 校 乃 積 極 與 鄰 近 之 南 亞 技 術 學 院 萬 能 科 技 大 學 長 庚 大 學 機 械 系 僑 光 技 術 學 院 親 民 工 商 專 校 中 正 理 工 學 院 雲 林 科 技 大 學 與 核 能 研 究 所 共 同 致 力 於 電 漿 技 術 之 發 展 與 應 用 南 亞 技 術 學 院 在 紡 織 產 業 方 面 有 多 年 之 經 驗, 萬 能 科 技 大 學 化 妝 品 應 用 科 利 用 電 漿 進 行 生 醫 材 料 之 高 分 子 表 面 改 質 研 究, 長 庚 大 學 機 械 工 程 系 在 電 漿 焊 接 方 面 也 有 相 當 之 研 究 成 果, 核 能 研 究 所 在 電 漿 處 理 廢 棄 物 方 面 有 相 當 重 要 的 成 就, 生 產 製 造 的 電 漿 焚 化 爐 有 相 當 的 運 轉 經 驗 目 前 台 灣 產 業 的 發 展, 正 面 臨 WTO 開 放 市 場 與 中 國 大 陸 低 密 集 勞 力 兩 大 外 在 壓 力 的 衝 擊, 再 加 上 內 部 傳 統 產 業 勞 動 品 質 與 紀 律 的 變 化, 加 速 台 灣 密 集 勞 力 與 低 附 加 價 值 產 業 外 移, 如 何 擴 展 新 興 優 勢 產 業, 以 及 培 養 工 程 師 之 專 業 知 識 與 創 新 能 力, 則 是 目 前 產 業 界 所 要 規 劃 的 方 向 與 目 標 電 漿 技 術 之 計 畫 性 開 發 與 人 才 的 培 訓, 將 可 使 技 專 校 院 的 學 生 研 習 到 高 科 技 的 產 業 技 術, 如 表 面 處 理 技 術 抽 真 空 技 術 以 及 相 關 的 光 電 技 能, 電 漿 設 備 的 設 計 與 組 裝, 也 可 培 養 學 生 專 業 知 識 與 創 新 的 能 力 本 校 位 於 台 北 縣 與 桃 園 縣 交 界, 附 近 有 林 口 五 股 龜 山 土 城 樹 林 觀 音 中 壢 等 工 業 區, 廠 家 之 類 別 涵 蓋 傳 統 到 前 瞻 性 的 各 類 光 電 金 屬 加 工 化 工 電 子 等 產 業 為 達 成 技 專 教 育 的 產 學 合 作 與 技 術 移 轉 之 理 念, 且 為 此 區 域 的 第 一 所 科 技 大 學, 本 校 責 無 旁 貸 的 在 暨 有 研 發 基 礎 上 努 力, 期 望 成 立 北 縣 與 桃 縣 區 域 性 之 技 術 研 發 中 心, 以 強 化 產 業 技 術 的 研 究 開 發 與 整 合, 並 為 區 域 性 試 驗 與 驗 證 之 實 驗 室, 以 達 成 技 術 移 轉 之 目 的 在 產 業 界, 已 有 多 家 公 司, 如 程 泰 福 懋 協 臻 光 電 聚 昌 科 技 與 大 安 光 電 等 中 小 企 業, 表 達 對 電 漿 技 術 研 發 之 需 求, 本 計 畫 之 執 行, 正 可 提 供 區 域 性 產 學 合 作 的 利 基, 促 成 產 學 合 作 之 目 的 在 過 去 兩 年 內, 本 校 透 過 赴 海 外 參 訪 觀 摩 舉 辦 國 際 研 討 會 與 鄰 近 學 校 及 產 業 進 行 交 流 聯 繫 投 入 大 量 資 源 延 聘 專 家 師 資 整 合 校 內 研 發 人 力 並 建 立 相 關 實 驗 室 研 究 中 心 等 措 施, 已 於 電 漿 技 術 發 展 方 面, 建 立 良 好 之 基 礎 為 延 續 此 一 方 向, 持 續 精 進, 本 計 畫 擬 在 現 有 之 基 礎 下 繼 續 努 力, 除 積 極 結 合 目 前 已 接 觸 電 漿 研 究 之 各 學 校 機 構 單 位 規 劃 暨 有 與 產 業 界 間 的 產 學 合 作, 並 希 望 能 持 續 擴 展 並 達 成 技 術 移 轉 之 目 標, 期 能 配 合 政 府 國 家 發 展 重 點 5

6 計 畫 中 的 產 業 高 值 化 目 標, 以 創 新 研 發 基 地 與 高 附 加 價 值 製 造 為 發 展 的 主 軸, 以 提 升 產 業 總 體 競 爭 力 本 計 畫 規 劃 之 研 發 方 向 與 一 般 普 通 大 學 較 專 注 於 理 論 之 探 究 不 同, 計 畫 之 目 標 係 以 發 展 應 用 性 電 漿 技 術 為 主, 強 調 與 實 務 產 業 應 用 相 關 電 漿 技 術 之 開 發 與 研 究, 冀 望 透 過 本 計 畫 之 執 行, 可 發 展 電 漿 技 術 為 本 校 之 重 點 特 色, 積 極 進 行 產 學 合 作, 從 而 培 育 相 關 人 才, 並 使 本 校 成 為 相 關 電 漿 產 業 技 術 之 諮 詢 平 台 6

7 二 計 畫 現 況 日 本 電 漿 技 術 之 研 發 概 況 日 本 學 界 與 產 業 界 對 電 漿 技 術 之 發 展, 投 入 相 當 多 的 資 源 與 心 力 學 界 方 面 涵 蓋 日 本 著 名 的 國 立 大 學 科 技 大 學 與 私 立 大 學 皆 對 電 漿 技 術 之 研 發, 著 墨 甚 深 對 於 研 究 之 方 向 與 主 題, 依 學 校 之 規 模, 大 致 可 區 分 為 兩 大 類 第 一 類 為 屬 世 界 級 的 大 學, 如 東 京 大 學 名 古 屋 大 學 東 北 大 學 等, 所 強 調 發 展 之 主 題, 以 獲 取 諾 貝 爾 獎 為 目 標, 因 此 十 分 注 重 電 漿 物 理 之 基 本 理 論 之 探 討 在 研 究 經 費 方 面, 投 諸 之 金 額 亦 十 分 龐 大, 往 往 屬 國 家 級 之 研 究 主 題 例 如, 名 古 屋 大 學 所 執 行 之 電 漿 與 奈 米 之 研 究, 即 為 日 本 文 部 省 之 卓 越 計 畫 21st Century COE (Center of Excellence) 所 支 持 第 二 類 學 校 所 發 展 之 主 題, 則 較 注 重 電 漿 技 術 實 用 之 研 發, 如 豐 橋 科 技 大 學 宇 都 宮 大 學 與 武 藏 工 業 大 學 等 這 些 學 校 在 研 究 經 費 上 不 似 前 述 大 學 充 分, 但 因 與 產 業 界 之 結 合, 發 展 出 生 活 化 實 際 化 的 電 漿 應 用 研 究, 例 如 豐 橋 科 技 大 學 運 用 針 對 SARS 之 需 求, 以 電 漿 技 術 進 行 口 罩 之 消 毒 ; 將 電 漿 技 術 運 用 於 鋤 草 機 械, 將 雜 草 全 部 殺 死 等 ; 又 例 如 宇 都 宮 大 學 有 關 將 電 漿 技 術 應 用 於 水 中 殺 菌 ( 如 溫 泉 中 之 殺 菌 ) 或 大 氣 殺 菌 之 應 用 ; 應 用 大 氣 電 漿 分 解 C 2 H 4, 以 延 長 蔬 果 保 鮮 效 果, 使 蔬 果 之 保 存 期 得 以 延 長 等 之 研 究 ; 皆 非 常 實 用, 且 商 業 化 之 濳 力 無 窮, 十 分 值 得 國 內 科 技 大 學 與 技 術 學 院 參 考 學 習 國 內 電 漿 技 術 之 研 發 與 應 用 概 況 國 內 各 產 業 應 用 電 漿 技 術 之 範 圍 甚 廣, 其 中 以 鍍 膜 蝕 刻 為 最 大 宗 濺 鍍 是 半 導 體 產 業 的 必 要 製 程, 由 於 製 程 精 密 品 質 穩 定 附 著 力 強 生 產 速 度 快 生 產 彈 性 高 單 位 成 本 低 無 化 學 污 染 等 優 點, 已 為 業 界 廣 泛 使 用 而 利 用 電 漿 之 蝕 刻 技 術, 則 應 用 於 半 導 體 晶 圓 製 程, 為 半 導 體 製 程 關 鍵 核 心 技 術 此 外, 近 年 來, 針 對 帶 有 大 量 病 菌 的 感 染 性 或 傳 染 性 物 質 醫 療 機 構 所 產 生 的 醫 療 廢 棄 物, 行 政 院 原 子 能 委 員 會 核 能 研 究 所 亦 著 手 以 電 漿 技 術 進 行 處 理 以 電 漿 技 術 進 行 可 燃 與 不 可 燃 感 染 性 醫 療 廢 棄 物 處 理, 由 於 事 先 不 需 要 經 過 分 類 敲 碎 等 前 處 理, 大 大 地 降 低 了 因 人 為 疏 失 所 造 成 的 感 染 可 能 性 以 及 省 卻 了 前 處 理 的 步 驟, 除 了 節 省 許 多 時 間 和 降 低 成 本 之 外 並 具 備 有 一 般 焚 化 爐 不 能 處 理 不 可 燃 物 的 優 點 相 對 於 產 業 廣 泛 之 電 漿 應 用 之 需 求, 國 內 研 究 機 構 投 諸 於 電 漿 技 術 之 研 發, 則 相 對 顯 得 不 足 教 育 機 構 對 於 電 漿 技 術 人 才 之 培 育, 更 有 迫 切 之 必 要 7

8 本 校 目 前 現 況 在 本 校 工 程 學 院 中 長 程 發 展 方 案 中, 重 點 為 結 合 機 械 化 工 材 料 電 機 電 子 等 與 工 程 相 關 領 域, 以 發 展 精 密 細 微 技 術 為 主 要 目 標, 培 養 產 業 界 所 需 光 電 與 奈 米 元 件 之 設 計 與 製 程 人 才 工 程 學 院 教 學 與 研 究 將 以 下 列 四 個 領 域 為 主 要 特 色 目 標 : (1) 機 光 電 整 合 與 自 動 化 技 術 ;(2) 精 密 機 械 技 術 ;(3) 電 漿 應 用 技 術 與 材 料 科 技 ;(4) 熱 流 分 析 與 能 源 科 技 近 年 來, 並 先 後 執 行 光 電 / 奈 米 背 光 模 組 特 色 計 畫 案 細 微 精 密 提 升 教 學 品 質 等 專 案 國 科 會 專 題 計 畫 與 小 產 學 合 作 案, 獲 致 良 好 之 成 效 本 計 畫 係 針 對 上 述 之 特 色 目 標 (3): 電 漿 應 用 技 術 與 材 料 科 技 所 提 出 而 薄 膜 製 程 與 廢 棄 物 處 理 原 為 本 校 跨 學 院 所 推 動 的 兩 項 教 學 與 研 究 的 重 要 領 域, 工 程 學 院 在 薄 膜 成 長 已 多 年 投 入 化 學 氣 相 沉 積 方 面 之 研 究, 而 廢 棄 物 之 處 理 亦 為 所 積 極 探 討 的 研 究 方 向 在 考 量 國 內 外 發 展 情 況, 及 產 業 需 求 後, 遂 決 定 以 實 用 性 電 漿 技 術 之 研 發 並 配 合 政 府 推 動 之 綠 色 科 技, 遂 為 本 校 主 要 發 展 之 特 色 主 題 本 校 自 民 國 九 十 年 改 名 科 技 大 學 以 來, 即 積 極 整 合 校 內 人 力 及 物 力 資 源, 將 實 用 性 電 漿 技 術 之 研 發 訂 為 本 校 工 程 學 院 主 要 發 展 之 方 向, 並 規 劃 初 期 中 期 長 期 等 三 階 段, 逐 步 落 實 發 展 之 目 標 截 至 目 前, 初 期 所 規 劃 之 工 作 項 目, 已 陸 續 展 開 本 計 畫 之 執 行 係 以 完 成 中 期 規 劃 之 各 項 工 作 為 目 標 相 關 規 劃 進 行 之 情 況, 茲 分 期 敘 述 如 下 : 初 期 : 1. 成 立 電 漿 技 術 研 發 中 心 本 校 電 漿 技 術 研 發 中 心 已 於 2002 年 成 立, 並 聘 請 由 國 際 知 名 電 漿 學 者 堤 井 信 力 講 座 教 授 主 持 規 劃 中 心 成 立 以 來, 受 學 校 全 力 之 支 持, 除 完 成 發 展 主 題 之 規 劃 外, 並 充 分 發 揮 人 力 及 資 源 整 合 之 功 能 2. 成 立 貴 重 儀 器 中 心 為 整 合 跨 系 院 之 各 項 重 要 研 究 設 備, 以 支 援 電 漿 技 術 之 研 發 所 需, 遂 於 2002 年 成 8

9 立 本 校 貴 重 儀 器 中 心, 以 充 分 整 合 資 源, 提 供 各 項 研 究 所 需 成 立 已 來, 該 中 心 已 陸 續 購 置 相 關 設 備, 較 重 要 者 有 : 熱 場 發 射 式 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (700 萬 ) X 光 繞 射 儀 (350 萬 ) 紅 外 線 熱 影 像 設 備 (350 萬 ) 2.45GHz 微 波 電 漿 裝 置 ( 含 真 空 及 氣 體 供 應 系 統 )(200 萬 元 ) 13.56MHz 高 頻 電 漿 裝 置 ( 含 真 空 及 氣 體 供 應 系 統 )(150 萬 元 ) 電 漿 濺 鍍 腔 體 ( 含 真 空 及 氣 體 供 應 系 統 )(165 萬 元 ) 等 重 要 設 備, 除 建 構 優 質 的 研 究 環 境 外, 亦 扮 演 提 供 產 業 界 服 務 促 成 產 學 合 作 之 目 的 3. 成 立 跨 系 院 之 研 發 團 隊 為 有 效 整 合 校 內 研 發 人 力, 已 於 2003 年 起, 正 式 成 立 跨 系 院 之 電 漿 技 術 研 發 小 組, 小 組 成 員 涵 蓋 工 程 學 院 之 工 程 技 術 研 究 所 機 械 系 化 材 系, 以 及 電 資 學 院 之 電 機 系 等, 共 十 餘 名 之 相 關 之 教 師 成 立 以 來, 定 期 集 會, 研 商 發 展 主 題, 並 共 同 進 行 研 究 工 作 之 合 作, 已 形 成 一 個 具 體 之 研 發 團 隊 4. 辦 理 各 項 國 內 外 學 術 交 流 活 動 為 建 構 與 國 內 外 相 關 研 究 單 位 之 聯 繫 管 道, 以 便 透 過 交 流 活 動, 尋 找 合 作 夥 伴, 並 從 中 學 習 他 人 經 驗, 以 確 認 發 展 方 向 之 正 確, 本 校 已 陸 續 舉 辦 多 項 國 內 外 交 流 活 動 如 下 : (1) 九 十 二 年 十 月 二 十 七 二 十 八 日 舉 辦 兩 場 國 際 電 漿 研 討 會 (2003 電 漿 應 用 技 術 研 討 會 ) - 邀 請 日 本 名 古 屋 大 學 Osamu Takai 教 授 講 授 有 關 電 漿 表 面 改 質 的 發 展 與 應 用 ; - 邀 請 加 拿 大 McMaster 大 學 電 機 系 Chang 教 授 講 授 電 漿 在 廢 棄 物 處 理 之 議 題 ; - 邀 請 核 能 研 究 所 專 家 講 授 以 電 漿 進 行 廢 棄 物 處 理 之 技 術 ; - 邀 請 福 懋 公 司 工 程 師 講 授 不 織 布 之 表 面 改 質 技 術 (2) 九 十 二 年 十 一 月 六 日 至 十 五 日, 本 校 組 成 14 人 之 電 漿 應 用 技 術 訪 問 團, 訪 問 日 本 名 古 屋 大 學 豐 橋 科 技 大 學 東 北 大 學 宇 都 宮 大 學 東 京 大 學 武 藏 大 學 等 六 所 大 學 之 電 漿 實 驗 室, 並 與 相 關 之 研 究 人 員 與 教 授 進 行 討 論, 獲 益 匪 淺 (3) 九 十 二 年 十 二 月 十 五 日 至 十 七 日, 舉 辦 第 三 屆 亞 太 電 漿 應 用 技 術 國 際 會 議, 共 有 國 內 外 120 位 產 官 學 研 專 家 學 者 與 會, 國 外 參 加 人 員 有 45 位, 分 別 來 自 9

10 日 本 美 國 加 拿 大 澳 洲 韓 國 俄 羅 斯 尼 泊 爾 中 國 大 陸 等 地, 共 有 77 篇 論 文 發 表, 分 別 為 電 漿 原 理 製 程 廢 水 處 理 廢 氣 處 理 生 醫 應 用 表 面 改 質 等 領 域 (4) 九 十 三 年 八 月, 本 校 電 漿 小 組 教 師 率 工 程 技 術 研 究 所 研 究 生 一 行 十 人, 受 日 本 武 藏 工 業 大 學 之 邀, 赴 日 本 參 加 該 校 電 漿 技 術 實 驗 室 研 究 生 論 文 發 表 研 討 會, 雙 方 師 生 除 發 表 論 文, 相 互 研 討 交 流 外, 並 於 武 藏 工 業 大 學 電 漿 技 術 實 驗 室 實 際 合 作 實 驗, 具 體 落 實 學 術 交 流, 達 相 互 觀 摩 成 長 之 目 的 (5) 九 十 三 年 九 月 十 三 日 舉 辦 電 漿 鍍 膜 在 藥 劑 生 醫 及 鑽 石 材 料 上 之 最 新 應 用 研 討 會, 共 有 三 項 議 題 : (i) Dr. M. Kuzuya ( 日 本 岐 阜 藥 科 大 學 教 授 校 長 顧 問 ), 主 講 電 漿 技 術 在 醫 藥 學 上 所 展 開 之 新 應 用 ; (ii) Dr. T. Kameyama ( 日 本 產 業 技 術 綜 合 研 究 所 中 部 中 心 主 任 代 理 ), 主 講 高 週 波 熱 電 漿 法 形 成 之 活 體 適 合 性 磷 灰 石 皮 膜 (iii) Dr. K. Teii ( 日 本 九 州 大 學 副 教 授 ), 主 講 電 漿 合 成 法 在 鑽 石 及 相 關 材 料 之 新 應 用 (6) 九 十 三 年 十 二 月, 日 本 武 藏 工 業 大 學 電 漿 技 術 實 驗 室 主 持 人,Ono 教 授 ( 現 為 日 本 電 氣 學 會 副 會 長 ), 應 本 校 工 程 學 院 邀 請, 率 該 校 研 究 所 研 究 生 一 行 七 人 前 來 本 校, 與 本 校 電 漿 小 組 師 生, 進 行 學 術 交 流, 雙 方 師 生 除 發 表 論 文, 相 互 研 討 交 流 外, 並 於 本 校 貴 儀 中 心 實 際 進 行 合 作 實 驗, 交 換 心 得 與 會 師 生 皆 感 收 益 匪 淺 5. 擬 定 發 展 主 軸 及 研 發 方 向 除 確 定 以 應 用 性 電 漿 技 術 之 開 發 為 發 展 方 向 外, 由 於 電 漿 技 術 應 用 範 圍 廣 泛, 於 發 展 初 期 選 定 適 當 之 研 發 重 點 項 目, 為 十 分 重 要 的 事 項 本 計 畫 之 基 礎 即 在 於 確 定 本 校 於 電 漿 領 域 中 之 發 展 項 目, 逐 步 進 行 研 發, 以 期 獲 致 卓 越 之 成 效 中 期 : 1. 持 續 整 合 校 內 研 發 人 力, 使 研 發 陣 容 更 為 堅 強 10

11 2. 持 續 充 實 本 校 貴 儀 中 心 之 設 備, 使 研 發 工 具 更 為 健 全 唯 本 階 段 之 發 展 目 標, 不 再 僅 購 入 成 套 之 現 成 設 備, 將 逐 步 以 建 立 根 據 應 用 之 需 求, 自 行 設 計 組 裝 之 能 力 為 主, 以 使 研 發 項 目 可 配 合 產 業 實 際 應 用 需 求, 而 具 有 彈 性, 不 再 僅 侷 限 於 成 套 之 現 成 設 備 之 功 能 限 制 3. 持 續 辦 理 各 項 國 內 外 學 術 研 討 會 國 際 交 流 活 動, 以 繼 續 吸 取 他 人 經 驗, 提 升 研 發 能 力 4. 主 導 國 內 電 漿 學 會 之 成 立, 除 為 國 內 電 漿 界 提 供 服 務 外, 亦 可 藉 以 使 本 校 成 為 國 內 電 漿 界 專 家 學 者 溝 通 之 平 台 5. 規 劃 本 校 電 漿 學 程, 為 培 育 產 業 所 需 之 電 漿 人 才, 提 供 有 系 統 之 課 程 與 訓 練, 可 直 接 培 養 本 校 同 學 成 為 國 內 電 漿 產 業 之 堅 兵 6. 於 本 校 工 程 技 術 研 究 所 成 立 電 漿 應 用 技 術 組, 直 接 招 考 有 志 於 電 漿 技 術 研 發 之 碩 士 班 研 究 生, 投 入 電 漿 技 術 之 研 發 俟 報 考 人 數 踴 躍 時, 於 本 階 段 成 立 獨 立 之 電 漿 技 術 工 程 研 究 所 碩 士 班, 以 強 化 研 發 陣 容 7. 完 成 初 期 計 畫 中 選 定 之 各 項 研 發 項 目, 累 積 研 發 經 驗 與 能 量, 完 成 將 研 發 成 果 實 際 投 入 產 業 應 用 之 準 備 長 期 : 1. 配 合 本 校 育 成 中 心 之 成 立, 並 為 加 強 與 相 關 產 業 密 切 合 作, 使 進 行 之 研 發 項 目 具 實 際 應 用 之 價 值, 擬 於 本 階 段 擇 定 適 合 廠 商, 進 駐 本 校 育 成 中 心, 以 確 使 發 展 之 項 目 俱 可 實 際 應 用 之 價 值 與 潛 力 2. 再 充 實 本 校 貴 儀 中 心 之 設 備, 為 產 業 界 辦 理 各 項 訓 練 課 程 研 討 會, 使 本 校 之 電 漿 技 術 應 用 中 心 成 為 業 界 有 關 電 漿 技 術 諮 詢 之 平 台, 並 成 為 培 育 我 國 電 漿 技 術 人 才 之 重 鎮 11

12 參 計 畫 目 標 ( 發 展 重 點 項 目 ) 本 計 畫 係 為 發 展 應 用 性 電 漿 技 術 為 本 校 特 色 為 目 標 而 擬 定, 為 一 結 合 本 校 工 程 學 院 機 械 系 化 材 系 工 程 技 術 研 究 所, 及 電 資 學 院 電 機 系 所 電 子 系 所 之 相 關 研 究 人 力 及 資 源, 形 成 一 研 發 團 隊, 所 執 行 之 跨 系 院 整 合 型 計 畫 其 主 要 目 標 有 : - 於 校 內 型 成 一 跨 系 院 之 研 發 團 隊, 共 同 努 力, 提 昇 研 究 水 準, 創 造 研 發 成 果 - 蓄 積 研 發 能 量, 開 發 產 學 合 作, 使 本 校 成 為 區 域 性 之 電 漿 研 發 重 鎮 - 加 強 與 日 本 各 大 學 共 同 推 動 電 漿 技 術 之 交 流 與 技 術 轉 移, 促 使 電 漿 應 用 技 術 在 國 內 生 根 - 成 立 電 漿 應 用 技 術 學 程 或 研 究 所 碩 士 班, 結 合 師 資, 培 養 產 業 所 需 之 電 漿 技 術 人 才 電 漿 技 術 研 發 之 範 圍 極 為 廣 泛, 本 計 畫 之 主 要 內 容, 定 位 於 一 個 原 則 五 個 主 軸 七 個 重 點 研 發 項 目 為 主 茲 說 明 如 下 : 一 個 原 則 : 本 計 畫 以 應 用 性 電 漿 技 術 研 發 為 原 則, 強 調 計 畫 內 容 需 配 合 綠 色 科 技 以 及 具 實 用 性 為 主 要 前 題 五 個 主 軸 : 經 參 酌 各 國 電 漿 技 術 之 發 展 概 況, 及 國 內 綠 色 科 技 以 及 產 業 之 需 求, 擇 訂 五 個 發 展 主 軸 為 計 畫 初 中 期 發 展 之 主 要 方 向 五 個 主 軸 為 - 材 料 表 面 改 質 - 產 業 廢 棄 物 資 源 化 - 蔬 果 保 鮮 之 應 用 - 電 漿 鍍 膜 技 術 - 金 屬 防 蝕 及 水 下 銲 接 之 應 用 七 個 重 點 研 發 項 目 ( 子 計 畫 ) 如 下 : 子 計 畫 一 : 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 應 用 於 材 料 表 面 改 質 之 技 術 開 發 研 究 子 計 畫 二 : 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 合 成 製 程 之 分 析 與 控 制 子 計 畫 三 : 電 漿 技 術 於 蔬 果 保 鮮 之 應 用 12

13 子 計 畫 四 : 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 擊 之 研 究 子 計 畫 五 : 應 用 電 漿 技 術 於 insitu doping 自 旋 電 子 半 導 體 鍍 膜 技 術 研 究 子 計 畫 六 : 以 微 弧 電 漿 技 術 進 行 鎂 鋰 合 金 防 蝕 之 研 究 子 計 畫 七 : 水 下 電 漿 銲 接 及 分 析 技 術 之 研 究 透 過 前 述 子 計 畫 之 完 成, 當 可 累 積 相 當 之 研 究 成 果, 逐 步 完 成 所 設 定 之 目 標 13

14 肆 具 體 內 容 及 配 套 措 施 一 具 體 內 容 本 計 畫 以 應 用 性 電 漿 技 術 研 發 為 原 則, 強 調 計 畫 內 容 需 具 實 用 性 為 主 要 前 題 在 此 發 展 原 則 下, 經 參 酌 各 國 電 漿 技 術 之 發 展 概 況, 及 國 內 產 業 之 需, 擇 訂 五 個 發 展 主 軸 為 計 畫 初 中 期 發 展 之 主 要 方 向 五 個 主 軸 為 材 料 表 面 改 質 產 業 廢 棄 物 資 源 化 蔬 果 保 鮮 之 應 用 電 漿 鍍 膜 技 術 金 屬 防 蝕 及 水 下 銲 接 之 應 用 等 以 下 扼 要 說 明 五 個 發 展 主 軸 之 主 要 研 究 方 向 ( 一 ) 材 料 表 面 改 質 之 研 發 與 應 用 各 種 塑 膠 ( 布 ) 不 織 布 鐵 弗 龍 等, 本 來 為 疏 水 性 之 材 料, 以 電 漿 處 理, 改 成 親 水 性 後, 塑 膠 ( 布 ) 上 容 易 電 鍍 ( 印 刷 ) 不 織 布 可 具 有 與 天 然 纖 維 同 等 之 功 能, 用 於 戶 外 可 不 讓 雨 滴 附 著, 避 免 塵 砂 之 污 染, 帶 有 親 水 性 鐵 弗 龍 等 材 料 將 有 利 於 精 密 之 複 合 電 鍍, 均 有 助 於 提 高 產 品 之 附 加 價 值 因 此 表 面 改 質 之 實 用 化 將 有 賴 於 提 高 親 水 性 處 理 之 速 度 及 處 理 後 之 親 水 性 耐 久 性 此 外, 由 低 壓 電 漿 對 紡 織 品 表 面 改 質 特 性, 已 證 實 電 漿 可 以 改 變 纖 維 表 面 化 學 鍵 結 構, 達 成 吸 濕 性 及 表 面 清 潔 效 應, 使 印 染 及 吸 附 性 能 增 進, 也 因 為 有 自 由 基 的 產 生 而 促 進 了 氧 化 及 接 枝 等 二 次 反 應, 使 纖 物 表 面 合 成 新 膜 而 特 性 大 幅 改 變, 在 大 氣 電 漿 中, 預 期 也 會 有 相 似 效 果 本 研 究 主 軸 將 使 用 微 波 及 高 頻 等 大 氣 電 漿, 研 究 處 理 效 果 與 電 漿 條 件 之 關 係, 並 作 相 互 比 較, 以 促 進 其 實 用 化 而 目 前 本 校 電 漿 研 究 中 心 正 進 行 與 福 懋 等 產 業 進 行 不 織 布 之 表 面 改 質 研 究, 並 結 合 模 具 產 業 界 與 工 具 產 業 界 進 行 金 屬 與 刀 具 之 表 面 改 質, 以 氧 電 漿 氮 電 漿, 進 行 金 屬 表 面 氮 化 氧 化 形 成 陶 瓷 層 之 工 作 以 使 其 硬 度 提 高, 以 延 長 使 用 壽 命 ( 二 ) 廢 棄 物 處 理 與 資 源 化 技 術 研 發 與 應 用 全 世 界 每 年 排 出 龐 大 數 量 之 廢 棄 塑 膠, 傳 統 處 理 法 多 半 為 填 埋 土 中 或 當 作 熱 能 焚 化, 回 收 利 用 者 極 為 有 限, 如 能 開 發 有 效 之 利 用 方 法, 不 僅 有 助 於 解 決 環 保 問 題, 從 節 省 資 源 之 觀 點 來 看 亦 極 為 重 要 電 漿 技 術 應 用 於 分 解 廢 棄 高 分 子 材 料, 具 有 光 分 解 熱 分 解 物 理 性 及 化 學 性 分 解 諸 效 應, 產 生 大 量 之 離 子 與 活 性 粒 子, 這 些 粒 子 如 能 夠 有 效 控 制, 可 期 待 令 其 反 應 成 為 各 種 具 有 高 附 加 價 值 之 工 業 用 原 料, 回 收 利 用 本 校 電 漿 研 究 中 心 曾 使 用 2.45GHz 微 波 放 電 水 蒸 氣 電 漿, 在 氣 壓 1~6Torr 範 圍 內 分 解 PE 材 料, 再 合 成 為 Alcohol Aldehyde Ketone 等 工 業 用 原 料 由 於 水 蒸 汽 容 易 吸 收 微 波 能 量, 溫 度 可 自 動 提 昇 至 1000K 以 上, 令 PE 蒸 發 分 解 極 為 方 便, 又 因 能 量 密 集 可 產 生 大 量 之 活 性 粒 子, 有 助 於 再 合 成, 目 前 所 合 成 之 物 質 為 含 碳 原 子 1 至 5 之 醇 類 原 料, 為 提 高 合 成 物 質 之 選 擇 性, 以 加 強 其 附 加 價 值, 有 需 要 控 制 電 漿 14

15 內 之 電 子 溫 度, 亦 即 大 幅 改 變 放 電 之 氣 壓 範 圍 (10-3 ~10Torr) 以 及 試 行 混 合 不 同 氣 體 於 水 蒸 汽 內 又 因 微 波 放 電 所 產 生 之 電 漿 體 積 有 限, 為 顧 及 今 後 實 用 化 之 目 的, 希 望 能 夠 以 13.56MHz RF 放 電 代 替,RF 放 電 較 容 易 於 較 廣 之 氣 壓 範 圍 內 產 生 大 容 積 之 電 漿, 但 是 RF 放 電 之 水 蒸 汽 電 漿 溫 度 不 會 自 動 提 昇, 必 須 人 工 加 熱 至 700K 以 上, 始 能 令 PE 蒸 發 分 解, 電 漿 內 產 生 之 活 性 粒 子 種 類 與 密 度 亦 與 微 波 放 電 略 有 不 同, 則 需 進 一 步 研 究 未 來 之 研 究, 計 劃 利 用 高 頻 電 漿 裝 置 作 基 礎 研 究, 達 成 控 制 產 生 物 之 種 類 外, 並 預 定 以 材 料 加 熱 方 式 使 用 高 頻 電 漿 裝 置 作 大 量 處 理 之 研 究, 以 促 進 此 技 術 之 實 用 化 又 熱 電 漿 炬 則 將 用 於 醫 療 用 廢 棄 物 之 焚 化 處 理, 加 強 回 收 物 之 再 利 用, 以 降 低 成 本, 達 成 技 術 之 實 用 化 此 種 方 式 僅 需 小 規 模 之 裝 置, 投 資 容 易, 分 置 於 鄉 鎮 村 里, 可 解 決 廢 棄 物 處 理 之 問 題, 同 時 亦 有 省 資 源 之 效 果, 一 舉 兩 得, 將 對 國 家 社 會 有 相 當 之 貢 獻 極 大 無 疑 另 一 研 究 主 題 是 把 硫 份 從 尚 未 氫 化 的 不 飽 和 的 汽 油 (C4-C10) 物 流 中 除 去 在 這 些 碳 氫 化 合 物 物 流 內 同 時 存 在 的 Thiophene 和 alkyl-thiophens 的 反 應 性 比 其 他 的 有 機 硫 化 物 ( 即 烷 基 硫 化 物 硫 醇 ) 差 另 外, 在 引 擎 內 燃 燒 及 在 觸 媒 裂 解 單 元 內 硫 化 物 產 生 之 SOX 會 造 成 地 區 性 的 污 染 及 使 汽 車 的 排 氣 管 內 之 催 化 劑 中 毒 在 精 鍊 廠 及 石 油 化 學 製 品 物 流 普 遍 存 在 的 輕 烷 氫 化 合 物 其 時 常 使 用 氫 氣 進 行 氫 化 反 應 結 合 放 電 電 漿 和 觸 媒 ( 或 吸 收 劑 ) 是 以 高 電 壓 形 成 電 漿 的 程 序 中, 直 接 分 解 部 分 反 應 物 離 子 自 由 基, 在 由 離 子 自 由 基 進 行 進 一 步 之 反 應 這 種 結 合 放 電 電 漿 和 觸 媒 ( 或 吸 收 劑 ) 的 反 應 程 序 的 反 應 溫 度 比 傳 統 觸 媒 反 應 溫 度 較 低, 所 以 又 稱 非 熱 電 漿 程 序 本 研 發 中 心 計 劃 導 入 此 非 - 熱 電 漿 程 序 於 thiophene 觸 媒 加 氫 脫 硫 反 應 研 究 上, 希 望 藉 此 非 - 熱 電 漿 程 序 的 導 入, 能 有 效 地 提 昇 反 應 速 率 降 低 反 應 溫 度 增 加 反 應 之 選 擇 性 及 提 高 目 的 生 成 物 之 產 率 ( 三 ) 蔬 果 保 鮮 之 應 用 蔬 果 採 收 後 其 組 織 細 胞 之 生 理 生 化 活 動 仍 不 斷 進 行 著, 如 : 呼 吸 作 用 蒸 發 作 用 乙 烯 生 成 成 份 變 化 微 生 物 的 接 觸, 以 及 有 發 芽 發 根 萎 凋 老 化 及 腐 爛 等 現 象, 這 些 均 會 影 響 蔬 果 的 商 品 價 值, 所 以 先 瞭 解 採 後 的 各 種 生 理 變 化, 再 配 合 適 當 方 法 加 以 控 制 以 確 保 產 品 的 品 質 與 新 鮮 度 乙 烯 是 一 種 氣 體 植 物 荷 爾 蒙, 調 節 或 影 響 許 多 植 物 生 長 發 育 及 逆 境 所 引 發 的 生 理 變 化 過 程 以 電 漿 法 輔 助 乙 烯 反 應 方 式 來 減 少 乙 烯 含 量 的 作 法, 作 為 延 長 蔬 果 保 鮮 期 限, 是 近 期 研 究 的 主 流 本 發 展 主 軸 以 大 氣 電 漿 來 導 引 乙 烯 分 解 並 氧 化, 以 減 低 蔬 果 產 生 並 釋 放 之 乙 烯 成 分 由 於 理 想 之 乙 烯 含 量 為 1ppm 以 下, 及 大 氣 電 漿 產 生 處 理 低 含 量 之 乙 烯 氣 體, 大 氣 電 漿 產 生 器 之 設 計 是 本 研 究 計 畫 中 極 重 要 的 課 題 之 一 由 於 實 用 性 甚 高, 故 擇 定 為 本 計 畫 研 發 主 軸 之 一 15

16 ( 四 ) 電 漿 鍍 膜 技 術 之 研 發 與 應 用 由 於 系 統 潔 淨 度 高, 鍍 層 可 達 單 晶 磊 晶 等 高 品 質 晶 態, 氣 相 沉 積 薄 膜 技 術 已 廣 為 半 導 體 光 電 光 纖 通 訊 等 高 科 技 產 業 所 採 用 本 校 化 材 系 光 電 材 料 實 驗 室 多 年 來 致 力 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沉 積 (MOCVD) 及 物 理 氣 相 沉 積 (PVD) 研 究, 已 對 製 程 開 發 及 反 應 機 構 探 討 累 積 相 當 經 驗 近 年, 在 開 發 以 濺 鍍 緩 衝 層 搭 配 CVD 技 術, 已 可 利 用 表 面 原 子 之 離 子 鍵 及 自 身 組 裝 能 力, 陸 續 發 現 一 維 線 狀 氧 化 銅, 金 屬 銅, 二 維 平 面 六 角 板 狀 氧 化 鋅, 及 三 維 立 體 網 狀 銅 等 奈 米 結 構, 具 光 電 感 測, 表 面 催 化 等 應 用 潛 力 在 運 用 光 譜 分 析, 以 同 步 鍍 膜 與 氣 相 分 析 進 行 製 程 之 開 發, 此 新 方 法 已 成 功 於 常 壓 320 o C 鍍 得 近 磊 晶 品 質 之 (002) ZnO 膜, 於 360 o C 鍍 得 多 金 屬 元 素 鐵 氧 磁 膜 在 光 電 產 業 界 上 為 一 具 有 發 展 潛 力 的 材 料, 在 白 光 LED/LD 方 面, 可 以 取 代 氮 化 鎵, 在 LCD 透 明 導 電 層 方 面, 可 以 取 代 ITO, 而 氧 化 鋅 也 是 光 觸 媒 材 料 若 能 藉 重 電 漿 激 發, 可 以 大 幅 提 高 CVD 系 統 內 反 應 氣 體 之 解 離 度, 配 合 外 加 磁 場 電 場, 從 而 改 變 與 操 控 氣 態 反 應 物 種 之 飛 行 方 向, 及 在 基 板 表 面 擴 散, 成 核 長 晶 形 式 由 此 創 造 新 穎 高 價 值 奈 米 結 構 鍍 層 同 時 藉 由 電 漿 輔 助, 提 高 系 統 內 氣 體 激 態 物 質 濃 度, 降 低 主 要 活 化 複 體 能 階, 達 到 進 一 步 製 程 低 溫 化 由 於 先 進 電 子 / 光 電 元 件 愈 漸 短 輕 薄 小, 且 結 構 多 層 化, 如 何 避 免 交 互 擴 散 (inter diffusion), 確 保 介 面 分 明, 製 程 低 溫 化 為 常 用 方 法, 後 續 之 研 究, 將 朝 室 溫 及 近 室 溫 鍍 膜 為 目 標 藉 重 電 漿 提 高 CVD 系 統 內 氣 體 解 離 度, 達 到 製 程 低 溫 化, 以 鍍 覆 至 較 不 耐 高 熱 的 塑 膠 基 板, 將 是 電 漿 技 術 扮 演 之 主 導 地 位 另 一 方 面, 將 與 廠 商 協 力 開 發 新 製 程, 設 計 具 新 功 能 之 反 應 器 另 外 對 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 極 之 研 究 亦 為 發 展 目 標 之 一, 鑽 石 具 有 優 異 之 電 氣 熱 及 機 械 方 面 之 特 性, 尤 其 是 氫 氣 終 端 (Hydrogen terminated) 鑽 石 表 面, 具 有 物 質 中 極 罕 見 有 之 負 性 氣 體 親 合 力 (Negative electron affinity), 可 期 待 實 現 極 高 之 二 次 電 子 釋 放 係 數 (γ 係 數 ), 可 用 於 電 漿 顯 示 器 (PDP) 以 及 各 種 微 放 電 之 新 電 極 材 料 此 研 究 正 與 日 本 九 州 大 學 合 作 進 行 中 ( 五 ) 金 屬 防 蝕 及 水 下 銲 接 之 應 用 微 弧 電 漿 氧 化 表 面 處 理 在 輕 金 屬 的 應 用 上 是 一 極 具 潛 力 的 新 興 技 術, 由 於 其 優 異 的 抗 蝕 性 及 硬 度, 使 得 輕 金 屬 在 講 求 輕 量 化 的 設 計 中 能 開 拓 更 寬 廣 的 用 途 而 利 用 電 漿 技 術 之 焊 接 16

17 與 切 割 亦 是 廣 泛 應 用 的 領 域, 尤 其 因 應 未 來 核 電 廠 高 輻 射 區 工 件 的 銲 補 維 修 特 性, 開 發 水 下 電 漿 銲 接 之 創 新 方 法 進 行 相 關 銲 補 技 術 更 為 十 分 需 要, 且 具 開 發 潛 力 之 研 發 方 向 透 過 銲 接 設 備 設 計 修 改 銲 補 參 數 與 銲 件 束 縛 條 件 的 控 制 銲 接 溫 度 場 / 應 力 之 量 測 等 方 法, 嚴 格 控 制 傳 入 熱 影 響 區 與 母 材 之 銲 接 熱 量, 配 合 銲 件 治 具 的 設 計 使 用, 以 期 達 到 降 低 銲 接 熱 應 力 與 殘 留 應 力 的 效 果, 進 而 避 免 熱 影 響 區 裂 紋 的 發 生, 使 銲 補 維 修 之 品 質 與 成 功 率 大 幅 提 昇, 並 建 立 相 關 參 數 資 料 庫 提 供 銲 補 技 術 人 員 參 考 依 據, 此 技 術 除 了 為 核 能 安 全 盡 一 份 心 力 之 外, 更 可 應 用 到 經 常 傳 出 公 安 事 故 的 高 壓 鍋 爐 化 學 油 槽 等, 產 業 界 急 需 解 決 的 銲 補 問 題 故 本 計 畫 亦 將 金 屬 防 蝕 及 水 下 銲 接 之 應 用 列 為 發 展 主 軸 之 一 在 前 述 五 個 發 展 主 軸 下, 所 擬 定 之 七 個 重 點 研 發 項 目 ( 子 計 畫 ) 如 下 : 子 計 畫 一 : 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 鉅 應 用 於 材 料 表 面 改 質 之 技 術 開 發 研 究 子 計 畫 二 : 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 合 成 製 程 之 分 析 與 控 制 子 計 畫 三 : 電 漿 技 術 於 蔬 果 保 鮮 之 應 用 子 計 畫 四 : 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 極 之 研 究 子 計 畫 五 : 應 用 電 漿 技 術 於 insitu doping 自 旋 電 子 半 導 體 鍍 膜 技 術 研 究 子 計 畫 六 : 以 微 弧 電 漿 技 術 進 行 鎂 鋰 合 金 防 蝕 之 研 究 子 計 畫 七 : 水 下 電 漿 銲 接 及 分 析 技 術 之 研 究 有 關 七 個 重 點 研 發 項 目 與 五 個 發 展 主 軸 間 之 關 聯 性, 可 以 下 圖 表 示 七 個 子 計 畫 之 內 容 則 詳 述 於 本 計 畫 之 附 錄 部 分 17

18 二 配 套 措 施 為 發 展 應 用 性 電 漿 計 技 術 為 本 校 之 發 展 特 色, 已 完 成 或 規 劃 中 之 配 套 措 施 包 括 有 下 列 九 項 : 成 立 之 電 漿 應 用 技 術 研 發 中 心 貴 重 儀 器 中 心 整 合 全 校 相 關 之 重 點 實 驗 室 修 訂 本 校 教 師 專 題 研 究 經 費 補 助 辦 法 設 立 電 漿 學 程 於 工 程 技 術 研 究 所 中 設 立 電 漿 技 術 組 籌 組 全 國 電 漿 學 會 持 續 辦 理 電 漿 技 術 國 際 合 作 交 流 之 學 術 參 訪 活 動 研 發 人 力 之 整 合 等 項 目 茲 分 述 如 下 : ( 一 ) 續 由 已 成 立 之 電 漿 應 用 技 術 研 發 中 心, 在 召 集 人 鄭 信 力 教 授 主 持 下, 整 合 校 內 相 關 研 究 基 礎, 領 導 由 涵 蓋 化 材 機 械 電 機 三 系 十 數 位 老 師 所 組 成 之 電 漿 研 究 團 隊, 定 期 召 開 會 議, 進 行 專 題 研 討, 以 進 行 跨 系 院 合 作, 資 源 整 合, 推 動 電 漿 技 術 之 研 發 ( 二 ) 續 由 已 成 立 之 貴 重 儀 器 中 心, 為 配 合 電 漿 技 術 發 展, 整 合 研 究 資 源, 建 構 跨 院 系 之 優 質 的 研 究 環 境 目 前 已 有 之 重 要 設 備 計 有 : - 熱 場 發 射 式 掃 描 電 子 顯 微 鏡 暨 附 設 EDS WDS 分 析 設 備 ( 共 1200 萬 ), 主 要 用 途 為 : 材 料 表 面 觀 察 及 元 素 之 定 性 與 定 量 分 析 分 析 - X 光 繞 射 儀 (350 萬 ), 主 要 用 途 : 薄 膜 及 粉 末 之 成 分 分 析 - 紅 外 線 熱 影 像 設 備 (350 萬 ), 主 要 用 途 : 以 影 像 特 性 分 析 熱 場 分 布 狀 況 GHz 微 波 電 漿 裝 置 ( 含 真 空 及 氣 體 供 應 系 統 )(200 萬 元 ), 主 要 用 途 : 微 波 電 漿 容 易 在 1Torr 以 下 之 低 氣 壓 產 生 大 量 之 活 性 粒 子, 適 用 於 材 料 表 面 改 質 及 各 種 薄 膜 之 形 成 之 應 用 研 究 MHz 高 頻 電 漿 裝 置 ( 含 真 空 及 氣 體 供 應 系 統 ),150 萬 元 主 要 用 途 : 能 量 雖 不 如 微 波 放 電 密 集, 但 可 從 數 10Torr 至 10-2Torr 之 廣 泛 氣 壓 範 圍 內 放 電, 產 生 大 容 積 之 電 漿, 適 用 於 材 料 之 表 面 改 質 薄 膜 之 形 成 以 及 各 種 廢 氣 與 廢 棄 物 之 分 解 處 理, 較 多 用 於 各 種 實 用 化 之 研 究 裝 置 - 電 漿 濺 鍍 腔 體 ( 含 真 空 及 氣 體 供 應 系 統 ),165 萬 元 主 要 用 途 : 利 用 腔 體 提 供 之 低 壓 真 空 環 境 及 可 加 熱 基 座, 執 行 大 尺 寸 基 板 表 面 光 電 半 導 體 膜 沉 積 及 其 他 應 用 研 究 ( 三 ) 整 合 全 校 相 關 之 重 點 實 驗 室, 充 分 支 援 電 漿 研 究 發 展 相 關 檢 測 之 儀 器 設 備 如 表 列 各 項 : 18

19 粉 末 科 技 實 驗 室 微 細 電 鑄 實 驗 室 資 源 實 驗 室 精 密 儀 分 實 驗 室 電 子 / 光 電 技 術 實 驗 室 離 子 分 析 儀 定 酸 自 動 滴 定 儀 自 動 滴 定 儀 粒 徑 分 析 儀 離 子 層 析 儀 (IC) 阻 抗 分 析 儀 氣 相 層 析 儀 熱 差 分 析 儀 高 速 液 相 分 析 儀 原 子 吸 收 光 譜 儀 液 相 層 析 儀 紅 外 線 光 譜 儀 傅 立 葉 轉 換 紅 外 光 譜 儀 氣 相 層 析 儀 ( 四 ) 修 訂 本 校 教 師 專 題 研 究 經 費 補 助 辦 法 由 本 校 提 供 教 師 之 專 題 研 究 經 費, 優 先 支 持 與 本 特 色 計 畫 相 關 之 研 究 主 題, 並 給 予 較 高 額 之 補 助 經 費, 以 透 過 學 校 政 策, 吸 引 更 多 教 師 投 入 特 色 發 展 計 畫 ( 五 ) 電 漿 技 術 學 程 之 整 合 規 劃 本 校 於 2003 年 成 立 電 漿 應 用 技 術 研 發 中 心 時, 已 進 行 電 漿 技 術 相 關 之 基 礎 理 論 及 進 階 課 程 規 劃, 因 配 合 本 計 畫 之 執 行, 擬 整 合 跨 系 所 成 立 學 程 目 標 之 相 關 課 程, 使 學 生 對 於 電 漿 應 用 技 術 具 有 理 論 基 礎 與 實 務 經 驗 其 課 程 之 相 關 性 如 下 所 示 : 基 礎 理 論 課 程 : 材 料 科 學 導 論 大 學 物 理 ( 一 )( 二 ) 大 學 化 學 ( 一 )( 二 ) 有 機 化 學 ( 一 )( 二 ) 奈 米 科 技 概 論 近 代 物 理 量 子 力 學 等 進 階 課 程 : 電 漿 工 程 薄 膜 技 術 電 磁 學 微 波 化 學 光 電 工 程 概 論 電 子 材 料 應 用 電 化 學 表 面 處 理 加 工 學 高 分 子 材 料 粉 粒 體 製 程 廢 棄 物 處 理 電 子 顯 微 鏡 學 X- 光 繞 射 專 論 水 及 廢 水 處 理 化 學 蒸 鍍 與 濺 鍍 ( 六 ) 於 工 程 技 術 研 究 所 中 設 立 電 漿 技 術 組 19

20 ( 七 ) 籌 組 全 國 中 華 電 漿 工 程 學 會 主 導 國 內 電 漿 學 會 之 成 立, 除 為 國 內 電 漿 界 提 供 服 務 外, 亦 可 藉 以 使 本 校 成 為 國 內 電 漿 界 專 家 學 者 溝 通 之 平 台 ( 八 ) 持 續 辦 理 電 漿 技 術 國 際 合 作 交 流 之 學 術 參 訪 活 動 持 續 辦 理 電 漿 技 術 國 際 合 作 交 流 之 學 術 參 訪 活 動, 將 有 助 於 本 校 掌 握 電 漿 相 關 領 域 最 新 技 術 發 展 概 況, 並 與 產 業 界 保 持 密 切 之 連 繫, 瞭 解 產 業 實 際 應 用 所 需, 以 使 研 發 主 題 得 與 業 界 需 求 同 步 ( 九 ) 本 校 參 與 電 漿 研 發 之 研 究 人 員 整 合 本 校 參 與 電 漿 研 發 之 研 究 人 員, 目 前 已 依 相 關 專 長, 整 合 如 下 : 姓 名 系 所 專 長 堤 井 ( 鄭 ) 信 力 工 程 學 院 講 座 教 授 電 漿 技 術 污 染 物 處 理 丁 鯤 機 械 系 教 授 薄 膜 熱 傳 計 算 流 體 力 學 葛 自 祥 機 械 系 副 教 授 流 體 力 學 模 式 分 析 沈 永 康 機 械 系 副 教 授 模 具 加 工 與 製 造 陳 志 文 機 械 系 講 師 電 漿 焊 接 林 文 雄 機 械 系 講 師 紅 外 線 熱 影 像 技 術 雷 射 技 術 鄭 進 山 化 材 系 副 教 授 觸 媒 動 力 能 源 回 收 李 九 龍 化 材 系 副 教 授 微 細 電 鑄 污 染 防 治 張 宇 能 材 系 副 教 授 氣 相 沉 積 薄 膜 技 術 光 電 材 料 許 秀 菱 化 材 系 副 教 授 相 平 衡 熱 力 學 劉 沖 明 化 材 系 助 理 教 授 材 料 檢 測 郭 冠 麟 化 材 系 講 師 單 元 操 作 許 崑 彬 電 機 系 講 師 電 子 通 訊 20

21 伍 實 施 進 度 及 分 工 一 分 工 本 計 畫 由 本 校 電 漿 技 術 研 發 中 心 負 責 統 合, 並 依 據 計 畫 之 五 個 發 展 主 軸, 分 為 五 個 研 究 群, 分 別 負 責 發 展 主 軸 下 之 研 究 重 點 項 目 ( 子 計 畫 ) 如 下 : 材 料 表 面 改 質 研 究 群 - 負 責 子 計 畫 一 : 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 鉅 應 用 於 材 料 表 面 改 質 之 技 術 開 發 研 究 產 業 廢 棄 物 資 源 化 研 究 群 - 負 責 子 計 畫 二 : 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 合 成 製 程 之 分 析 與 控 制 蔬 果 保 鮮 之 應 用 研 究 群 - 負 責 子 計 畫 三 : 電 漿 技 術 於 蔬 果 保 鮮 之 應 用 電 漿 鍍 膜 技 術 研 究 群 - 負 責 子 計 畫 四 : 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 極 之 研 究 子 計 畫 五 : 應 用 電 漿 技 術 於 insitu doping 自 旋 電 子 半 導 體 鍍 膜 技 術 研 究 金 屬 防 蝕 及 水 下 銲 接 之 應 用 研 究 群 - 負 責 子 計 畫 六 : 以 微 弧 電 漿 技 術 進 行 鎂 鋰 合 金 防 蝕 之 研 究 子 計 畫 七 : 水 下 電 漿 銲 接 及 分 析 技 術 之 研 究 二 實 施 進 度 本 計 畫 為 期 三 年, 除 預 計 完 成 七 個 子 計 畫 外, 尚 預 計 完 成 相 關 配 合 事 項 預 定 之 進 度 如 下 : ( 一 ) 七 項 子 計 畫 之 個 別 進 度, 已 詳 列 於 各 子 計 畫 中 透 過 子 計 畫 之 執 行, 預 計 計 畫 之 第 一 年 : 分 別 完 成 電 漿 技 術 於 五 大 主 軸 方 向 七 項 重 點 項 目 之 基 礎 研 究, 並 於 本 年 將 所 需 研 究 設 備 陸 續 購 入 完 成 測 試 並 開 始 使 用 計 畫 之 第 二 年 : 進 一 步 完 成 電 漿 技 術 於 五 大 主 軸 方 向 七 項 重 點 項 目 之 研 究, 並 尋 找 合 作 產 業, 開 始 將 各 研 究 項 目 朝 實 用 化 方 向 進 行 21

22 計 畫 之 第 三 年 : 1. 配 合 本 校 育 成 中 心 之 成 立, 使 進 行 之 研 發 項 目 具 實 際 應 用 之 價 值, 並 擇 定 適 合 廠 商, 進 駐 本 校 育 成 中 心, 以 使 研 發 發 展 項 目 之 成 果 可 開 始 商 業 化 2. 本 校 貴 儀 中 心 之 設 備 已 獲 充 實, 可 開 始 為 產 業 界 辦 理 各 項 訓 練 課 程 研 討 會, 使 本 校 之 電 漿 技 術 研 發 中 心 成 為 業 界 有 關 電 漿 技 術 諮 詢 之 平 台, 並 成 為 培 育 我 國 電 漿 技 術 人 才 之 重 鎮 ( 二 ) 其 餘 預 計 完 成 相 關 配 合 之 重 要 事 項 如 下 : 1. 九 十 三 學 年 度 ( 計 畫 之 第 一 年 ), 完 成 本 校 教 師 專 題 研 究 經 費 補 助 辦 法 之 修 訂, 明 訂 凡 與 本 計 畫 相 關 之 專 題 研 究, 皆 優 先 於 以 補 助 2. 九 十 三 學 年 度 ( 計 畫 之 第 一 年 ), 設 立 電 漿 學 程, 並 開 始 實 施 3. 九 十 三 學 年 度 ( 計 畫 之 第 一 年 ), 籌 組 全 國 電 漿 學 會 成 立, 並 開 始 運 作 4. 九 十 四 學 年 度 ( 計 畫 之 第 二 年 ), 工 程 技 術 研 究 所 設 立 電 漿 技 術 組, 並 開 始 招 生 5. 九 十 六 學 年 度 ( 計 畫 之 第 三 年 ), 成 立 電 漿 技 術 研 究 所 碩 士 班 22

23 陸 經 費 運 用 及 行 政 支 援 情 形 第 一 學 年 ( 至 ) ( 單 位 : 新 台 幣 元 ) 類 別 設 備 名 稱 說 明 數 單 價 金 額 經 費 來 源 ( 資 本 門 / ( 中 / 英 文 ) 本 部 補 助 經 費 提 供 配 合 款 量 經 常 門 ) 需 求 之 單 位 金 額 資 本 門 多 功 能 原 子 材 料 表 面 分 析 用 1,000,000 1,000,000 1,000,000 1 力 顯 微 鏡 資 本 門 GCMASS 材 料 分 子 材 料 分 析 用 1 1,000,000 1,000,000 1,000,000 製 作 反 應 用 微 波 反 應 器 用 資 本 門 500, , ,000 腔 體 1 白 金 探 針 電 量 測 電 漿 特 性 用 資 本 門 腦 量 測 控 制 1 500, , ,000 系 統 RF 電 源 供 應 5KW 電 源, 電 子 軟 板 電 漿 資 本 門 1 1,000,000 1,000,000 1,000,000 器 處 理 用 1 1,000,000 1,000,000 1,000,000 資 本 門 脈 衝 高 壓 電 反 應 器 電 源 供 應 用 200, , ,000 源 裝 置 資 本 門 氧 氣 分 析 儀 反 應 器 環 境 條 件 控 制 用 ( 氣 200, , ,000 及 控 制 系 統 體 ) 資 本 門 二 氧 化 碳 分 反 應 器 環 境 條 件 控 制 用 ( 氣 200, ,000 析 儀 及 控 制 體 ) 1 200,000 系 統 資 本 門 高 頻 電 源 供 矩 陣 式 電 漿 炬 電 源 用 ( 一 200, ,000 應 器 300W 台 ) 1 200,000 資 本 門 脈 衝 電 源 供 水 中 電 漿 反 應 器 電 源 用 應 系 統 資 本 門 水 蒸 氣 控 制 系 統 PE 分 解 用, 控 制 於 系 統 加 入 水 蒸 氣 用 1 200, , ,000 資 本 門 總 計 6,000,000 5,000,000 1,000,000 配 合 款 佔 教 育 部 補 助 款 比 例 20.0% 23

24 柒 預 期 成 效 及 影 響 本 計 畫 執 行 過 程, 在 工 程 學 院 中 將 整 合 電 漿 技 術 相 關 學 程, 以 提 供 給 工 程 學 院 電 資 學 院 學 生 之 修 習, 將 可 使 學 生 在 此 一 整 合 型 學 程 中 完 整 性 之 修 習 電 漿 技 術 相 關 理 論 與 實 務 之 運 用, 使 得 學 生 在 校 就 能 建 立 電 漿 技 術 之 概 念 與 實 力, 以 配 合 國 家 科 技 建 設 重 點 與 方 向 本 計 畫 完 成 後, 可 帶 來 之 效 益 有 : 1. 落 實 跨 系 院 之 整 合, 共 同 發 展 電 漿 應 用 技 術, 為 本 校 之 特 色 項 目 2. 透 過 研 發 能 量 之 累 積, 可 進 一 步 結 合 鄰 近 之 研 發 單 位, 提 供 產 業 實 際 之 技 術 開 發 與 諮 詢, 除 協 助 產 業 技 術 升 級 外, 亦 可 使 本 校 扮 演 區 域 性 電 漿 技 術 研 發 支 援 之 重 要 角 色 3. 透 過 跨 學 院 之 電 漿 應 用 技 術 學 程, 可 配 合 國 家 產 業 發 展, 培 育 更 多 電 漿 技 術 應 用 人 才 4. 透 過 本 計 畫 所 執 行 之 各 項 國 際 交 流 及 研 討 活 動, 可 提 供 業 界 與 相 關 研 究 人 員 一 互 動 平 臺, 增 加 彼 此 觀 摩 交 流 之 機 會 本 計 畫 預 期 完 成 之 工 作 項 目, 及 獲 致 重 要 成 果 包 括 : 1. 完 成 下 列 七 項 研 究 重 點 項 目 : (1) 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 鉅 應 用 於 材 料 表 面 改 質 之 技 術 開 發 研 究 (2) 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 合 成 製 程 之 分 析 與 控 制 (3) 電 漿 技 術 於 蔬 果 保 鮮 之 應 用 (4) 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 極 之 研 究 (5) 應 用 電 漿 技 術 於 insitu doping 自 旋 電 子 半 導 體 鍍 膜 (6) 以 微 弧 電 漿 技 術 進 行 鎂 鋰 合 金 防 蝕 之 研 究 (7) 水 下 電 漿 銲 接 及 分 析 技 術 之 研 究 2. 建 構 電 漿 應 用 技 術 學 程, 培 育 產 業 界 所 需 電 漿 技 術 人 才 3. 每 年 至 少 舉 辦 兩 場 產 學 合 作 觀 摩 研 討 會, 加 強 進 行 產 學 合 作 案 之 推 動 24

25 4. 提 昇 本 校 於 電 漿 領 域 方 面 之 研 發 量 能, 成 為 區 域 性 之 電 漿 技 術 研 發 重 鎮 將 於 計 畫 執 行 後 每 年 可 發 表 國 際 期 刊 論 文 2-4 篇, 國 內 外 研 討 會 期 刊 共 計 6-12 篇, 國 科 會 及 產 學 合 作 案 3-5 件 25

26 捌 附 錄 一 歷 年 執 行 計 畫 執 行 情 形 及 成 效 九 十 九 十 一 九 十 二 九 十 三 年 教 育 部 發 展 學 校 重 點 特 色 補 助 計 畫 一 覽 表 實 際 執 行 數 年 度 計 畫 名 稱 核 定 經 費 計 畫 執 行 期 間 ( 起 迄 ) 補 助 款 配 合 款 龍 華 技 術 學 院 網 路 大 學 教 育 系 統 之 建 構 (I) 龍 華 技 術 學 院 網 路 大 學 教 育 系 統 之 建 構 (II) 光 電 顯 示 器 背 光 模 組 元 件 設 計 製 程 與 量 測 技 術 研 發 奈 米 級 光 電 平 面 顯 示 器 元 件 設 計 與 製 程 技 術 研 發 13,799,000 11,000,000 2,799, 年 08 月 01 日 至 91 年 07 月 31 日 止 8,752,500 7,000,000 1,752, 年 08 月 01 日 至 92 年 07 月 31 日 止 7,782,100 5,000,000 2,782, 年 04 月 01 日 至 92 年 12 月 20 日 7,150,000 5,500,000 1,650, 年 04 月 01 日 至 93 年 12 月 20 日 各 計 畫 實 際 執 行 情 形 及 成 效 說 明 年 度 計 畫 名 稱 實 際 執 行 情 形 說 明 及 檢 討 ( 以 500 字 為 限 ) 龍 華 技 術 學 院 網 路 大 學 教 育 系 統 之 建 構 (I) 完 成 校 內 網 上 教 學 及 學 習 系 統 : 加 強 並 統 合 本 校 已 架 設 之 全 校 雙 向 有 線 電 視 網 路 Cable Modem 設 備 與 光 纖 網 路 骨 幹, 由 各 系 編 撰 上 網 課 程 內 容, 於 全 校 適 當 地 點 設 置 相 關 設 備, 提 供 全 校 師 生 上 網 學 習 之 環 境 均 依 進 度 完 成 利 用 有 線 電 視 網 路 完 成 桃 竹 苗 地 區 往 上 學 習 教 育 系 統 : 目 前 本 校 與 桃 竹 苗 龍 華 技 術 學 院 網 路 大 地 區 有 線 電 視 公 司 已 建 立 相 當 密 切 之 合 作 關 係, 共 同 進 行 有 線 電 視 相 關 研 究, 本 階 段 將 擴 大 與 有 線 電 視 公 司 之 合 作, 將 本 校 網 上 教 學 與 學 習 系 統 利 學 教 育 系 統 之 建 構 用 寬 頻 設 備 與 有 線 電 視 系 統 結 合, 供 桃 竹 苗 地 區 有 興 趣 上 網 學 習 之 人 士, (II) 利 用 Cable Modem 進 行 寬 頻 傳 輸, 並 連 結 至 本 校 的 教 學 伺 服 中 心, 進 行 同 步 及 非 同 步 學 習 均 依 進 度 完 成 本 特 色 計 畫 在 於 執 行 光 電 產 業 中 顯 示 器 背 光 模 組 元 件 之 微 成 型 製 程 技 術 量 測 技 術 設 計 改 良 與 表 面 技 術 之 發 展 與 推 廣 服 務, 一 方 面 可 建 立 龍 光 電 顯 示 器 背 光 模 組 華 科 技 大 學 在 光 電 元 件 設 計 製 程 與 量 測 之 基 本 能 量 另 一 方 面, 則 可 協 助 元 件 設 計 製 程 與 量 測 產 業 界 建 立 自 給 自 足 之 設 計 與 製 程 能 力, 若 有 完 整 的 成 品 產 出, 將 可 不 必 技 術 研 發 再 受 限 於 日 本 同 時 可 與 產 業 界 合 作 共 同 將 背 光 模 組 的 技 術 移 轉 至 國 內 第 一 階 段 當 以 背 光 模 組 為 基 本 之 對 象, 進 而 可 擴 大 範 圍 對 相 關 之 光 電 元 件 進 行 產 業 升 級 本 特 色 計 畫 在 於 執 行 光 電 產 業 中 顯 示 器 元 件 之 微 成 型 製 程 技 術 奈 米 量 測 技 術 光 學 元 件 之 設 計 改 良 與 表 面 技 術 之 發 展 與 推 廣 服 務, 一 方 面 可 建 立 奈 米 級 光 電 平 面 顯 示 龍 華 科 技 大 學 在 光 電 元 件 設 計 製 程 與 量 測 之 基 本 能 量 另 一 方 面, 則 可 協 器 元 件 設 計 與 製 程 技 助 產 業 界 建 立 自 給 自 足 之 設 計 與 製 程 能 力, 若 有 完 整 的 成 品 產 出, 將 可 不 術 研 發 必 再 受 限 於 日 本 同 時 可 與 產 業 界 合 作 共 同 將 背 光 模 組 的 技 術 移 轉 至 國 內 第 一 階 段 當 以 背 光 模 組 為 基 本 之 對 象, 進 而 可 擴 大 範 圍 對 相 關 之 光 電 元 件 進 行 產 業 升 級 26

27 二 本 校 目 前 執 行 電 漿 技 術 相 關 之 計 畫 內 容 計 畫 名 稱 計 畫 主 持 人 起 訖 時 程 委 託 單 位 合 作 金 額 與 計 畫 相 關 預 為 覆 焊 策 略 研 究 丁 鯤 89 年 11 月 至 核 研 所 450,000 電 漿 焊 接 90 年 12 月 大 型 管 件 覆 焊 研 究 丁 鯤 90 年 01 月 至 核 研 所 450,000 電 漿 焊 接 90 年 12 月 核 二 廠 覆 焊 後 收 縮 應 丁 鯤 90 年 11 月 至 核 研 所 49,000 電 漿 焊 接 力 分 析 90 年 12 月 風 險 告 知 管 制 應 用 於 丁 鯤 91 年 1 月 至 國 科 會 432,000 電 漿 焊 接 沸 水 式 核 能 電 廠 再 循 環 管 路 焊 道 檢 測 研 究 (1/3) 91 年 12 月 沸 水 式 核 能 電 廠 再 循 丁 鯤 環 系 統 管 路 裂 紋 安 全 評 估 互 動 式 電 腦 軟 體 開 發 與 應 用 風 險 告 知 管 制 應 用 於 丁 鯤 沸 水 式 核 能 電 廠 再 循 環 管 路 焊 道 檢 測 研 究 (1/3) 核 能 電 廠 安 全 級 管 路 葛 自 祥 斷 管 及 其 影 響 分 析 研 究 大 氣 熱 電 漿 噴 流 鍍 膜 葛 自 祥 最 佳 化 設 計 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 葛 自 祥 炬 數 值 分 析 核 能 電 廠 安 全 級 管 路 葛 自 祥 斷 管 及 其 影 響 分 析 研 究 (II) 以 緩 衝 層 MOCVD 技 術 張 宇 能 成 長 高 亮 度 白 光 LED 氧 化 鋅 材 料 紅 外 光 譜 分 析 磁 性 材 張 宇 能 料 MOCVD 之 氣 相 成 份 及 邊 界 層 反 應 以 化 學 氣 相 蒸 鍍 技 術 鄭 進 山 製 觸 媒 之 特 性 研 究 利 用 聚 電 解 質 以 薄 膜 李 九 龍 過 濾 法 提 升 除 鹽 效 率 之 研 究 化 學 氣 相 沉 積 銅 鋅 鐵 張 宇 能 氧 磁 體 薄 膜 之 研 究 91 年 10 月 至 93 年 9 月 92 年 1 月 至 92 年 12 月 91 年 2 月 至 91 年 12 月 93 年 5 月 至 93 年 4 月 93 年 8 月 至 94 年 7 月 94 年 1 月 至 94 年 12 月 92 年 1 月 至 92 年 12 月 90 年 8 月 至 91 年 7 月 90 年 8 月 至 91 年 7 月 90 年 8 月 至 91 年 7 月 89 年 8 月 至 90 年 10 月 台 灣 電 力 4,720,000 電 漿 焊 接 公 司 國 科 會 410,500 電 漿 焊 接 行 政 院 原 子 能 委 員 485,000 電 漿 焊 接 國 科 會 311,040 電 漿 材 料 表 面 改 質 國 科 會 588,700 電 漿 鍍 膜 行 政 院 原 子 能 委 員 490,000 電 漿 焊 接 國 科 會 293,600 CVD 國 科 會 334,800 CVD 國 科 會 356,400 CVD 國 科 會 351,000 薄 膜 國 科 會 289,300 CVD 27

28 三 七 項 重 點 發 展 項 目 之 子 計 畫 子 計 畫 一 : 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 鉅 應 用 於 材 料 表 面 改 質 之 技 術 開 發 研 究 子 計 畫 二 : 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 合 成 製 程 之 分 析 與 控 制 子 計 畫 三 : 電 漿 技 術 於 蔬 果 保 鮮 之 應 用 子 計 畫 四 : 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 極 研 究 子 計 畫 五 : 應 用 電 漿 技 術 於 insitu doping 自 旋 電 子 半 導 體 鍍 膜 技 術 研 究 子 計 畫 六 : 以 微 弧 電 漿 技 術 進 行 鎂 鋰 合 金 防 蝕 之 研 究 子 計 畫 七 : 水 下 電 漿 銲 接 及 分 析 技 術 之 研 究 28

29 子 計 劃 一 : 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 鉅 應 用 於 材 料 表 面 改 質 之 技 術 開 發 研 究 ( 配 合 發 展 主 軸 一 : 主 材 料 表 面 改 質 ) 主 持 人 葛 自 祥 29

30 一 近 五 年 內 主 要 研 究 成 果 說 明 (Journal paper) 1. Ko, T. H. and K. Ting, Entropy generation and thermodynamic optimization of fully developed laminar convection in a helical coil, International Communication of Mass and Heat Transfer (2004) (Accepted) (SCI) 2. Ko, T. H. and K. Ting, Optimal Reynolds Number for the Fully Developed Laminar Forced Convection in a Helical Coiled Tube, Energy (2004, April) (Submitted) (SCI) 3. Ko, T. H. and H. K. Chen, Three-Dimensional Isothermal Solid-gas Flow and Deposition Process in a Plasma Spray Torch with Solid Shield: A Numerical Study, Surface and Coatings Technology (2004, April) (Submitted) (SCI). 4. Ko, T. H., K. Ting and Y. C. Lin, Laminar Forced Convection and Entropy Generation in a Helical Coil with Constant Wall Heat Flux, Numerical Heat transfer, Part A (2004, Dec.) (Submitted) (SCI). 5. Ko, T. H., Numerical Analysis of Entropy Generation and Optimal Reynolds Number for Developing Laminar Forced Convection in Double-sine Ducts with Various Aspect Ratios, International Journal of Mass and Heat Transfer (2004, Sep.) (Submitted) (SCI). 6. Ko, T. H., Analysis of Optimal Reynolds Number for Developing Laminar Forced Convection in Double-sine Ducts Based on Entropy Generation Minimization Principle, Energy Conversion and Management. (2004, Oct.) (Submitted) (SCI). 7. Ko, T. H, C. M. Liu, Y. Matsuo, S. Ono and S. Teii, Numerical Simulation and Experimental Study of a Pen-like Atmospheric Plasma Torch, Journal of Physics D: Applied Physics. (2004, Nov.) (Submitted) (SCI). 8. Ko, T. H. and Ting, K, Entropy Generation and Optimal Analysis for Laminar Forced Convection in Curved Rectangular Ducts: A Numerical Study, Journal of Thermal Sciences. (2004, Oct.)(Submitted)(SCI) (Conference paper) 9. Ko, T. H., Numerical study on the flow characteristics in a partially obstructed tube with a complete bypass graft, Proceeding of the 4 th World Congress of Biomechanics, Aug. 4-9, Calgary, Canada (2002) 10 Ko, T. H., Effects of a complete bypass graft on the flow fields in a host artery with different severity stenosis, Proceeding of the 4 th World Congress of Biomechanics, Aug. 4-9, Calgary, Canada (2002) 11 Ko, T. H. and Yeh, H. C., Numerical investigation on the flowfields in a three-dimensional side-dump combustor including the side-inlet computations, Proceeding of the 19 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, pp , Nov , Taiwan, R. O. C. 30

31 (2002) 12 Ko, T. H., Numerical flow analysis in a partially occluded tube with a complete bypass graft, Proceeding of the 19 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, pp , Nov , Taiwan, R. O. C. (2002) 13 Ko, T. H. and Yeh, H. C., Effects of the anastomotic angle on the flowfields in a partially occluded tube with a complete bypass graft, Proceeding of the World Congress of the Chinese Biomedical Engineering, B06, p. 66, Dec , Taipei, R.O.C. (2002) 14 Ko, T. H. and Yeh, H. C., The Influences of Inlet Reynolds Number on the Flowfields in a Partially Occluded Tube with a Complete Bypass Graft, Proceeding of Conference on Biomedical Engineering and Technology, D3-28, p. 46, Dec , Kaohsiung, R.O.C. (2002) 15 Ko, T. H. and Yeh, H. C., A Comparison on the Laminar and Turbulent Flow Characteristics in Bifurcating Lung Airways, Proceeding of Conference on Biomedical Engineering and Technology, D3-29, p. 47, Dec , Kaohsiung, R.O.C. (2002) 16 Ko, T. H. and Yeh, H. C., Effects of guide vanes in the side-inlet of the flowfields in a Side-dump Ramjet Combustor, Proceeding of the 26 th Applied Mechanics, p. I010, Dec , R.O.C. (2002) 31 Conference of Chinese Society of 17 Ko, T. H. and Yeh, H. C., Numerical Investigation on the Mixing Phenomena in a Side-dump Ramjet Combustor, Proceeding of the 26 th Mechanics, p. I011, Dec , R.O.C. (2002) Conference of Chinese Society of Applied 18 Ko, T. H. and Yeh, H. C., Computation on the flowfields in a partially occluded tube with a complete bypass graft and different anastomotic angles, Proceeding of the 26 th Conference of Chinese Society of Applied Mechanics, p. I018, Dec , R.O.C. (2002) 19 Ko, T. H. and Yeh, H. C, Numerical Investigation on the Turbulent Flows in a Square Curved Side-inlet Duct of a Ramjet Combustor, Proceeding of the Third Conference on Combustion Science and Technology, IV-04, Mar. 29, Taipei, R.O.C. (2003) 20 Ko, T. H. and Young, I. L., Prediction of Turbulent Flows in a Sudden-expansion Pipe with Dual Lateral Jets, Proceeding of the Third Conference on Combustion Science and Technology, IV-05, Mar. 29, Taipei, R.O.C. (2003) 21 Ko, T. H., Lin, Y. C. and Chen, H. K. Evaluation of theκ-ε Two-equation Model and its Variances in a Sudden-expansion Pipe with Lateral Jets, Proceeding of the Third Conference on Combustion Science and Technology, IV-06, Mar. 29, Taipei, R.O.C. (2003) 22 Ko, T. H., Numerical study on the pulsatile flow in a stenoed artery with complete bypass graft, Proceeding of the Thirteen International Conference on Mechanics in Medicine and Biology, pp , Nov , Tainan, R.O.C. (2003) 23 Ko, T. H., A comparison between the flow features in a stenosed artery with a complete bypass graft and in an end-to-side model, Proceeding of the Thirteen International Conference on Mechanics in Medicine and Biology, pp , Nov , Tainan, R.O.C. (2003) 24 Ko, T. H. and Chen, H. K., Numerical evaluation of protecting bends from erosion by fixed ribs, Proceeding of the 20 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, pp , Dec. 5-6, Taipei, Taiwan, R. O. C. (2003)

32 25 Ko, T. H., Chen, H. K. and Lin, Y. C., Numerical analysis of erosion in curved pipes with different bending angles, Proceeding of the 20 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, pp , Dec. 5-6, Taipei, Taiwan, R. O. C. (2003) 26 Ko, T. H. and Yeh, H. C., Effects of side-jet angle on the mixing phenomena in a closed-end cylindrical duct with dual opposed curved side-jets, Proceeding of the 20 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, pp , Dec. 5-6, Taipei, Taiwan, R. O. C. (2003) 27 Ko, T. H. and Ting, K., Thermodynamic optimization of fully developed laminar convection in a helical coil, Proceeding of the Forth Conference on Combustion Science and Technology, Mar. 27, Taoyuan, Taiwan, R.O.C. (2004) 28 Ko, T. H. and Lin, U. C., Numerical investigation on the laminar flow fields and entropy generation in a helical coil with constant heat flux, Proceeding of the Forth Conference on Combustion Science and Technology, Mar. 27, Taoyuan, Taiwan, R.O.C. (2004) 29 Ko, T. H. and Chen, H. C., Evaluation of the k-e two-equation model and its variances in solid-gas two-phase flows, Proceeding of the Forth Conference on Combustion Science and Technology, Mar. 27, Taoyuan, Taiwan, R.O.C. (2004) 30 Ko, T. H. and A. Z. Lin, Numerical Simulation of a Pen-like Atmospheric Plasma Torch, Proceeding of the 11th Conference on Computational Fluid Dynamics, Aug. 5-7, Taitong, Taiwan, R.O.C. (2004) 31 Ko, T. H., Liu, C. M. and Chen, H. K., Numerical Study on Three-Dimensional Isothermal Solid-gas Flow and Deposition Process in a Plasma Spray Torch with Different Solid Shield Diffusive Angle, Proceeding of the 21 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, Nov , Kaohsiung, Taiwan, R. O. C. (2004) 32 Ko, T. H., Ting, K. and Chen, H. K., Effect of Spray Angle on Three-Dimensional Isothermal Solid-gas Flow and Deposition Process in Atmospheric Plasma Spray Torch: A Numerical Study, Proceeding of the 21 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, Nov , Kaohsiung, Taiwan, R. O. C. (2004) 33 Ko, T. H. and Lin, Y. C., Numerical Investigation on Entropy Generation in Helical Coils with Uniform Wall Heat Flux and Various Coiled Tube Sizes, Proceeding of the 21 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, Nov , Kaohsiung, Taiwan, R. O. C. (2004) 34 Ko, T. H. and Lin, A. Z., Numerical Analysis of Entropy Generation and Optimal Reynolds Number for Developing Laminar Forced Convection in Double-sine Ducts, Proceeding of the 21th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, Nov , Kaohsiung, Taiwan, R. O. C. (2004) 35 Ko, T. H., Ting, K, and Yu, T. Y., Effects of Aspect Ratio on Entropy Generation and Optimal Reynolds Number for Developing Laminar Forced Convection in Double-sine Ducts: a Numerical Study, Proceeding of the 28 th Conference of Chinese Society of Applied Mechanics, Dec. 3-4, R.O.C. (2004) 36 Ko, T. H., Ting, K., Lin, W. S. and Yu, T. S., Entropy Generation and Optimal Dean Number for Laminar Forced Convection in Curved Rectangular Ducts: a Numerical Study, Proceeding 32

33 of the 28 th Conference of Chinese Society of Applied Mechanics, Dec. 3-4, R.O.C. (2004) 37 Ko, T. H., Ting, K. and Yeh, C. C., Effect of Spray Angle on Three-Dimensional Flow and Deposition Process in Atmospheric Plasma Spray Torch: A Numerical Study, The third Asia CVD Conference, Taipei, Taiwan. Nov (2004) ( 專 題 研 究 計 畫 ) 1. 葛 自 祥, 除 役 中 火 災 事 故 之 模 擬 與 火 災 防 護 計 畫 之 評 估, 行 政 院 原 子 能 委 員 委 託 研 究 計 畫 研 究 報 告 (2002) 2. 葛 自 祥, 核 能 電 廠 安 全 級 管 路 斷 管 及 其 影 響 分 析 研 究, 行 政 院 原 子 能 委 員 委 託 研 究 計 畫 研 究 報 告 (2004) 3. 葛 自 祥, 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 數 值 分 析, 國 科 會 專 題 研 究 計 畫,93/8/1-93/7/31 (2004). 4. 葛 自 祥, 大 氣 熱 電 漿 噴 流 鍍 膜 最 佳 化 設 計, 國 科 會 提 產 業 技 術 及 人 才 培 育 研 究 計 畫, 93/5/1-93/4/30 (2004). 5. 葛 自 祥, 核 能 電 廠 安 全 級 管 路 斷 管 及 其 影 響 分 析 研 究 (II), 行 政 院 原 子 能 委 員 委 託 研 究 計 畫,94/01/01-94/12/31(2005) 二 研 究 計 畫 之 背 景 及 目 的 含 碳 聚 乙 烯 (Carbon-included Polyethylene) 材 料 特 性 及 表 面 改 質 之 需 求 含 碳 聚 乙 烯 (Carbon-included Polyethylene,PE) 係 廣 泛 應 用 於 工 業 界 之 材 料, 由 於 其 屬 於 正 溫 係 數 (positive temperature coefficient) 材 料, 當 溫 度 上 升 時, 其 電 阻 值 會 隨 之 上 升, 故 常 被 用 來 做 為 溫 度 感 測 及 系 統 保 護 裝 置 ; 當 系 統 溫 度 異 常 上 升 時, 利 用 其 電 阻 上 升 之 特 性, 切 斷 電 流, 以 達 保 護 電 路 系 統 之 目 的 在 實 際 應 用 中, 我 們 常 需 在 PE 表 面 鍍 上 一 層 金 屬 薄 膜 以 形 成 電 極, 然 而 由 於 PE 之 親 水 性 (hydrophilic property) 不 佳, 使 金 屬 鍍 膜 與 PE 表 面 之 緊 密 結 合, 十 分 不 易 達 成 類 似 的 情 況 亦 出 現 在 其 他 高 分 子 材 料 之 鍍 膜 問 題 中, 因 此, 尋 找 適 切 有 效 的 方 法, 將 欲 鍍 膜 之 表 面 予 以 處 理, 以 改 善 其 親 水 性, 是 工 業 界 迫 切 需 要 解 決 的 課 題 之 一 電 漿 技 術 運 用 於 材 料 表 面 改 質 之 原 理 與 問 題 電 漿 是 由 帶 電 離 子 電 子 及 部 分 中 性 粒 子 所 組 成, 常 被 稱 為 物 質 的 第 四 態, 是 一 種 多 功 能 的 流 體, 具 有 高 能 量 密 度 高 化 學 反 應 性 等 特 質 因 為 電 漿 之 特 性 可 籍 由 改 變 外 加 之 電 磁 強 度 而 予 以 調 整, 十 分 易 於 操 控, 因 此, 應 用 潛 力 非 常 雄 厚 電 漿 中 各 類 帶 電 或 不 帶 電 的 粒 子, 經 由 各 種 不 同 的 放 電 過 程, 獲 得 高 度 的 能 量, 這 些 粒 子 不 僅 相 互 碰 撞, 也 會 衝 撞 曝 露 於 電 漿 中 的 物 質 表 面, 或 經 特 別 設 計 安 置 的 基 板 (substrate); 運 用 這 些 高 能 粒 子 對 材 質 表 面 之 碰 撞, 便 產 生 多 種 應 用, 如 於 半 導 體 製 程 中 廣 泛 應 用 的 電 漿 蝕 刻 技 術 (plasma etching) 藉 由 離 子 植 入 (ion implantation) 以 改 善 物 質 表 面 硬 度 增 強 耐 磨 及 耐 腐 蝕 等 特 性 之 應 用 等 而 運 用 經 由 電 漿 中 高 能 粒 子 與 物 質 表 面 之 碰 撞, 將 可 改 變 材 質 表 面 之 粗 糙 度 與 分 子 結 構, 進 而 改 變 物 質 表 面 之 特 性, 此 類 材 質 表 面 的 改 質 工 程, 亦 為 電 漿 技 術 主 要 應 用 的 領 域 之 一 本 計 畫 即 33

34 著 眼 於 此, 擬 利 用 電 漿 進 行 PE 材 料 表 面 改 質, 以 改 善 其 親 水 性 利 用 電 漿 技 術 進 行 材 料 表 面 改 質 時, 可 依 放 電 形 成 電 漿 時 環 境 之 氣 壓 高 低, 區 分 為 1Torr 以 下 之 低 氣 壓,1- 數 10Torr 之 中 氣 壓, 以 及 數 10Torr 以 上 之 高 氣 壓 放 電 三 大 類 利 用 中 低 壓 電 漿 進 行 材 料 表 面 改 質 時, 由 於 粒 子 在 低 氣 壓 環 境 下 易 於 擴 散, 很 容 易 形 成 較 大 體 積 之 電 漿, 因 此 效 果 極 為 良 好 然 而, 由 於 中 低 壓 電 漿 需 利 用 真 空 設 備 造 成 低 壓 環 境, 而 此 類 設 備 往 往 昂 貴 且 操 作 過 程 複 雜, 需 十 分 謹 慎, 常 易 導 致 成 本 之 提 升 此 外, 由 於 在 中 低 壓 環 境 下, 自 由 基 等 粒 子 密 度 低, 因 此 在 進 行 表 面 處 理 時, 需 較 長 之 時 間, 相 對 於 高 氣 壓 電 漿 而 言, 其 效 率 較 低 高 氣 壓 電 漿 - 係 指 大 氣 壓 下 之 放 電, 其 放 電 型 式, 依 電 極 的 構 造 形 狀 與 配 置 不 同, 大 致 可 分 為 corona discharge,barrier discharge 與 surface discharge 三 類 相 對 於 低 壓 電 漿 之 缺 點, 大 氣 電 漿 在 一 般 大 氣 壓 環 境 下 即 可 操 作, 由 於 不 需 真 空 設 備, 故 費 用 低 廉 此 外, 由 於 在 大 氣 壓 環 境 下, 自 由 基 等 粒 子 密 度 高, 進 行 材 料 表 面 改 質 工 程 時, 效 率 可 大 幅 提 昇 對 於 需 考 量 成 本, 且 需 快 速 處 理 之 材 料 表 面 改 質 工 程 而 言, 大 氣 電 漿 具 有 絶 對 之 優 勢 及 發 展 潛 力 目 前 現 有 應 用 電 極 放 電 來 進 行 材 料 表 面 改 質 之 大 氣 電 漿 裝 置, 大 多 將 欲 處 理 之 物 件 置 於 二 電 極 之 間, 利 用 放 電 時, 在 二 電 極 間 所 產 生 之 電 漿 進 行 表 面 材 質 改 造 放 電 之 型 式 則 以 corona discharge 或 barrier discharge 或 兩 者 之 混 合 型 式 為 主 [1] 由 於 待 處 理 之 物 件 處 於 放 電 之 兩 極 間, 物 件 表 面 直 接 受 各 類 帶 電 或 中 性 粒 子 衝 擊, 當 物 件 之 材 質 較 為 脆 弱 時 ( 如 塑 膠 薄 膜 等 高 分 子 材 料 ), 極 易 造 成 物 件 表 面 受 損 此 外, 在 裝 置 內 溫 度 甚 高, 稍 有 控 制 不 當, 亦 將 造 成 物 件 過 熱 而 損 害 針 對 於 這 些 問 題, 並 同 時 考 量 裝 置 使 用 時 之 便 利 性, 開 發 簡 便 實 用 大 氣 電 漿 裝 置, 是 目 前 電 漿 界 努 力 之 重 要 項 目 之 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 研 發 與 應 用 於 材 料 表 面 改 質 之 進 展 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 (pen-like plasma torch)( 如 圖 1), 係 由 鄭 信 力 教 授 所 帶 領 之 研 發 團 隊, 於 2002 年 在 日 本 設 計 研 發 [2] 此 裝 置 之 構 造 極 為 簡 單, 裝 置 中 央 小 管 係 為 不 锈 鋼 管, 除 做 為 Ar 或 N2 等 製 程 氣 體 之 流 通 管 道 外, 亦 做 為 內 部 電 極 之 用 中 央 小 管 外 面 為 一 陶 磁 絶 緣 體, 在 陶 磁 絶 緣 體 之 下 方, 則 有 一 環 狀 之 不 鏽 鋼 做 為 外 部 電 極 當 二 電 極 間 加 入 電 壓 源 後, 沿 著 陶 磁 絕 緣 體, 在 外 部 電 極 與 內 部 電 極 之 頂 端 間 將 產 生 surface discharge, 當 製 程 氣 體 自 中 央 小 管 向 下 噴 出 時, 在 內 部 電 極 的 頂 端 便 產 生 電 漿 炬 (plasma torch) 此 裝 置 之 特 色 有 :(1) 構 造 十 分 簡 單 ; (2) 用 於 材 料 表 面 改 質 時, 處 理 之 物 件 並 不 在 兩 電 極 間 之 放 電 空 間, 可 避 免 處 理 之 物 件 因 受 各 類 帶 電 或 中 性 粒 子 衝 擊 時, 所 造 成 之 損 傷 此 外, 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 不 僅 可 在 欲 進 行 表 面 改 質 物 件 之 上 方 任 意 移 動, 且 可 輕 易 調 整 電 漿 炬 與 材 質 表 面 間 之 距 離, 以 能 在 最 佳 的 位 置, 獲 得 最 好 的 改 質 效 果 2002 年 鄭 教 授 在 原 服 務 學 校 ( 日 本 武 藏 工 業 大 學 ) 之 團 隊, 以 DC 電 源 驅 動 此 筆 式 大 氣 電 漿 炬, 並 應 用 於 塑 膠 薄 膜 表 面 之 改 質 [2], 雖 DC 電 源 所 產 生 之 電 力 僅 1~5W, 但 卻 有 效 的 改 善 塑 膠 的 親 水 性, 將 接 觸 角 (contact angle) 從 處 理 前 的 50, 降 低 至 處 理 後 的 5, 34

35 Ar Gas Inlet N 2 Stainless Steel Electrode Cathode M.B. RF13.56MHz 170mm 150mm Ceramic Insulation Tube Stainless Steel Electrode Plasma Anode 圖 1. 筆 式 大 氣 壓 電 漿 炬 之 構 造 圖 大 幅 改 善 了 材 質 表 面 的 親 水 性 2003 年, 鄭 教 授 之 團 隊 又 改 以 交 流 電 RF 電 源 驅 動 筆 式 大 氣 電 漿 炬, 並 應 用 於 聚 乙 烯 材 質 之 表 面 處 理 [3], 使 用 的 電 力 為 W, 頻 率 為 13.56MHZ, 經 過 數 秒 之 處 理 後, 材 質 表 面 之 接 觸 角 由 處 理 前 的 85.1, 大 幅 降 為 5.5, 不 僅 處 理 速 度 迅 速, 且 改 質 成 效 良 好 由 於 筆 式 大 氣 壓 電 漿 炬 裝 置 構 造 簡 單, 操 作 方 便, 且 對 物 質 表 面 處 理 之 成 效 良 好, 被 認 為 是 一 項 十 分 具 有 潛 力 的 電 漿 炬 裝 置, 甚 有 持 續 研 發 之 價 值 圖 2. 筆 式 大 氣 壓 電 漿 炬 之 構 造 圖 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 之 概 念 與 研 究 進 展 筆 式 大 氣 壓 電 漿 炬 裝 置 應 用 於 表 面 處 理 時, 雖 因 大 氣 壓 環 境 下 自 由 基 等 粒 子 密 度 較 高, 使 處 理 速 度 較 低 壓 環 境 下 大 幅 提 昇 100 倍 以 上 [2, 3], 但 面 臨 的 問 題 是 其 有 效 處 理 之 面 積 仍 侷 限 於 小 範 圍, 在 實 用 上 尚 無 法 滿 足 實 際 之 需 求 為 解 決 此 一 問 題, 我 們 提 出 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 構 想, 即 將 數 個 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 以 矩 陣 式 排 列, 以 產 生 較 大 面 35

36 積 之 電 漿 炬, 進 而 提 昇 表 面 改 質 之 有 效 範 圍 為 尋 求 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 最 佳 設 計, 必 須 先 了 解 各 設 計 參 數 對 所 產 生 電 漿 特 性 之 影 響 因 此 在 現 正 執 行 的 計 畫 內 容 中, 我 們 主 要 係 針 對 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置, 建 立 適 當 之 數 學 模 式, 以 數 值 模 擬 之 方 式, 針 對 不 同 操 作 條 件, 進 行 計 算 分 析, 欲 將 結 果 提 供 設 計 參 考, 以 加 速 完 成 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 最 佳 設 計 該 計 畫 擬 針 對 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置, 先 就 單 一 型 式 之 裝 置, 建 立 理 論 數 學 模 式, 以 數 值 模 擬 預 測 分 析 裝 置 之 幾 何 尺 寸 形 狀 構 造 氣 流 大 小 電 力 強 度 等 設 計 參 數 對 電 漿 特 性 之 影 響, 再 針 對 各 種 複 式 或 陣 列 式 之 組 合 情 況 下 所 產 生 之 電 漿 特 性 進 行 理 論 預 測 分 析, 從 而 提 出 最 佳 之 設 計 參 數 與 排 列 組 合 方 式 同 時 為 配 合 理 論 數 值 模 擬 精 準 度 之 確 認, 亦 計 畫 進 行 實 驗 測 試 冀 望 在 數 值 模 擬 與 實 驗 之 相 互 配 合 之 下, 能 提 出 效 果 良 好, 且 又 符 合 表 面 改 質 實 際 需 求 之 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 最 佳 設 計 該 計 畫 已 完 成 多 項 研 究 成 果, 茲 扼 要 簡 述 如 下 : 一 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 模 擬 : 吾 人 已 成 功 的 完 成 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 之 模 擬 由 於 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 可 視 為 一 軸 對 稱 之 流 場, 圖 3 所 示 為 軸 對 稱 之 計 算 區 間 圖 4 及 圖 5 所 顯 示 的 則 是 電 漿 炬 在 內 部 電 極 頂 點 ( 電 漿 衝 入 大 氣 ) 位 置 附 近 之 流 場 狀 況 x=0.17m 圖 3 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 軸 對 稱 之 計 算 區 間 36

37 圖 4 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場, 溫 度 ( 上 半 ) 與 軸 向 速 度 ( 下 半 ) 分 佈 x=0.17 為 內 部 電 極 頂 點 ( 電 漿 衝 入 大 氣 ) 之 位 置 圖 5 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場, 徑 向 速 度 ( 上 半 ) 與 速 度 向 量 及 流 線 ( 下 半 ) 分 佈 x=0.17 為 內 部 電 極 頂 點 ( 電 漿 衝 入 大 氣 ) 之 位 置 37

38 二 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 組 裝 與 實 際 測 試 : 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 並 已 於 實 驗 室 組 裝 完 成 並 實 際 測 試 成 功 圖 6 所 示 為 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 之 實 際 產 生 照 片 圖 6 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 三 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 之 迴 轉 溫 度 (rotational temperature) 量 測 : 為 確 認 數 值 模 擬 之 正 確 性, 需 量 測 一 組 實 驗 數 據 以 供 比 較 一 般 電 漿 中 之 迴 轉 激 發 分 子 係 被 解 釋 成 因 為 數 次 之 衝 突 而 與 同 步 能 量 平 衡, 所 以 其 迴 轉 溫 度 幾 乎 可 考 慮 為 氣 體 溫 度 而 迴 轉 溫 度 可 由 激 發 粒 子 所 發 出 之 光 譜 (OES) 來 決 定 在 大 氣 環 境 下, 雙 原 子 分 子 之 迴 轉 溫 度 可 近 似 視 為 氣 體 溫 度, 故 以 量 測 氮 氣 之 迴 轉 溫 度 作 為 供 與 數 值 模 擬 結 果 比 較 之 依 據 圖 7 所 示 為 量 測 裝 置 之 示 意 圖, 主 要 係 利 用 光 纖 偵 測 電 漿 之 光 源, 再 利 用 光 譜 分 析 儀 及 PMA(photo-multi-amplifier) 將 光 譜 訊 號 變 換 成 電 氣 訊 號 來 解 析 並 記 錄 於 電 腦, 再 利 用 數 值 比 對 計 算 的 方 法 同 時 求 得 迴 轉 溫 度 及 震 動 溫 度 [4], 將 所 量 測 之 光 譜 與 氮 氣 在 不 同 溫 度 下 理 論 計 算 之 光 譜 比 對, 便 可 確 定 電 漿 之 溫 度 相 關 之 詳 細 說 明, 可 見 於 [5] 圖 7 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 迴 轉 溫 度 量 測 系 統 38

39 四 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 數 值 計 算 與 實 驗 量 測 之 比 較 圖 8 所 示 為 兩 種 不 同 製 程 氣 體 流 量 事 例 之 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 數 值 計 算 與 實 驗 量 測 之 比 較 圖 中 所 示 為 沿 電 漿 炬 中 心 軸 之 溫 度 分 佈, 由 圖 中 可 以 發 現 數 值 計 算 與 實 驗 量 測 結 果 之 差 異 不 大, 確 認 數 值 模 擬 之 正 確 性 五 製 程 氣 體 流 量 對 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 之 影 響 分 析 在 確 認 數 值 計 算 之 正 確 性 後, 首 先 已 完 成 不 同 製 程 氣 體 流 量 對 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 之 影 響 分 析 圖 9-11 所 示 為 計 算 之 結 果 比 較 圖 8 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 數 值 計 算 與 實 驗 量 測 之 比 較 圖 9 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 溫 度 分 佈,Q=3L/min( 上 半 ) 與 Q=12L/min ( 下 半 ) x=0.17 為 內 部 電 極 頂 點 ( 電 漿 衝 入 大 氣 ) 之 位 置 39

40 圖 10 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 軸 向 速 度 分 佈,Q=3L/min( 上 半 ) 與 Q=12L/min ( 下 半 ) x=0.17 為 內 部 電 極 頂 點 ( 電 漿 衝 入 大 氣 ) 之 位 置 圖 11 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 徑 向 速 度 分 佈,Q=3L/min( 上 半 ) 與 Q=12L/min ( 下 半 ) x=0.17 為 內 部 電 極 頂 點 ( 電 漿 衝 入 大 氣 ) 之 位 置 針 對 單 一 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 之 數 值 模 擬 實 際 組 裝 及 實 驗 量 測, 皆 已 順 利 完 成, 並 已 完 成 二 篇 論 文, 其 中 一 篇 已 發 表 於 學 術 會 議 [6], 另 一 篇 [5] 已 投 稿 至 期 刊, 現 正 審 查 中 目 前 正 積 極 開 始 建 構 複 式 筆 式 大 氣 電 漿 炬 流 場 數 值 模 擬 之 模 式, 執 行 計 算 分 析, 以 便 進 一 步 著 手 進 行 設 計 參 數 之 探 討, 提 出 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬 之 最 佳 設 計 40

41 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 實 際 組 裝 與 運 用 於 材 料 表 面 改 質 之 研 究 有 關 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬 研 發 之 終 極 目 的, 係 為 建 構 一 可 實 際 運 用 於 材 料 表 面 改 質, 且 效 果 良 好 之 裝 置 此 裝 置 除 於 實 驗 室 中 測 試 可 行 外, 並 需 具 有 得 以 模 組 化, 且 可 實 際 於 生 產 線 上 應 用 之 潛 力 為 了 逐 步 達 成 此 一 目 標, 需 具 備 有 組 裝 單 一 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 經 驗 與 能 力, 並 應 可 依 數 值 模 擬 結 果, 提 出 一 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬 之 最 佳 化 設 計 然 而, 在 實 用 上 之 最 佳 條 件, 尚 需 依 靠 實 際 表 面 改 質 的 效 果 來 決 定 在 已 完 成 之 以 單 一 筆 式 電 漿 炬 對 PE 表 面 處 理 之 研 究 中 發 現, 材 料 表 面 之 接 觸 角 會 隨 電 漿 處 理 時 間 而 下 降 ( 參 見 圖 15), 但 處 理 完 畢 後, 置 放 大 氣 中, 接 觸 角 會 立 即 升 高 回 復 至 一 飽 和 值 ( 參 見 圖 16) 此 現 象 均 為 電 漿 中 之 電 子 離 子 自 由 基 及 氣 體 溫 度 等 所 引 起 各 種 反 應 過 程 之 結 果, 但 至 今 其 詳 細 之 機 制 仍 未 被 十 分 瞭 解 為 提 供 處 理 時 間 及 控 制 回 復 特 性 有 關 之 最 佳 化 設 計 之 實 際 條 件, 實 有 必 要 設 計 完 成 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬 裝 置, 予 以 建 構 組 裝, 並 進 行 材 料 表 面 改 質 之 測 試 ; 而 深 入 探 討 反 應 機 制, 解 明 電 漿 條 件 與 表 面 處 理 效 果 之 關 係, 更 是 後 續 一 項 重 要 之 工 作 本 計 畫 即 擬 延 續 本 (93) 年 度 之 計 畫, 在 已 有 之 研 發 基 礎 上, 持 續 進 行 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 研 發, 而 主 要 之 重 點 在 於 完 成 實 際 裝 置 之 組 裝, 並 以 PE 為 測 試 材 料, 進 行 電 漿 條 件 與 表 面 改 質 效 果 之 研 究 此 外, 亦 將 探 討 PE 在 經 電 漿 處 理 後, 其 材 質 表 面 細 微 結 構 之 變 化, 以 了 解 PE 親 水 性 之 演 變, 與 材 質 表 面 之 物 理 與 化 學 特 性 變 化 之 關 連 性 在 本 計 畫 中, 將 進 行 下 列 重 點 之 探 討 : 一 單 排 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 組 裝, 以 光 譜 探 針 等 方 法, 量 測 各 種 電 漿 參 數 及 其 空 間 分 布, 並 應 用 於 PE 材 料 表 面 改 質, 探 討 各 種 參 數 對 親 水 性 之 影 響 二 平 行 式 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 組 裝, 並 應 用 於 PE 材 料 表 面 改 質, 探 討 對 親 水 性 之 影 響 三 交 錯 式 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 組 裝, 並 應 用 於 PE 材 料 表 面 改 質, 探 討 對 親 水 性 之 影 響 四 改 變 輸 入 電 力 與 製 程 氣 體 流 量 等 放 電 條 件, 量 測 電 漿 參 數, 探 討 其 對 PE 材 料 表 面 改 質 效 果 之 研 究 五 探 討 筆 式 電 漿 炬 以 靜 態 方 式 (PE 固 定 不 動 ), 或 動 態 方 式 (PE 於 一 加 工 平 面 以 生 產 線 方 式 向 前 移 動 ), 進 行 PE 材 料 表 面 改 質 之 效 果 之 差 異 性 六 有 關 PE 在 經 電 漿 處 理 後, 其 材 質 表 面 細 微 結 構 變 化 之 探 討, 則 計 畫 以 下 列 方 法 進 行 : 1. PE 材 料 表 面 改 質 前 後, 接 觸 角 (contact angle) 之 量 測 與 比 較 2. 利 用 電 子 顯 微 鏡 (SEM,Scanning Electron Microscope) 及 原 子 力 顯 微 鏡 (DFM,Dynamic Force Microscopy) 或 掃 瞄 式 探 針 顯 微 鏡 (SPM), 觀 察 PE 材 料 表 面 改 質 前 後, 表 面 粗 糙 度 之 變 化 3. 利 用 XPS(X-ray Photoemission Spectroscopy) 檢 驗 PE 材 料 表 面 改 質 前 後, 表 面 分 子 鍵 結 之 變 化 41

42 三 目 前 已 有 與 計 畫 相 關 之 基 礎 與 成 果 3.1 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 產 學 合 作 建 教 合 作 之 成 果 1. 葛 自 祥, 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 數 值 分 析, 國 科 會 專 題 研 究 計 畫,93/8/1-93/7/31 (2004) 2. 葛 自 祥, 大 氣 熱 電 漿 噴 流 鍍 膜 最 佳 化 設 計," 國 科 會 提 產 業 技 術 及 人 才 培 育 研 究 計 畫,93/5/1-93/4/30 (2004). 3.2 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 論 文 發 表 1. Ko, T. H, C. M. Liu, Y. Matsuo, S. Ono and S. Teii, Numerical Simulation and Experimental Study of a Pen-like Atmospheric Plasma Torch, Journal of Physics D: Applied Physics. (2004, Nov.) (Submitted) (SCI). 2. Ko, T. H. and A. Z. Lin, Numerical Simulation of a Pen-like Atmospheric Plasma Torch, Proceeding of the 11th Conference on Computational Fluid Dynamics, Aug. 5-7, Taitong, Taiwan, R.O.C. (2004) 3. Ko, T. H., Liu, C. M. and Chen, H. K., Numerical Study on Three-Dimensional Isothermal Solid-gas Flow and Deposition Process in a Plasma Spray Torch with Different Solid Shield Diffusive Angle, Proceeding of the 21 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, Nov , Kaohsiung, Taiwan, R. O. C. (2004) 4. Ko, T. H., Ting, K. and Chen, H. K., Effect of Spray Angle on Three-Dimensional Isothermal Solid-gas Flow and Deposition Process in Atmospheric Plasma Spray Torch: A Numerical Study, Proceeding of the 21 th Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineer, Nov , Kaohsiung, Taiwan, R. O. C. (2004) 5. Ko, T. H., Ting, K. and Yeh, C. C., Effect of Spray Angle on Three-Dimensional Flow and Deposition Process in Atmospheric Plasma Spray Torch: A Numerical Study, The third Asia CVD Conference, Taipei, Taiwan. Nov (2004) 1.3 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 設 備 詳 見 表 一 四 研 究 方 法 進 行 步 驟 及 執 行 進 度 1. 研 究 方 法 與 執 行 步 驟 本 計 畫 之 執 行 將 包 括 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 組 裝 與 電 漿 參 數 之 量 測 PE 之 表 面 處 理, 以 及 處 理 後 材 料 之 測 試 與 檢 驗 等 三 個 部 分 42

43 (1) 組 裝 本 計 畫 擬 測 試 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 有 下 列 三 種 型 式 : a. 單 排 型 ( 如 圖 12); N2 Ar RF Power 圖 12 單 排 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 示 意 圖 b. 平 行 式 陣 列 型 ( 如 圖 13); N2 Ar RF Power 圖 13 平 行 式 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 示 意 圖 43

44 c. 交 錯 式 陣 列 型 ( 如 圖 14); N2 Ar RF Power 圖 14 交 錯 式 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 示 意 圖 由 於 已 有 單 一 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 設 置 經 驗, 針 對 以 上 三 種 型 式 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 設 置, 應 可 順 利 完 成 所 採 用 之 電 源 為 RF(13.56MHz,300W) 之 電 源 供 應 器 電 漿 參 數 則 主 要 使 用 光 譜 分 析 儀 量 測 自 由 基 之 種 類 與 相 對 密 度 及 電 子 溫 度 與 迴 轉 溫 度 (2) PE 之 表 面 處 理 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 設 置 完 成 後, 隨 即 運 用 於 進 行 PE 之 表 面 改 質 將 利 用 前 述 三 種 型 式 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置, 針 對 PE 進 行 處 理, 並 改 變 不 同 之 處 理 時 間 輸 入 電 力, 以 及 製 程 氣 體 流 量, 探 討 各 項 因 素 改 變 時, 對 表 面 改 質 處 理 效 果 之 影 響 (3) 測 試 與 檢 驗 對 於 以 電 漿 處 理 前 後 PE 表 面 性 質 變 化 之 觀 測 與 檢 驗, 是 完 成 本 計 畫 之 重 要 一 環 從 中 不 僅 要 探 討 PE 表 面 材 質 之 特 性, 在 經 不 同 型 式 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置, 以 各 種 不 同 操 作 條 件 處 理 後 之 變 化, 更 要 進 一 步 研 究 造 成 表 面 材 質 特 性 改 變, 與 材 料 表 面 分 子 細 微 結 構 變 化 間 之 關 係, 如 此, 方 可 使 本 研 究 計 畫 更 有 價 值 本 計 畫 擬 利 用 針 對 PE 表 面 接 觸 角 作 為 PE 表 面 材 質 親 水 性 之 改 變 為 指 標, 並 觀 測 與 檢 驗 材 料 表 面 分 子 細 微 結 構, 如 粗 糙 度 及 分 子 鍵 結 結 構 之 變 化, 以 便 進 行 深 入 之 探 討 相 關 之 重 點, 分 述 如 下 : a. 接 觸 角 量 測 : 接 觸 角 是 表 達 物 質 表 面 親 水 性 最 直 接 之 指 標, 吾 人 將 利 用 接 觸 角 量 測 計, 針 對 PE 試 片 於 電 漿 處 理 前 後 之 接 觸 角 進 行 量 測, 以 了 解 電 漿 處 理 之 效 果 其 中 有 兩 個 重 點, 第 一 為 電 漿 處 理 後,PE 表 面 接 觸 角 立 即 之 變 化 ; 第 二 則 為 處 理 過 之 PE 表 面, 其 接 觸 角 隨 在 大 氣 中 之 放 置 時 間 而 恢 復 變 大 之 情 況 吾 人 已 在 先 前 的 研 究 中, 利 用 接 觸 角 量 測 計, 針 對 一 PE 試 片 經 44

45 由 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 後 之 接 觸 角, 進 行 量 測 圖 15 所 示 即 為 PE 試 片 經 由 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 後, 處 理 時 間 及 接 觸 角 之 變 化 情 況 自 該 圖 可 看 出 大 氣 筆 式 電 漿 炬 可 大 幅 的 降 低 接 觸 角, 有 效 的 改 善 PE 表 面 之 親 水 性 圖 16 所 示 則 為 該 處 理 過 的 試 片, 在 大 氣 中 放 置 時 間, 與 接 觸 角 恢 復 變 大 之 情 況 Contact angle[deg.] Treatment time[sec] 圖 15 PE 試 片 經 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 後, 處 理 時 間 及 接 觸 角 之 變 化 關 係 Contact Angle[deg.] sec treated 5sec treated 10sec treated 20sec treated 60sec treated Recovery tim e[day] 圖 16 PE 試 片 經 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 後, 在 大 氣 中 放 置 時 間 與 接 觸 角 恢 復 變 大 之 情 況 b. 利 用 SEM 與 DFM( 或 SPM) 觀 測 PE 表 面 粗 糙 度 : 為 探 討 PE 試 片 在 經 電 漿 處 理 後, 表 面 親 水 性 得 以 改 善 之 原 因, 本 計 畫 亦 將 利 用 SEM 與 DFM( 或 SPM) 觀 測 PE 表 面 在 電 漿 處 理 前 後, 表 面 性 質 之 變 化, 尤 其 是 粗 糙 度 之 改 變 在 先 前 之 研 究 中, 已 利 用 SEM 與 DFM, 針 對 PE 表 面 在 經 由 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 前 後 之 情 況 進 行 觀 測, 所 獲 得 之 結 果 如 圖 17, 18 所 示 由 圖 之 比 較 可 知, 經 由 電 漿 處 理 後 之 PE 表 面, 其 粗 糙 度 較 未 處 理 前 提 高 圖 中 有 關 DFM 之 觀 測 係 由 鄭 信 力 教 授 於 日 本 武 藏 工 業 大 學 完 成 45

46 圖 17 經 SEM 觀 查 之 PE 表 面, 左 : 未 處 理 ; 右 : 經 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 5sec. 圖 18 經 DFM 觀 測 之 PE 表 面, 左 : 未 處 理,Ra=61.76nm; 右 : 經 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 5sec,Ra=73.30nm.( 由 鄭 信 力 教 授 於 日 本 武 藏 工 業 大 學 完 成 ) c. 利 用 XPS 檢 驗 PE 表 面 分 子 結 構 : 依 理 論, 如 物 質 表 面 之 親 水 性 分 子 結 構 較 多 時, 該 物 質 之 親 水 性 將 較 高 為 進 一 步 探 討 電 漿 處 理 後,PE 表 面 分 子 結 構 之 變 化, 本 計 畫 亦 擬 利 用 XPS 檢 驗 PE 表 面 經 電 漿 處 理 前 後 分 子 結 構 之 變 化, 以 深 入 瞭 解 影 響 材 質 表 面 親 水 性 與 分 子 結 構 之 關 係 圖 19 所 示 為 先 前 由 鄭 信 力 教 授 於 日 本 武 藏 工 業 大 學, 針 對 PE 試 片 經 單 一 之 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 後, 利 用 XPS 所 檢 測 之 分 子 結 構 隨 處 理 時 間 之 變 化 由 圖 中 可 見 C-O 及 C=O 等 與 -OH 及 -COOH 等 親 水 性 有 關 之 分 子 結 構, 隨 電 漿 炬 處 理 之 時 間 而 增 加 之 結 果 如 何 有 效 運 用 陣 列 型 筆 式 電 漿 炬, 在 最 適 當 之 操 作 條 件 下, 促 成 這 些 親 水 性 鍵 結 在 PE 表 面 產 生, 是 十 分 有 趣 且 具 有 價 值 的 研 究 課 題 46

47 ratio[%] C-H,C-C C-O,C=O Treatment time[sec] 圖 19 電 漿 處 理 後 PE 表 面 分 子 結 構 之 變 化 圖 ( 由 鄭 信 力 教 授 於 日 本 武 藏 工 業 大 學 完 成 ) 前 述 有 關 PE 材 料 表 面 改 質 前 後, 接 觸 角 (contact angle) 之 量 測 與 比 較 利 用 SEM 及 DFM ( 或 SPM) 觀 察 表 面 粗 糙 度 之 變 化, 以 及 利 用 XPS 檢 驗 表 面 分 子 結 構 之 變 化, 皆 需 要 精 密 之 設 備 與 量 測 技 術 所 幸 於 過 去 之 研 究 中, 接 觸 角 量 測 計 與 SEM, 已 陸 續 於 本 校 貴 儀 中 心 購 入 並 裝 置 完 成, 且 開 始 運 用, 並 已 有 初 步 之 量 測 與 觀 測 經 驗 與 成 果 本 學 年 度, 本 校 貴 儀 中 心 亦 已 編 列 預 算, 計 畫 採 購 乙 部 掃 瞄 式 探 針 顯 微 鏡 (SPM), 以 做 為 觀 察 材 料 表 面 粗 糙 度 變 化 所 需 之 儀 器, 計 畫 中 購 置 之 SPM 之 規 格, 較 日 前 本 計 畫 共 同 主 持 人 鄭 信 力 教 授, 於 日 本 武 藏 工 業 大 學 所 使 用 之 DFM, 功 能 更 佳, 相 信 對 執 行 本 計 畫 中, 針 對 PE 表 面 經 由 各 式 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 處 理 後 之 表 面 特 性 之 量 測 與 評 估, 更 有 助 益 至 於,XPS 由 於 價 格 昂 貴, 本 年 度 本 校 並 無 採 購 計 畫, 有 關 電 漿 處 理 後 PE 表 面 分 子 結 構 變 化 之 觀 測, 計 畫 向 國 科 會 貴 儀 中 心 借 用, 或 將 PE 試 片 委 請 鄭 信 力 教 授, 帶 回 日 本 武 藏 工 業 大 學 進 行 檢 測 ( 鄭 信 力 教 授 仍 每 月 固 定 往 返 日 本 ) 不 論 如 何, 在 既 有 之 經 驗 與 資 源 下, 有 關 電 漿 處 理 前 後 PE 表 面 性 質 變 化 之 觀 測 與 檢 驗, 包 含 PE 表 面 接 觸 角 粗 糙 度 及 分 子 結 構 之 觀 測 與 檢 驗, 皆 應 可 順 利 完 成 配 合 本 計 畫 所 需 之 主 要 設 備, 本 校 貴 儀 中 心 已 購 置, 或 計 畫 購 置 者 如 下 表 所 示 : 47

48 表 一 配 合 本 計 畫 本 校 貴 儀 中 心 已 購 置 或 計 畫 購 置 之 主 要 設 備 儀 器 設 備 名 稱 用 途 數 量 購 置 時 間 RF Power 供 應 電 漿 所 需 電 源 1 92/8 HUTTINGER RF-GENERATOR RFG-300F 接 觸 角 計 量 測 接 觸 角 1 92/8 Kyowa Interface Science Co, Ltd. Automatic Contact Angle Meter CA-VP150 場 發 式 電 子 顯 微 鏡 (FE-SEM) 觀 察 材 料 表 面 細 微 組 織 1 92/8 日 本 JEOL JSM-6500F 光 譜 分 析 儀 OCEAN TECHNOLOGY Co. USB2000 ( nm) 量 測 自 由 基 之 種 類 與 相 對 密 度 及 電 子 溫 度 與 迴 轉 溫 度 1 92/10 掃 瞄 式 探 針 顯 微 鏡 (SPM) 觀 測 表 面 粗 糙 度 1 計 畫 採 購 中 2. 執 行 進 度 第 一 階 段, 本 計 畫 執 行 之 第 一 年 : 進 行 單 排 大 氣 筆 式 電 漿 炬 之 設 計 與 組 裝 組 裝 完 成 後, 進 行 PE 之 表 面 處 理, 使 用 現 有 之 光 譜 分 析 儀 量 測 電 漿 參 數, 並 探 討 電 力 輸 入 處 理 時 間 及 製 程 氣 體 流 量 等 因 子, 對 PE 表 面 改 質 之 效 果, 其 中 包 括 接 觸 角 (contact angle) 之 量 測 與 比 較 利 用 SEM 及 DFM( 或 SPM) 觀 察 表 面 粗 糙 度 之 變 化, 以 及 利 用 XPS 檢 驗 表 面 分 子 結 構 之 變 化 等 第 二 階 段, 本 計 畫 執 行 之 第 二 年 : 進 行 平 行 式 與 交 錯 式 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 之 設 計 與 組 裝 組 裝 完 成 後, 亦 進 行 PE 之 表 面 處 理, 並 探 討 電 力 輸 入 處 理 時 間 及 製 程 氣 體 流 量 等 因 子, 對 PE 表 面 改 質 之 效 果 第 三 階 段, 本 計 畫 執 行 之 第 三 年 : 進 行 整 體 檢 討 與 實 際 導 入 產 業 之 應 用 3. 可 能 遭 遇 之 困 難 及 解 決 途 徑 本 計 畫 主 要 之 目 標 係 進 行 有 關 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 研 發 在 第 一 階 段, 即 目 前 所 執 行 之 計 畫 中, 將 可 完 成 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 流 場 之 數 值 模 擬, 從 中 了 解 各 設 計 參 數 對 電 漿 炬 流 場 之 影 響, 並 完 成 最 佳 化 之 設 計 本 計 畫 將 延 續 第 一 階 段 所 完 成 之 設 計 工 作, 進 行 實 際 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 組 裝, 並 以 PE 材 質 為 例, 進 行 表 面 處 理, 測 試 其 運 用 於 大 面 積 表 面 處 理 之 效 果, 以 解 決 單 一 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置, 處 理 面 積 有 限 之 問 題 過 去, 本 計 畫 主 持 人 主 要 之 研 究 重 心, 係 著 重 於 數 值 模 擬 計 算, 對 實 驗 操 作 之 研 究 成 果 較 少 但 自 本 校 48

49 電 漿 中 心 成 立 以 來, 除 以 原 有 之 專 長, 繼 續 從 事 電 漿 流 場 之 模 擬 計 算 外, 亦 參 與 相 關 實 驗 之 規 劃 與 執 行, 尤 其 於 單 一 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 建 構 與 應 用 方 面, 更 已 累 積 若 干 經 驗 目 前 正 執 行 之 計 畫, 其 研 發 工 作 皆 以 團 隊 合 作 方 式 進 行, 雖 以 電 漿 炬 流 場 之 數 值 模 擬 為 主, 但 亦 同 時 進 行 實 驗 之 組 裝 與 測 試, 以 求 相 互 配 合 驗 證 相 信 在 團 隊 之 合 作 努 力 下, 加 上 現 有 之 基 礎, 應 可 克 服 各 種 困 難, 順 利 完 成 陣 列 型 大 氣 筆 式 電 漿 炬 裝 置 之 開 發, 達 成 本 計 畫 所 設 立 之 各 項 目 標 五 預 期 完 成 之 工 作 項 目 及 成 果 1. 預 期 成 果 本 計 畫 完 成 後, 應 可 獲 得 下 列 之 成 果 : (1) 完 成 單 排 與 平 行 式 或 交 錯 式 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 裝 置 之 開 發 與 測 試 (2) 獲 知 筆 式 大 氣 電 漿 炬 內 之 電 漿 參 數 與 各 設 計 參 數 如 電 力 強 度 製 程 氣 體 流 量 等 對 PE 表 面 改 質 效 果 之 影 響, 並 提 出 最 佳 化 之 組 合 設 計 與 操 作 條 件 (3) 深 入 探 討 材 料 表 面 接 觸 角 (contact angle) 之 變 化, 與 表 面 粗 糙 度 表 面 分 子 結 構 變 化 之 關 連 性 (4) 本 計 畫 雖 以 利 用 筆 式 大 氣 電 漿 炬 改 善 PE 表 面 親 水 性 著 眼, 但 自 本 研 究 中 所 獲 得 經 由 電 漿 處 理 材 質 表 面 細 微 結 構 變 化 與 親 水 性 間 關 連 性 之 了 解, 將 有 助 於 對 於 其 它 材 料 表 面 改 質, 不 論 是 親 水 性 改 善, 或 欲 增 加 疏 水 性 ( 如 汽 車 擋 風 玻 璃 之 處 理 ) 之 應 用 時, 可 經 由 自 本 計 畫 所 獲 得 之 經 驗, 加 速 尋 得 最 適 當 有 效 之 處 理 方 法, 以 達 成 目 標 (5) 計 畫 參 與 人 員 將 更 熟 悉 接 觸 角 量 測 計 SEM DFM( 或 SPM) 及 XPS 等 裝 置 之 使 用 2. 本 計 畫 後 續 之 發 展 俟 本 計 畫 完 成 後, 將 可 進 一 步 進 行 陣 列 型 筆 式 大 氣 電 漿 炬 模 組 化 之 研 發, 並 進 而 尋 找 合 作 廠 商, 進 行 真 正 應 用 於 生 產 線 上 之 測 試, 並 於 測 試 過 程 中 發 現 問 題, 再 予 以 改 善, 朝 最 後 實 際 應 用 於 表 面 改 質 工 程 之 路 邁 進 六 參 考 文 獻 1. Chapman, B. N., Glow Discharge Process Sputtering and Plasma Etching, Wiley; New York, Takayama, Shinako, Ono, Shigeru and Teii, Shinriki, Surface treatment of plastics by an atmospheric pressure corona tourch, Trans. IEE of Japan, Vol. 122-A, No. 8, pp , Lee, J. L., Liu, C. M., Ting, K, Cheng, W. K., Takizawa, S., Arase, S., Ono, S. and Teii, S., Plasma Treatment of Polyethylene Surface for Metallizing by Using an Atmospheric Pressure, 49

50 Proceedings of the 3 rd Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taoyuan, Taiwan, ROC, pp , 杉 田 和 之 : Plastic 之 表 面 改 質 1, 高 分 子 材 料 之 介 面 物 性 與 表 面 改 質, 日 本 印 刷 學 會 誌, 第 35 卷, 第 4 號 (1998) 5. Ko, T. H, C. M. Liu, Y. Matsuo, S. Ono and S. Teii Numerical Simulation and Experimental Study of a Pen-like Atmospheric Plasma Torch, Journal of Physics D: Applied Physics. (2004, Nov.) (Submitted) (SCI).. 6. Ko, T. H. and A. Z. Lin, Numerical Simulation of a Pen-like Atmospheric Plasma Torch, Proceeding of the 11th Conference on Computational Fluid Dynamics, Aug. 5-7, Taitong, Taiwan, R.O.C. (2004). 50

51 子 計 劃 二 : 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 合 成 製 程 之 分 析 與 控 制 ( 配 合 發 展 主 軸 二 : 產 業 廢 棄 物 資 源 化 ) 主 持 人 : 劉 沖 明 51

52 一 近 五 年 內 主 持 人 主 要 研 究 成 果 說 明 (Journal paper) 7. Jeou-Long Lee, Chung-Ming Liu, KuenTing, Wei-Kung Cheng, Takayoshi Tsuchida, Kenichi Hiramatsu, Shigeru Ono, and Shinriki Teii, The Modification of Carbon Included Polyethylene Surface by Plasma Treatment for Metallizing Using a Low Pressure RF Discharge Plasma, J. Adv. Oxid Technol. Vol.8, No.1, Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu, Chungming Liu, October, 1999,The effect of solidification conditions on phase transformation of iron matrix of Fe-25mass%Cr-C-B alloys, Int. J. Cast Metals Res., 1999, 11,P. 285~290. (The SPCI6 Birmingham, Alabama, USA.) 9. Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu, Wu Liu, Chungming Liu, 1999, Slurry Erosion Behavior Of Fe-15mass%/25mass%Cr-C-B Eutectic Alloys, Wear 233~235 P.160~ 劉 沖 明, 麻 生 節 夫 後 藤 正 治, 小 松 芳 男,1999,Vol.12,No.1/2, 單 方 向 凝 固 之 Fe-25%Cr-C 三 元 系 共 晶 合 金 之 機 械 性 質, 日 本 素 材 物 性 雜 誌,P Chungming Liu, Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu Mechanical, 1999, Vol.7, No.2, Properties of Chromium White Cast Irons at High Temperatures, Int. J. of The Soc. Of Mat. Eng. For Resources. P.350~358. (Conference paper) 1. Tzu H. C., C. M. Liu and A. Z. Lin, Y. Matsuo, S. Ono, S. Teii, Numerical and Experimental of a pen-like Atmospheric Plasma Torch, IEE Japan, 11,18~19, 2004, toyama Japan, PST-4-83~95 2. Tzu Hsiang Co, C. M. Liu and H. K. Chen, Numerical Study on Three-Dimensional Isothermal Solid-gas Flow and Deposition Process in a Plasma Spray Torch with Different Solid Shield Diffusive Angle, 中 國 機 械 工 程 學 會 第 二 十 一 屆 全 國 學 術 研 討 會, 高 雄 臺 灣, Nov, 程 偉 堃 李 九 龍 劉 沖 明 王 建 義 葛 明 德, 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 陽 極 處 理 電 化 學 特 性 之 研 究, 2004 材 料 年 會, Taiwan,, Nov, 程 偉 堃 劉 沖 明 李 九 龍 葛 明 德, 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 陽 極 處 理 之 研 究, 第 四 屆 海 峽 兩 岸 腐 蝕 研 討 會, 台 灣, Oct Chao-Chen Yang, Min-Fong Shu, Chung-Ming Liu, Te-Ho Wu, Radiofrequency and/or Direct-Current Magnetron Sputtering Fabricating Magnetic Films of Gd-Co-Fe from Plasma Applications, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p.258~ Chao-Chen Yang, Chung-Ming Liu,Young-Chin Chen, Hsing-Nan Chung and Meng-Hsun Liu, The Study of Plasma Surface Treatment Technology and its Application on Woven Fabric, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p. 252~ J.L.Lee, C.M.Liu, K.Ting, W.K.Cheng and T.Tsuchida, K.Hiramatsu, S.Ono, S.Teii, The 52

53 modification of polyethylene surface by plasma treatment for metallizing using a low pressure RF discharge plasma, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p. 243~ J.L.Lee, C.M.Liu, K.Ting, W.K.Cheng and S.Takizawa, S.Arase, S.Ono, S.Teii, Plasma treatment of polyethylene surface for metallizing by using an atmospheric pressure corona torch, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p.237~ Yoshinari Komatsu, Chinmin Liu, Shoji Goto, Setsuo Aso, KOREA, 2003, April, High-temperature strength of 25 mass% chromium Fully-eutectic White Cast Irons, The 1st Korea-Japan Confrence for Young Foundry Engineers, Jeju, P17~ Shoji Goto, Chungming Liu, Setsuo Aso, Yoshinari Komatsu, JAPAN, 2001, June, Mechanical Properties of Eutectic Fe-Cr-C Composite Alloys, The Seventh International Conference of creep and Fatigue at Elevated Temperatures, National Research Institute of Metals (NRIM), Tsukuba,P.261~ Shoji Goto, Chungming Liu, Setsuo Aso, Yoshinari Komats, 2001, April, High-temperature Strength of Unidirectionally Solidified Fe-Cr-C Eutectic Alloys, 9th International Conference on Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures, university of Wales Swansea, UK, p. 515~ 劉 沖 明 麻 生 節 夫 後 藤 正 治 小 松 芳 男, 對 於 高 溫 下 之 高 Cr 白 鑄 鐵 壓 縮 強 度 的 異 方 性, 日 本 素 材 物 性 學 會 平 成 11 年 年 會, 演 講 概 要 集 1999,6,P 劉 沖 明, 麻 生 節 夫 後 藤 正 治, 小 松 芳 男, 高 Cr 白 鑄 鐵 高 溫 嚇 之 壓 縮 強 度 的 異 方 向 性, 日 本 鑄 造 工 學 會 第 134 次 全 國 演 講 大 會, 演 講 概 要 集 1999,5,P Chungming Liu, Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu Mechanical,Slurry Erosion Behavior of Fe-15mass%Cr-C-B alloys, Proceedings of the 5th Asian Foundry Congress, Nanjing, China, Sept., 1999, 276~284. 二 研 究 計 畫 之 背 景 及 目 的 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 極 之 研 究 1 背 景 在 尖 端 材 料 與 新 穎 物 體 結 構 之 研 究 領 域 內, 以 碳 與 氮 為 基 本 元 素 之 材 料 佔 有 特 殊 的 地 位 自 然 界 中 已 發 現 之 純 碳 化 合 物 有 石 墨 鑽 石 與 碳 族, 其 中 以 鑽 石 和 碳 族 具 有 極 為 優 異 之 光 學 電 子 熱 導 與 機 械 性 能, 並 有 極 大 之 應 用 潛 能, 為 近 代 材 料 基 礎 與 應 用 科 學 研 究 之 主 題 1 ~ 6 對 作 為 電 子 電 極 方 面 的 應 用 有 很 高 之 期 待 鑽 石 本 體 具 有 很 高 之 耐 熱 性, 並 且 因 為 導 電 帶 非 常 大, 所 以 在 數 百 之 高 溫 也 不 會 失 去 其 高 溫 之 特 性 並 且 因 為 格 子 定 數 小, 所 以 不 存 物 原 子 的 熱 擴 散 度 小, 摻 雜 不 純 物 之 半 導 體 化 後 的 鑽 石 薄 膜 的 pn 接 合 界 面 在 高 溫 也 不 會 破 壞 在 此, 鑽 石 被 期 待 能 正 常 的 作 用 於 或 者 更 高 之 溫 度 環 境 為 支 持 奈 米 科 技 之 基 礎 科 學 技 術, 在 放 電 電 漿 領 域 中, 比 起 以 往 之 公 分 尺 寸 大 小 之 大 面 積 53

54 電 漿, 數 微 米 ~ 毫 米 尺 寸 之 微 電 漿 因 具 有 高 能 源 效 率, 低 地 球 環 境 負 之 特 性 已 經 開 始 廣 泛 地 受 人 注 目 目 前, 利 用 微 小 電 漿 體 積 電 路 之 微 小 電 子 機 械 系 統 (MEMS) 中 之 實 用 例, 即 為 在 有 將 無 數 微 小 放 電 極 子 以 二 次 元 排 列 之 電 漿 顯 示 器 (PDP) 中 7 但 為 了 符 合 需 求 及 發 展 趨 勢, 促 進 電 漿 顯 示 器 PDP 畫 面 之 超 大 型 化, 目 前 最 顯 著 的 問 題 點 就 在 於 改 善 電 漿 顯 示 器 (PDP) 之 高 消 費 電 力 與 低 亮 度 等 缺 點 亦 即 與 此 兩 者 有 密 切 相 關 的 電 漿 顯 示 器 (PDP) 之 基 準 亮 度 效 率 要 求 提 升 到 目 前 所 呈 現 結 果 之 大 約 兩 倍 的 數 值 (2-3 lmw -1 5 lmw -1 ), 但 是 以 目 前 電 漿 顯 示 器 (PDP) 所 使 用 之 電 極 材 料 (MgO 薄 膜 ) 將 很 難 達 成 其 要 求 因 微 放 電 電 漿 之 體 積 小, 為 彌 補 擴 散 損 失 以 維 持 放 電, 必 須 不 斷 自 電 表 面 放 射 大 量 之 電 子, 因 此 開 發 較 既 存 之 冷 陰 極 材 料 (MgO 薄 膜 ) 在 低 電 力 ( 低 電 壓 ) 的 條 件 下 具 有 高 電 子 釋 放 能 力 之 新 材 料 做 為 電 極 之 用, 極 為 需 要 鑽 石 具 有 優 異 之 電 氣 熱 及 機 械 方 面 之 特 性, 尤 其 是 氫 氣 終 端 (Hydrogen terminated) 鑽 石 表 面, 具 有 物 質 中 極 罕 有 之 負 性 氣 體 親 合 力 (Negative electron affinity), 可 期 待 實 現 極 高 之 二 次 電 子 釋 放 係 數 (γ 係 數 ), 可 用 於 電 漿 顯 示 器 (PDP) 以 及 各 種 微 放 電 之 新 電 極 材 料 研 究 才 剛 剛 開 始, 將 為 今 後 極 熱 門 之 課 題 2 目 的 本 研 究 之 目 的 在 於 : (1) 以 低 壓 電 漿 CVD 製 作 各 種 不 同 結 晶 粒 徑 與 膜 純 度 ( 非 鑽 石 碳 素 成 分 對 鑽 石 成 分 之 比 ) 之 鑽 石 薄 膜 (2) 將 所 得 之 薄 膜 以 PDP 模 擬 放 電 冷 陰 極 來 評 價 放 電 及 薄 膜 之 電 子 釋 放 特 性, 探 討 薄 膜 構 造 之 最 佳 化 (3) 最 後 以 確 立 關 於 大 幅 提 昇 電 漿 顯 示 器 (PDP) 高 亮 度 效 率 與 次 世 代 高 密 度 微 小 電 漿 之 高 性 能 電 極 設 計 之 基 礎 技 術 3 重 要 性 暨 國 內 外 研 究 情 況 一 般 超 低 壓 下 之 製 作 鑽 石 薄 膜 係 非 常 困 難, 而 過 去 有 關 類 似 的 研 究 也 幾 乎 未 曾 見 過 現 在, 在 只 有 少 數 相 關 知 識 與 技 術 的 條 件 下 來 進 行 超 低 壓 製 膜 之 相 關 研 究 者, 只 有 日 本 之 一 個 研 究 團 隊, 在 尚 未 有 卓 著 成 果 前, 本 研 究 可 藉 此 機 會 與 國 外 之 研 究 團 隊 共 同 努 力, 互 相 砥 礪, 一 起 發 展 嶄 新 的 材 料 製 程, 故 本 研 究 之 獨 創 性 非 常 之 顯 著 另 有 關 鑽 石 冷 陰 極 之 放 電 特 性 的 檢 證, 德 國 之 某 個 研 究 團 隊 已 經 做 過, 其 結 果 為 在 與 既 存 之 MgO 冷 陰 極 幾 乎 相 同 的 條 件 下 顯 示 出 略 大 值 之 γ 係 數 8 但 是, 他 們 除 了 所 使 用 的 為 通 常 使 用 之 微 米 粒 徑 鑽 石 外, 電 漿 的 規 模 亦 為 較 實 際 使 用 之 電 漿 顯 示 器 (PDP) 放 電 格 子 大 上 一 級 之 毫 米 尺 寸 電 漿 本 研 究 為 了 使 在 奈 米 粒 徑 鑽 石 之 優 異 電 子 釋 放 能 力 上 加 上 表 面 奈 米 構 造 效 果, 故 其 期 待 性 更 高, 且 因 為 係 調 查 關 於 與 實 際 用 電 漿 顯 示 器 (PDP) 同 等 級 之 次 毫 米 尺 寸 之 電 漿, 所 以 其 實 用 性 意 義 也 非 常 之 重 要 4 目 前 為 止 之 成 果 (1) 藉 由 低 壓 電 漿 CVD 之 奈 米 鑽 石 製 膜 a. 藉 由 獨 立 控 制 基 板 之 入 射 離 子 能 量 及 氣 體, 可 在 數 奈 米 到 次 微 米 範 圍 內 控 制 鑽 石 結 晶 粒 54

55 b. 藉 由 控 制 氣 相 中 之 中 性 高 次 自 由 基 的 生 成, 可 形 成 高 存 度 之 鑽 石 薄 膜 c. 了 解 鑽 石 薄 膜 之 前 驅 體 氣 相 種 為 甲 烷 自 由 基, 而 其 成 長 速 度 可 藉 由 增 加 氫 元 素 原 子 自 由 基 的 密 度 而 提 昇 (2) 藉 由 反 應 性 離 子 蝕 刻 之 鑽 石 薄 膜 的 微 細 加 工 藉 由 控 制 與 蝕 刻 過 程 同 時 進 行 之 保 護 堆 積, 顯 示 可 製 作 高 品 質 之 一 方 性 表 面 奈 米 尺 寸 構 造, 且 為 錐 形 狀 之 薄 膜 9 (3) 高 密 度 微 波 放 電 之 生 成 在 與 大 氣 壓 放 電 相 同 之 放 電 條 件 下, 發 生 安 定 的 次 微 米 尺 寸 之 微 小 電 漿 當 使 用 微 米 粒 徑 鑽 石 電 極 時, 可 產 生 具 有 與 既 存 MgO 電 極 相 同 之 放 電 特 性 之 微 小 電 漿 今 後 將 利 用 奈 米 鑽 石 之 優 異 電 子 釋 放 能 力, 進 行 高 性 能 電 極 之 開 發 三 目 前 已 有 與 計 畫 相 關 之 基 礎 與 成 果 3.1 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 產 學 合 作 建 教 合 作 之 成 果 目 前 本 計 畫 正 透 過 本 校 研 發 處 技 合 組 媒 合, 正 密 切 尋 找 合 作 對 象 3.2 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 論 文 發 表 目 前 由 本 計 畫 共 同 主 持 人 以 微 波 電 漿 為 主 題, 就 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 再 合 成 方 面 所 作 之 研 究 成 果 如 下 : K.Teii, H.yoshikawa, S.Ono, S.Teii, Argon dilution effects on diamond deposition in electron cyclotron resonce plasma study, Thin Solid Films, Vol.437, 63-67(Aug. 2003) 3.3 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 設 備 目 前 本 校 電 漿 應 用 技 術 研 發 中 心 所 有 與 本 計 畫 有 關 之 設 備 包 括 : 微 波 電 漿 系 統 含 回 收 系 統 (MW1200) 光 譜 分 析 儀 白 金 探 針 系 統 微 波 電 源 設 備 真 空 系 統 設 備 場 發 射 式 電 子 顯 微 鏡 XRD FT-IR 四 研 究 方 法 進 行 步 驟 及 執 行 進 度 4.1 研 究 方 法 與 執 行 步 驟 1 研 究 方 法 (1) 奈 米 鑽 石 製 膜 與 膜 構 造 評 價 調 查 有 關 最 影 響 奈 米 鑽 石 之 電 子 釋 放 特 性 之 結 晶 粒 徑 與 膜 純 度 ( 非 鑽 石 碳 素 成 分 對 鑽 石 成 分 之 比 ) 在 低 壓 大 面 積 具 有 微 波 電 將 內, 個 別 控 制 機 板 偏 壓 CH4/Ar/H2 之 氣 體 10 組 成 基 板 溫 度 等, 在 低 溫 (550 ) 以 下 玻 璃 板 上 進 行 製 模 接 著 藉 由 X 光 繞 設 儀 ~ 14 拉 曼 光 譜 儀 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (TEM) 觀 察 55

56 等, 來 進 行 膜 構 造 之 評 價 在 樣 品 分 析 上, 大 略 涵 蓋 了 下 列 三 大 方 面 :1 成 分 分 析 如 AES, RBS, XPS, EDX;2 鍵 結 分 析 如 XPS IR Laman;3 結 構 形 貌 分 析 如 SEM, TEM, AFM, X-ray 繞 射 其 中 大 多 數 項 目, 我 們 將 與 本 校 貴 儀 中 心 及 其 他 研 究 單 位 的 人 員 合 作, 共 同 完 成 為 達 到 上 述 之 研 究 目 標, 除 了 應 用 系 現 有 的 電 漿 設 備 外, 我 們 將 借 用 本 校 貴 儀 中 心 內 和 其 他 研 究 單 位 以 及 國 科 會 貴 儀 中 心 的 SEM TEM AFM EDX AES XPS FTIR 等 分 析 儀 器 (2) 膜 構 造 與 表 面 狀 態 之 最 佳 化 為 了 達 成 低 放 電 起 動 保 持 電 壓 高 電 子 釋 放 側 密 度, 將 改 變 氣 壓 輸 入 電 力 H2 與 CH4 之 混 和 比 例 等, 以 改 變 粒 徑 及 膜 內 構 造 進 而 提 高 純 度, 配 合 γ 係 數 之 實 驗 以 實 現 膜 構 造 之 最 佳 化 而 將 膜 之 電 子 釋 放 能 力 提 高 至 極 限 (3) 二 次 電 子 釋 放 係 數 (γ 係 數 ) 之 評 價 及 放 電 特 性 之 驗 證 在 模 擬 電 漿 顯 示 器 (PDP) 之 微 小 電 漿 裝 置 內, 將 在 上 述 所 得 之 奈 米 鑽 石 電 極 使 用 於 冷 陰 極 來 生 成 數 百 Torr 之 Xe/Ne 微 小 電 漿, 系 統 地 調 查 放 電 電 壓 與 電 流 特 性 之 關 係 進 而 求 得 放 電 起 始 電 壓 與 γ 係 數 之 實 驗 值, 一 方 面 將 其 與 共 同 主 持 人 葛 自 祥 所 負 責 之 利 用 paschen 理 論 法 則 所 模 擬 的 結 果 相 比 較, 來 檢 討 關 於 測 定 之 適 當 性 與 發 光 效 率 之 提 昇 經 過 以 上 研 究, 預 期 目 標 能 達 成 將 使 用 奈 米 鑽 石 之 電 漿 顯 示 器 (PDP) 所 具 有 之 發 光 效 率 提 升 為 目 前 之 二 倍 此 外, 以 關 於 電 漿 顯 示 器 (PDP) 所 得 到 之 知 識 為 基 礎, 能 得 到 關 於 為 達 成 高 密 度 微 小 電 漿 之 高 效 率 生 成 所 必 要 之 電 極 表 面 構 造 電 極 配 置 電 漿 電 極 間 接 合 等 之 具 體 指 標 藉 此, 明 瞭 決 定 結 晶 粒 徑 及 膜 純 度 之 表 面 反 應 過 程, 來 特 定 奈 米 粒 徑 純 度 95% 以 上 之 高 品 質 鑽 石 製 膜 環 境 2 進 行 步 驟 本 研 究 將 使 用 2.45GHz 微 波 放 電 進 行 主 要 進 行 步 驟 如 下 : (1) 組 裝 CH4 H 2 Ar 等 氣 體 導 管 於 以 購 置 之 微 波 放 電 裝 置 (1200W, 機 板 加 熱 溫 度 0~600, 真 空 度 1 氣 壓 ~10-6 Torr) 作 基 礎 放 電 實 驗 (2) 以 碳 針 光 譜 分 析 儀 測 定 電 子 溫 度 密 度 與 各 種 自 由 基 之 種 類, 以 及 相 對 密 度 等 電 漿 參 數 掌 握 放 電 條 件 與 電 漿 參 數 之 關 係 (3) 玻 璃 基 板 施 以 研 磨 等 前 處 理 後, 置 腔 體 內 於, 改 變 基 板 溫 度 (<550 ) 基 板 偏 壓 氣 壓 以 及 CH4/H2/Ar 氣 體 之 混 和 比 例 等, 以 CVD 法 度 膜 於 基 板 上 (4) 將 鍍 成 奈 米 結 晶 之 鑽 石 薄 膜 以 SEM TEM X-ray 繞 射 Laman 光 譜 分 析 外 以 平 行 平 板 電 極 之 模 擬 放 電 裝 置 7 測 定 其 γ 係 數 之 值 (5) 比 較 薄 膜 之 觀 察 及 分 析 之 結 果 與 測 得 知 γ 係 數, 探 討 其 相 互 關 係 及 理 由 (6) 改 變 放 電 條 件 控 制 電 漿 參 數 以 改 變 γ 係 數 之 大 小, 謀 求 鍍 膜 條 件 之 最 佳 化, 以 實 現 本 研 究 之 目 的 五 預 期 完 成 之 工 作 項 目 及 成 果 本 研 究 之 特 色 係 為 使 用 潛 在 地 顯 示 較 既 存 在 之 MgO 或 通 常 之 大 粒 徑 鑽 石 具 有 更 為 低 負 性 56

57 電 子 親 和 力 與 高 γ 係 數 之 鑽 石 電 極, 藉 由 電 漿 顯 示 器 (PDP) 發 光 效 率 之 提 昇, 而 得 到 可 應 用 於 次 世 代 高 密 度 微 小 電 漿 積 體 電 路 之 汎 用 性 優 異 之 高 性 能 電 極 設 計 之 指 標 透 過 本 計 劃 之 研 究, 可 預 期 獲 得 下 列 成 果 : (1) 以 了 解 形 成 奈 米 構 造 鑽 石 薄 膜 特 性 與 各 種 放 電 電 漿 條 件 之 關 係 (2) 確 立 電 子 釋 放 係 數 (γ 係 數 ) 評 價 技 術, 以 便 實 現 薄 膜 之 高 品 質 化 (3) 提 供 製 造 最 高 γ 係 數 材 料 與 基 礎 知 識, 有 助 新 電 漿 顯 示 器 (PDP) 電 極 材 料 之 實 用 化 藉 由 本 研 究 成 果, 在 實 用 面 除 了 提 供 多 媒 體 時 代 所 需 求 之 高 效 率, 大 畫 面 電 漿 顯 示 器 (PDP) 實 現 之 指 標 外, 也 能 得 到 極 微 小 空 間 領 域 材 料 製 程, 極 微 量 元 素 發 光 化 學 分 析 及 開 發 短 波 長 微 小 光 源 等 之 次 世 代 微 小 電 漿 積 體 電 路 之 技 術 展 望 而 在 學 術 方 面, 因 為 除 了 為 結 晶 鑽 石 物 性 之 新 應 用 開 拓 外, 加 上 為 了 在 放 電 物 理 電 漿 表 面 相 互 作 用 表 面 構 造 評 價 電 子 物 性 評 價 等 之 廣 泛 領 域 來 進 行 研 究, 所 以 不 只 在 鑽 石 方 面, 亦 能 在 電 機 工 程 電 漿 工 程 表 面 科 學 電 子 材 料 工 程 等 多 領 域 有 所 貢 獻 六 參 考 文 獻 1. L. C. Chen, C. Y. Yang, D. M. Bhusari, K. H. Chen, M. C. Lin, J. C. Lin and T. J. Chuang, Diamond and Relat. Mater. 5, 514 (1996). 2. D. M. Bhusari, C. K. Chen, K. H. Chen, T. J. Chuang, L. C. Chen and M. C. Lin, J. Mater. Res. 12, 322 (1997). 3. L. C. Chen, D. M. Bhusari, C. Y. Yang, K. H. Chen, T. J. Chuang, M. C. Lin, C. K. Chen and Y. F. Huang, Thin Solid Films 303, 66 (1997). 1. D. Y. Lin, C. F. Li, Y. S. Huang, Y. C. Jong, Y. F. Chen, L. C. Chen, C. K. Chen, K. H. Chen and D. M. Bhusari, Phys. Rev. B 56, 6498 (1997). 2. L. C. Chen, C. K. Chen, S. L. Wei, D. M. Bhusari, K. H. Chen, Y. F. Chen, Y. C. Jong and Y. S. Huang, Appl. Phys. Lett. 72, 2463 (1998). 3. Y. K. Chang, H. H. Hsieh, W. F. Pong, M.-H. Tsai, K. H. Lee, D. E. Dann, F. Z. Chien, P. K. Tseng, K. L. Tsang, W. K. Su, L. C. Chen, S. L. Wei, K. H. Chen, D. M. Bhusari and Y. F. Chen, Phys. Rev. B 58, 9018 (1998). 4. J. Deschamps, H. Doycux, Phys. World 10 (6) (1997) P.K. Bachmann, V. van Elsbergen, D.U. Wiechert, G. Zhong, J. Robertson, Diamond Related Materials 10 (2001) 809~ T. J. Vink, A. R. Balkende, R. G. A. M. van Hal, and S. T. S. de Zwart, APPled PHYSICS LWTTERS, Vol.80, No.12, 25 March 2002, 2216~ D. M. Bhusari, K. H. Chen, J. R. Yang, S. T. Lin, T. Y. Wang and L. C. Chen, Solid State Comm.107, 301 (1998). 8. D. M. Bhusari, J. R. Yang, T. Y. Wang, K. H. Chen, S. T. Lin and L. C. Chen, J. Mater. Res.13, 1769 (1998). 9. D. M. Bhusari, J. R. Yang, T. Y. Wang, K. H. Chen, S. T. Lin and L. C. Chen, Mater. Lett.36, 279 (1998). 10. K. H. Chen, D. M. Bhusari, J. R. Yang, S. T. Lin, T. Y. Wang and L. C. Chen, Thin Solid Films 332, 34 (1998). 11. Y. K. Chang, H. H. Hsieh, W. F. Pong, M. H. Tsai, F. Z. Chien, P. K. Tseng, L. C. Chen, T. Y. 57

58 Wang, K. H. Chen, D. M. Bhusari, J. R. Yang and S. T. Lin, submitted to Phys. Rev. Lett., (1999). 12. C. -H. Ko, R. Klauser, D. -H. Wei, H. -H. Chan and T. J. Chuang, J. Synchr. Rad. 5, 299 (1998). 13. M. Y. Lai and Y. L. Wang, Phys. Rev. Lett. 81, 164 (1998). 14. T. Yamada, T. J. Chuang, H.Seki and Y. Mitsuda, Mol. Phys. 76, 887 (1992). 15. R. P. Chin, J. Y. Huang, Y. R. Shen, T. J. Chuang, H. Seki and M. Buck, Phys.Rev. B 45, 1522 (1992). 16. R. P. Chin, J. Y. Huang, Y. R. Shen, T. J. Chuang and H. Seki, Phys.Rev. B52, 5985 (1995) and B54, 8243 (1996). 17. R. Klauser, T. J. Chuang, L. A. Smoliar and W. -T. Tzeng, Chem. Phys. Lett. 255, 32 (1996). 18. R. Klauser, J. M. Chen, T. J. Chuang, L. M. Chen, M. C. Shih and J. -C. Lin, Surf. Sci. 356, L410 (1996). C. Su, K. -J. Song, Y. L. Wang, H. -L. Lu, T. J. Chuang and J. -C. Lin, J. Chem. Phys. 107, 7543 (1997). 58

59 子 計 劃 三 : 電 漿 技 術 於 蔬 果 保 鮮 之 應 用 ( 配 合 發 展 主 軸 三 : 蔬 果 保 鮮 之 應 用 ) 主 持 人 : 鄭 進 山 59

60 一 近 五 年 內 主 持 人 主 要 研 究 成 果 說 明 (Journal paper) 1. C. S. Cheng A Study of the Performance Evaluation of an Open Circle Absorption Heat Pump. Journal of Technology, Vol. 14, No. 4, pp (1999). 2. C. S. Cheng A Study of the Performance Evaluation of an Absorption Heat Pump with a Working Fluid of the Sulfuric Acid. 龍 華 學 報, 15, pp (1999). 3. C. S. Cheng Study of a Solvent Extraction Type of an Absorption Heat Pump. Energy Conversion & Management, 41, pp (2000). (SCI) 4. 鄭 進 山 技 職 校 院 化 工 系 科 招 生 問 題 之 討 論 化 工, 第 49 卷, 第 1 期, 第 頁 (2002). 5. 鄭 進 山, 許 秀 菱, 卓 訓 良 等 人 Study of the relationship between the common sense of mischief and the major background of the teacher and staff of a technology school. 龍 華 科 技 大 學 學 報, 第 17 期, 第 頁 (2004) (Conference paper) 1. C. S. Cheng*, Y. L. Tsai A kinetics study of the methanol catalyst reaction to produce hydrogen assisted by the procedure of non-thermal plasma, 中 日 交 流 電 漿 研 究 會 日 本 武 藏 大 學 2004 年 8 月 日 (2004)) 2. C. S. Cheng*, Y. L. Tsai, Y. H. Chan and S. Teii A study of the methanol non-thermal plasma reaction Plasma 研 究 會 ( 日 本 電 氣 協 會 ) 日 本 富 山 大 學 2004 年 11 月 日 (2004). ( 專 題 研 究 計 畫 ) 1. 鄭 進 山 萃 取 再 生 技 術 用 於 改 善 吸 收 式 熱 泵 效 能 之 研 究 期 末 報 告 Technical Report, 110 pages, 八 十 七 年 度 電 力 科 技 產 業 學 術 合 作 研 究 計 畫, 國 科 會 (1999). 2. 張 宇 能, 鄭 進 山 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沉 積 尖 晶 石 系 鐵 氧 磁 性 薄 膜 之 製 程 研 究 期 末 報 告 60

61 Technical Report, 八 十 七 年 度 國 科 會 研 究 計 畫, 國 科 會 (2000). 3. 鄭 進 山 以 化 學 氣 相 蒸 鍍 技 術 製 觸 媒 之 研 究 期 末 報 告 Technical Report, 九 十 年 度 國 科 會 研 究 計 畫, 國 科 會. (2002). 4. 鄭 進 山, 以 廢 陶 磁 粒 製 備 透 水 磚 之 研 究 計 畫 期 末 報 告 Technical Report, 財 團 法 人 台 灣 工 業 發 展 基 金 會. (2002). 5. 鄭 進 山 北 區 技 專 聯 盟 教 學 設 施 資 源 共 享 研 究 期 末 報 告 Technical Report, 教 育 部 (2004). 二 研 究 計 畫 之 背 景 及 目 的 計 劃 背 景 : 蔬 果 採 收 後 其 組 織 細 胞 之 生 理 生 化 活 動 仍 不 斷 進 行 著, 如 : 呼 吸 作 用 蒸 發 作 用 乙 烯 生 成 成 份 變 化 微 生 物 的 接 觸, 以 及 有 發 芽 發 根 萎 凋 老 化 及 腐 爛 等 現 象, 這 些 均 會 影 響 蔬 果 的 商 品 價 值, 所 以 先 瞭 解 採 後 的 各 種 生 理 變 化, 再 配 合 適 當 方 法 加 以 控 制 以 確 保 產 品 的 品 質 與 新 鮮 度 蔬 果 保 鮮 的 方 法 則 為 : 1. 利 用 低 溫 保 鮮 : 溫 度 是 影 響 蔬 果 貯 存 壽 命 或 新 鮮 程 度 的 最 主 要 的 因 素, 低 溫 可 降 低 蔬 果 之 呼 吸 率 及 減 少 腐 爛 程 度, 大 部 份 的 蔬 果 在 採 購 後, 可 放 在 低 溫 下 維 持 一 定 程 度 的 新 鮮 度, 但 少 部 分 蔬 果 如 釋 迦 或 綠 熟 蕃 茄 等, 則 不 宜 貯 放 在 家 用 冰 箱 ( 5 ~ 8 ) 中, 以 免 啞 吧 或 加 速 腐 爛 2. 利 用 氣 體 保 鮮 : 空 氣 中 約 含 有 21 % 的 氧 氣 及 0.03 % 的 二 氧 化 碳, 一 般 情 形 下, 適 當 地 降 低 貯 藏 環 境 中 氧 氣 濃 度, 並 提 高 二 氧 化 碳 濃 度 至 一 定 比 例, 可 以 降 低 蔬 果 的 呼 吸 率, 延 長 蔬 果 貯 存 壽 命, 但 值 得 注 意 的 是, 利 用 氣 體 保 鮮 的 同 時, 亦 應 配 合 低 溫 控 制, 才 可 達 到 預 期 的 效 果 3. 使 用 化 學 藥 劑 : 最 常 用 的 化 學 藥 劑 是 乙 烯 吸 收 劑, 由 於 所 有 新 鮮 的 蔬 果 均 能 產 生 並 釋 放 乙 烯, 而 乙 烯 卻 會 促 進 許 多 蔬 果 的 老 化, 及 增 加 其 貯 藏 障 礙, 進 而 縮 短 產 品 的 貯 運 壽 命, 故 常 用 乙 烯 吸 收 劑 來 吸 收 蔬 果 所 釋 放 出 來 的 乙 烯 氣 體, 另 外, 亦 有 用 殺 菌 劑 等 4. 放 射 線 處 理 : 多 採 用 x -ray 或 γ -r ay, 經 放 射 線 處 理 後 的 食 品 叫 照 射 食 品 目 前 衛 生 署 核 准 照 射 食 品 種 類 有 馬 鈴 薯 甘 藷 分 蔥 大 蒜 木 瓜 芒 果 米 紅 豆 綠 豆 等, 其 照 射 目 的 在 抑 制 發 芽 延 長 貯 存 期 限 防 治 害 蟲 或 殺 菌 5. 環 境 控 制 保 鮮 : 包 括 控 制 濕 度 氧 氣 或 二 氧 化 碳 等 的 保 鮮 手 段 由 於 蔬 果 表 面 不 斷 有 水 分 蒸 發, 因 此 需 要 保 持 高 濕 度 的 環 境, 而 保 持 高 濕 度 的 方 法 是 利 用 加 濕 器 來 控 制, 貯 藏 庫 內 之 溫 度 在 3 以 下 時, 宜 採 用 蒸 氣 式 加 濕 器 ; 如 在 3 以 上 時, 可 採 噴 霧 式 加 濕 器 乙 烯 是 一 種 氣 體 植 物 荷 爾 蒙, 調 節 或 影 響 許 多 植 物 生 長 發 育 及 逆 境 所 引 發 的 生 理 變 化 過 程 乙 烯 來 源 有 (1) 幾 乎 所 有 的 植 物 種 類 都 會 自 行 合 成 乙 烯 (2) 蔬 菜 水 果 也 和 花 卉 一 樣 會 產 生 乙 烯, 尤 以 具 後 熟 現 象 的 蔬 果 產 生 的 最 多 因 此 花 卉 不 宜 與 蔬 果 共 同 貯 藏 運 銷, 觀 賞 植 物 也 不 宜 與 柑 桔 共 同 運 銷 (3) 患 病 或 受 傷 的 植 物 比 健 康 正 常 的 植 物 產 生 的 乙 烯 量 61

62 高 (4) 在 城 市 及 附 近 區 域 的 大 氣 層 中 往 往 含 有 足 以 起 花 卉 作 物 病 變 的 乙 烯 含 量 (5) 各 型 式 的 內 燃 機 或 燃 燒 石 油 的 發 熱 機 是 主 要 的 乙 烯 來 源 (6) 因 霓 紅 燈 管 漏 氣 而 引 起 的 乙 烯 外 洩 情 形 亦 是 原 因 之 一 (7) 在 某 些 情 況 下, 電 動 馬 達 或 照 明 設 備 也 可 能 釋 出 乙 烯 [1] 乙 烯 的 禍 害 遍 及 於 各 種 植 物 ; 在 鮮 花 方 面, 往 往 僅 有 十 億 分 之 三 十 至 六 十 (30-60ppb) 濃 度 的 乙 烯, 即 足 以 造 成 產 量 的 減 少 ; 在 觀 葉 植 物 方 面, 雖 較 鮮 花 有 抵 抗 力, 但 也 在 乙 烯 濃 度 達 1.0ppm 時 受 到 傷 害 很 多 過 程 包 括 種 子 萌 芽 水 果 熟 化 花 卉 凋 謝 葉 子 衰 老 及 種 種 逆 境 所 誘 導 之 蛋 白 質 合 成 由 於 所 有 新 鮮 的 蔬 果 均 能 產 生 並 釋 放 乙 烯, 而 乙 烯 卻 會 促 進 許 多 蔬 果 的 老 化, 及 增 加 其 貯 藏 障 礙, 進 而 縮 短 產 品 的 貯 運 壽 命, 故 大 久 保 增 太 郎.. 等 人 [2-9] 認 為 乙 烯 因 能 促 進 蔬 果 老 化 及 後 熟 等 作 用. 可 用 乙 烯 吸 收 劑 或 乙 烯 作 用 阻 礙 劑 來 阻 止 乙 烯 之 作 用 以 降 低 乙 烯 量 或 阻 止 乙 烯 之 作 用 來 減 緩 種 子 萌 芽 水 果 熟 化 花 卉 凋 謝 葉 子 衰 老 等 速 率, 而 增 加 蔬 果 保 鮮 時 間 至 於 降 低 乙 烯 量 方 法 有 以 利 用 基 因 轉 殖 技 術 抑 制 乙 烯 之 生 成 [9-11], 有 利 用 乙 烯 吸 收 劑 來 除 去 已 生 成 之 乙 烯 [12-14] 商 業 上 常 以 過 錳 酸 鉀 行 氧 化 作 用 來 除 去 乙 烯, 或 利 用 白 金 銅 銅 / 鋅 混 合 物 於 高 溫 ( ) 下, 行 氧 化 作 用 來 除 去 乙 烯 另 外 可 以 電 漿 輔 助 反 應 方 式 強 制 乙 烯 反 應 以 除 去 乙 烯 相 關 電 漿 輔 助 反 應 研 究 如 Tanabe, S 等 人 以 選 擇 電 漿 反 應 器 把 甲 烷 部 分 氧 化 成 甲 醇 及 甲 醛 [15] Okazaki 等 人 [16] 以 新 發 展 的 非 平 衡 脈 衝 寂 靜 放 電 電 漿 (nonequilibrium plasma of pulsed silent discharge) 在 大 氣 壓 力 及 373K 下 成 功 的 由 甲 烷 / 氧 氣 氣 體 混 合 物, 直 接 把 甲 烷 轉 變 氫 氣 Rajanikanth 等 人 [17] 使 用 放 電 的 非 熱 電 漿 以 改 進 甲 醇 的 轉 變 方 法 由 各 種 化 學 和 電 的 參 數 影 響 了 這 個 非 熱 電 漿 反 應 的 效 率 Okumoto 等 人 [18] 以 一 固 態 脈 波 發 電 機 產 生 1 到 大 約 2μs 上 升 時 間, 且 4 到 大 約 5μs 脈 波 寬 的 脈 波 的 電 壓, 10kHz 的 頻 率 電 源, 注 入 一 非 熱 電 漿 程 序 中, 可 應 用 來 直 接 合 成 甲 醇 Kato 等 人 [19] 使 用 純 CO2 或 (CO2+H2) 混 合 物 分 子, 注 入 以 ac 放 電 之 電 漿 反 應 爐 中, 結 果 之 質 量 轉 換 證 明 純 CO2 分 子 能 以 高 產 率 的 分 解 成 CO, 且 (CO2+H2) 混 合 物 分 子 能 有 正 當 產 率 的 產 生 燃 料 類 物 質 如 CH4,CH3OH 等 Okumoto 等 人 [20] 這 研 究 使 用 脈 波 注 入 非 熱 電 漿 產 生 器 來 轉 換 甲 烷 成 甲 醇 和 其 他 的 更 高 的 碳 氫 化 合 物 以 電 漿 法 輔 助 乙 烯 反 應 方 式 來 減 少 乙 烯 含 量 的 作 法, 作 為 延 長 蔬 果 保 鮮 期 限, 是 近 期 研 究 的 主 流 本 研 究 目 的 為 以 大 氣 電 漿 來 導 引 乙 烯 分 解 並 氧 化, 以 減 低 蔬 果 產 生 並 釋 放 之 乙 烯 成 分 由 於 理 想 之 乙 烯 含 量 為 1ppm 以 下, 及 大 氣 電 漿 產 生 處 理 低 含 量 之 乙 烯 氣 體, 大 氣 電 漿 產 生 器 之 設 計 是 本 研 究 計 劃 中 極 重 要 的 課 題 之 一 蔬 果 保 鮮 研 究 很 難 定 量, 以 致 對 照 組 設 計 的 需 求 是 必 須 的 以 相 同 控 制 條 件 及 環 境 同 時 比 較 其 保 鮮 之 差 異 三 目 前 已 有 與 計 畫 相 關 之 基 礎 與 成 果 3-1 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 論 文 發 表 1. C. S. Cheng*, Y. L. Tsai A kinetics study of the methanol catalyst reaction to produce hydrogen assisted by the procedure of non-thermal plasma, 中 日 交 流 電 漿 研 究 會 日 本 武 藏 大 學 2004 年 8 月 日 (2004)) 2. C. S. Cheng*, Y. L. Tsai, Y. H. Chan and S. Teii 62

63 A study of the methanol non-thermal plasma reaction Plasma 研 究 會 ( 日 本 電 氣 協 會 ) 日 本 富 山 大 學 2004 年 11 月 日 (2004). 3-2 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 設 備 1. 氣 體 分 析 儀 (GC) 一 套 2. 非 熱 電 漿 反 應 設 備 一 套 四 研 究 方 法 進 行 步 驟 及 執 行 進 度 4.1 研 究 方 法 與 執 行 步 驟 據 了 解 放 電 電 漿 的 非 - 熱 電 漿 反 應 程 序 需 要 在 反 應 器 中 加 入 可 行 成 高 壓 放 電 電 漿 之 電 極 一 般 再 絕 緣 條 件 符 合 下 需 要 在 兩 電 極 上, 增 壓 至 20kV 至 30kV, 依 非 - 熱 電 漿 反 應 器 設 計 之 不 同, 高 電 壓 源 一 般 為 pulse 電 源 本 研 究 計 畫 之 執 行 將 包 括 非 - 熱 電 漿 反 應 器 裝 置 之 組 裝 與 電 漿 參 數 之 量 測 以 及 處 理 後 材 料 之 測 試 與 檢 驗 等 三 個 部 分 非 - 熱 電 漿 反 應 器 裝 置 如 下 圖 : 本 計 畫 擬 測 試 之 非 熱 電 漿 反 應 器 裝 置 如 下 型 式 : 圖 1 非 熱 電 漿 反 應 器 裝 置 示 意 圖 以 小 型 手 調 電 壓 調 壓 器 (Regulator) 調 整 0 ~ 200V AC 電 壓, 作 為 高 電 壓 變 壓 器 (Transformer) 之 輸 入 電 源, 高 電 壓 變 壓 器 將 電 壓 增 壓 約 150 倍 後, 依 需 要 改 變 pulse 電 流 之 電 壓 及 脈 衝 頻 率 作 為 反 應 器 之 輸 入 電 源 反 應 器 是 石 英 管 製 成, 由 絕 緣 及 耐 高 壓 閃 電 衝 擊 管 軸 內 安 裝 不 銹 鋼 線 為 其 中 一 極, 管 外 包 裹 一 層 鋁 片 作 為 另 一 極 當 0~30kV 高 電 壓 輸 入 後, 反 應 物 被 高 電 壓 激 發 成 離 子 自 由 基, 而 激 起 反 應 之 進 行 實 驗 時 將 利 用 GC 分 析 生 成 物 及 反 應 物 濃 度, 以 了 解 不 同 反 應 條 件 下, 反 應 物 及 生 成 物 間 關 係, 計 劃 計 算 其 反 應 速 率, 反 應 之 生 成 率 及 最 佳 反 應 條 件 為 了 解 在 電 漿 反 應 之 反 應 機 構, 除 以 生 成 物 及 反 應 物 濃 度 間 關 係 作 評 估 外, 計 劃 利 用 紅 外 線 掃 描 電 漿 反 應 器 之 輻 射 光, 藉 以 了 解 自 由 基 之 生 成 及 濃 度 狀 況, 參 考 63

64 其 他 學 者 專 家 理 論, 可 以 判 斷 電 漿 反 應 之 機 構 蔬 果 作 保 鮮 實 驗 時, 依 季 節 之 選 擇 直 接 由 產 地 取 得 同 區 同 時 摘 取 之 新 鮮 蔬 果, 分 別 區 分 為 實 驗 組 及 對 照 組 在 設 定 條 件 及 環 境 下, 比 較 兩 者 保 鮮 之 效 果 其 中 實 驗 組 設 裝 置 內 安 裝 由 電 漿 反 應 器 以 引 導 乙 烯 分 解 或 氧 化 反 應 實 驗 中 定 期 取 向 分 析 乙 烯 含 量 變 化 及 對 保 鮮 成 效 之 影 響 電 漿 反 應 器 之 設 計 是 本 計 劃 知 重 要 課 題 之 一, 如 何 設 計 反 應 速 率 佳 省 電 體 績 效 需 電 壓 較 低 及 方 便 操 作 反 應 之 電 漿 反 應 器 對 農 產 品 之 運 輸 儲 存 而 言 本 研 究 計 劃 如 果 成 功 由 助 於 作 為 長 期 使 用 來 作 為 蔬 果 保 鮮 之 主 要 裝 置 之 一 五 預 期 完 成 之 工 作 項 目 及 成 果 5.1 預 期 成 果 本 研 究 計 畫 預 期 在 完 成 後, 可 了 解 不 同 反 應 條 件 下, 反 應 物 及 生 成 物 間 關 係, 反 應 速 率, 反 應 之 生 成 率 及 最 佳 反 應 條 件 由 紅 外 線 掃 描 電 漿 反 應 器 之 輻 射 光 分 析, 可 了 解 自 由 基 之 生 成 及 濃 度 狀 況, 以 判 斷 電 漿 反 應 之 機 構 設 計 不 同 電 漿 反 應 器, 可 了 解 各 種 反 應 器 之 反 應 速 率 省 電 體 績 效 所 需 電 壓 值 及 是 否 是 方 便 操 作 之 電 漿 反 應 器 本 研 究 計 畫 之 師 生 們, 將 可 利 用 此 研 究 計 畫 之 進 行, 學 習 電 漿 反 應 之 控 制 反 應 機 構 及 反 應 操 作 控 制 電 漿 反 應 器 之 設 計 等, 能 加 強 電 漿 反 應 領 域 之 認 識, 進 而 了 解 其 中 之 技 巧 與 奧 妙, 有 助 於 未 來 繼 續 往 此 領 域 之 研 究 六 參 考 文 獻 1. 林 棟 樑, 花 卉 保 鮮 技 術, 台 南 區 農 業 專 訊, 第 11 期,10~12 頁 (1995) 2. 大 久 保 增 太 郎, 蔬 果 類 之 保 鮮 技 術, 食 品 開 發, 24(2), pp (1989) 3. 山 下 巿 二, 蔬 果 類 保 鮮 技 術 之 最 新 發 展, 食 品 開 發, 26(8),Aug., pp (1991) 4. 李 國 明, 哈 密 瓜 採 收 後 保 鮮 貯 運 之 改 進, 花 蓮 區 農 業 改 良 場 業 務 年 報, P (1992) 5. 莊 耿 彰, 百 合 切 花 及 盆 花 品 質 與 乙 烯 STS 之 關 係, 台 灣 花 卉 園 藝 (101):18-19 (1995) 6. 林 棟 樑, 花 卉 保 鮮 技 術, 台 南 區 農 業 專 訊, 第 11 期,10~12 頁 (1995) 7. Charng, Y. Y., C.W., Sun, S.J. Chou, Y.R. Chen, and S.F. Yang. cdna sequence putative ethylene receptor from carnation petals. Plant Physiol. 115:1731. (1997) 8. 張 錦 興 ; 林 棟 樑, 薑 荷 花 切 花 瓶 插 壽 命 與 貯 藏 條 件 之 研 究, 中 國 園 藝.45(1):65-75 (1999) 9. 吳 弘 達 林 玫 如 杜 宜 殷 黃 鵬 林 香 蕉 乙 烯 受 體 之 基 因 結 構 與 功 能 分 析 中 國 園 藝 學 會 九 十 年 度 年 會 論 文 宣 讀 ( 摘 要 ) 中 國 園 藝 47: 477 (2001) 10. King, G. A. ; O'donoghue, E. M., 延 緩 收 獲 後 蔬 果 老 化 之 新 機 會,Trends in Food Science and Technology, 6(12), Dec., pp (1995) 11. Charng, Y. Y., C.W., Sun, S.J. Chou, Y.R. Chen, and S.F. Yang. cdna sequence putative ethylene receptor from carnation petals. Plant Physiol. 115:1731. (1997) 12. 李 盈 穎, 甜 蜜 果 蓮 霧 成 功 降 落 加 拿 大, 新 浪 雜 誌 - 數 位 週 刊 062 Mon, 5 Nov, (2001) 13. Kazuhiro, A. ; Watada, A. E., Ethylene Absorbent to Maintain Quality of Lightly Processed Fruits and Vegetables, J. Food Sci., 56(6), pp (1991) 64

65 14. Blida, A. E. ; Rigal, L. ; Malmary, G. ; Molinier, J. ; Torres,L., Ethylene Removal for Long Term Conservation of Fruits and Vegetables, Food Quality and Preference, 4(3), pp (1993) 15. Tanabe, S.; Tokumaru, S.; Hatekeyama, K.; Okitsu, K.; Matsumoto, H.; Hayashi, Y.; Partial oxidation of methane to methanol in a newly developed selective discharge plasma reactor; Plasma Science, The 29th IEEE International Conference p. 329 (2002) 16. Okazaki, K.; Nozaki, T.; Uemithu, Y.; Yasuda, Shin-ichi; Hijikata, K.; Direct conversion of methane to methanol and effect of basic factors in nonequilibrium plasma at atmospheric pressure, Nippon Kikai Gakkai Ronbunshu, B Hen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part B, v 61, n 592, Dec, p (1995). 17. Rajanikanth, B.; Okumoto, M.; Katsura, S.; Mizuno, A.; Non-thermal plasma approach in direct methanol synthesis from CH4; Conference Record - IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society); v 3, p (1996). 18. Okumoto, M.; Tsunoda, K.; Katsura, S.; Mizuno, A.; Direct methanol synthesis using non-thermal pulsed plasma generated by a solid state pulse generator; Journal of Electrostatics; v 42, n 1-2, Oct, p (1997). 19. Kato, Seizo (Mie Univ); Yamamoto, Yoshihiro; Okuyama, Motohiro; Plasma conversion experiment of carbon dioxide into fuel species and quantum analysis of plasma reaction associated with oxygen atom, American Society of Mechanical Engineers; Environmental Control Division Publication; EC, v 5, Environmental Control Fuels and Combustion Technologies Nuclear Engineering, p (1997) 20. Okumoto, M. (Toyohashi Univ of Technology); Kim, H.-H.; Takashima, K.; Katsura, S.; Mizuno, A., Conversion of methane to higher hydrocarbons using non-thermal plasma, Conference Record - IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society), v 1, p (2000) 65

66 子 計 劃 四 : 奈 米 粒 徑 鑽 石 薄 膜 之 形 成 與 應 用 於 PDP 用 微 放 電 電 極 之 研 究 ( 配 合 發 展 主 軸 四 : 電 漿 鍍 膜 技 術 ) 主 持 人 : 劉 沖 明 66

67 一 近 五 年 內 主 持 人 主 要 研 究 成 果 說 明 (Journal paper) 12. Jeou-Long Lee, Chung-Ming Liu, KuenTing, Wei-Kung Cheng, Takayoshi Tsuchida, Kenichi Hiramatsu, Shigeru Ono, and Shinriki Teii, The Modification of Carbon Included Polyethylene Surface by Plasma Treatment for Metallizing Using a Low Pressure RF Discharge Plasma, J. Adv. Oxid Technol. Vol.8, No.1, Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu, Chungming Liu, October, 1999,The effect of solidification conditions on phase transformation of iron matrix of Fe-25mass%Cr-C-B alloys, Int. J. Cast Metals Res., 1999, 11,P. 285~290. (The SPCI6 Birmingham, Alabama, USA.) 14. Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu, Wu Liu, Chungming Liu, 1999, Slurry Erosion Behavior Of Fe-15mass%/25mass%Cr-C-B Eutectic Alloys, Wear 233~235 P.160~ 劉 沖 明, 麻 生 節 夫 後 藤 正 治, 小 松 芳 男,1999,Vol.12,No.1/2, 單 方 向 凝 固 之 Fe-25%Cr-C 三 元 系 共 晶 合 金 之 機 械 性 質, 日 本 素 材 物 性 雜 誌,P Chungming Liu, Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu Mechanical, 1999, Vol.7, No.2, Properties of Chromium White Cast Irons at High Temperatures, Int. J. of The Soc. Of Mat. Eng. For Resources. P.350~358. (Conference paper) 17. Tzu H. C., C. M. Liu and A. Z. Lin, Y. Matsuo, S. Ono, S. Teii, Numerical and Experimental of a pen-like Atmospheric Plasma Torch, IEE Japan, 11,18~19, 2004, toyama Japan, PST-4-83~ Tzu Hsiang Co, C. M. Liu and H. K. Chen, Numerical Study on Three-Dimensional Isothermal Solid-gas Flow and Deposition Process in a Plasma Spray Torch with Different Solid Shield Diffusive Angle, 中 國 機 械 工 程 學 會 第 二 十 一 屆 全 國 學 術 研 討 會, 高 雄 臺 灣, Nov, 程 偉 堃 李 九 龍 劉 沖 明 王 建 義 葛 明 德, 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 陽 極 處 理 電 化 學 特 性 之 研 究, 2004 材 料 年 會, Taiwan,, Nov, 程 偉 堃 劉 沖 明 李 九 龍 葛 明 德, 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 陽 極 處 理 之 研 究, 第 四 屆 海 峽 兩 岸 腐 蝕 研 討 會, 台 灣, Oct Chao-Chen Yang, Min-Fong Shu, Chung-Ming Liu, Te-Ho Wu, Radiofrequency and/or Direct-Current Magnetron Sputtering Fabricating Magnetic Films of Gd-Co-Fe from Plasma Applications, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p.258~ Chao-Chen Yang, Chung-Ming Liu,Young-Chin Chen, Hsing-Nan Chung and Meng-Hsun Liu, The Study of Plasma Surface Treatment Technology and its Application on Woven Fabric, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p. 252~ J.L.Lee, C.M.Liu, K.Ting, W.K.Cheng and T.Tsuchida, K.Hiramatsu, S.Ono, S.Teii, The modification of polyethylene surface by plasma treatment for metallizing using a low pressure 67

68 RF discharge plasma, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p. 243~ J.L.Lee, C.M.Liu, K.Ting, W.K.Cheng and S.Takizawa, S.Arase, S.Ono, S.Teii, Plasma treatment of polyethylene surface for metallizing by using an atmospheric pressure corona torch, The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, Taiwan, Dec. 2003, p.237~ Yoshinari Komatsu, Chinmin Liu, Shoji Goto, Setsuo Aso, KOREA, 2003, April, High-temperature strength of 25 mass% chromium Fully-eutectic White Cast Irons, The 1st Korea-Japan Confrence for Young Foundry Engineers, Jeju, P17~ Shoji Goto, Chungming Liu, Setsuo Aso, Yoshinari Komatsu, JAPAN, 2001, June, Mechanical Properties of Eutectic Fe-Cr-C Composite Alloys, The Seventh International Conference of creep and Fatigue at Elevated Temperatures, National Research Institute of Metals (NRIM), Tsukuba,P.261~ Shoji Goto, Chungming Liu, Setsuo Aso, Yoshinari Komats, 2001, April, High-temperature Strength of Unidirectionally Solidified Fe-Cr-C Eutectic Alloys, 9th International Conference on Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures, university of Wales Swansea, UK, p. 515~ 劉 沖 明 麻 生 節 夫 後 藤 正 治 小 松 芳 男, 對 於 高 溫 下 之 高 Cr 白 鑄 鐵 壓 縮 強 度 的 異 方 性, 日 本 素 材 物 性 學 會 平 成 11 年 年 會, 演 講 概 要 集 1999,6,P 劉 沖 明, 麻 生 節 夫 後 藤 正 治, 小 松 芳 男, 高 Cr 白 鑄 鐵 高 溫 嚇 之 壓 縮 強 度 的 異 方 向 性, 日 本 鑄 造 工 學 會 第 134 次 全 國 演 講 大 會, 演 講 概 要 集 1999,5,P Chungming Liu, Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu Mechanical,Slurry Erosion Behavior of Fe-15mass%Cr-C-B alloys, Proceedings of the 5th Asian Foundry Congress, Nanjing, China, Sept., 1999, 276~284. 二 研 究 計 畫 之 背 景 及 目 的 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 再 合 成 製 程 之 分 析 與 控 制 全 世 界 每 年 排 出 龐 大 數 量 之 廢 棄 塑 膠, 傳 統 處 理 方 法 多 半 為 填 埋 土 中 或 當 作 熱 能 焚 化, 回 收 利 用 者 極 為 有 限 所 以 開 發 有 效 之 利 用 方 法, 不 僅 有 助 於 解 決 環 保 之 問 題, 從 省 資 源 之 (1) 觀 點 來 看 亦 極 為 重 要 目 前, 有 關 廢 棄 塑 膠 之 再 利 用 方 法 包 括 藉 由 熱 分 解 來 油 化 的 方 法 外, 投 入 高 爐 氣 化 等 方 法 的 開 發 也 正 積 極 進 行 之 中 但 是, 為 了 預 測 今 後 塑 膠 之 生 產 量 及 回 收 率 之 成 長, 必 須 找 尋 新 的 再 利 用 方 法 (2~4) 由 都 市 垃 圾 加 以 分 類, 一 般 所 謂 廢 棄 塑 膠 之 組 成 種 類 包 括 : 泛 用 樹 脂 之 3P(PE PP PS) 約 77%, 剩 下 的 是 氯 系 樹 脂 (PVC PVDC) 約 6~7% PET 樹 脂 約 8% 其 他 塑 膠 以 外 之 清 洗 劑 容 器 之 金 屬 彈 簧 或 鋁 箱 玻 璃 砂 等 雜 物 約 8%( 如 附 圖 ) 近 幾 年 來, 雖 然 氯 系 樹 脂 已 漸 漸 減 少, 但 是 除 了 寶 特 瓶 外, 一 般 塑 膠 成 型 製 品 以 多 使 用 PET 樹 脂, 因 此 使 得 再 利 用 處 理 技 術 更 趨 複 雜 68

69 PET 8.2% ABS 0.3% 鋁 箔. 金 屬. 砂. 等 7.9% PVC 4.7% PS 22.2% PE 38.8% PP 16.2% 都 市 回 收 廢 棄 物 塑 膠 垃 圾 之 組 成 PV 1. 近 幾 年, 利 用 電 漿 來 處 理 廢 棄 物 之 方 法 已 被 廣 泛 之 研 究 與 應 用 (5~8) 電 漿 處 理 為 高 能 量 及 一 種 可 處 理 多 種 有 毒 廢 棄 物 之 工 程, 利 用 電 漿 所 產 生 所 產 生 之 高 溫 可 應 用 於 處 理 具 有 危 險 性 之 廢 棄 物 處 理 工 程 之 中 特 別 是 在 處 理 環 境 中 利 用 具 有 如 OH H 及 O 等 自 由 基 之 反 應 性 電 漿 時, 可 藉 這 些 自 由 基 來 促 進 化 學 反 應 之 進 行 在 廢 棄 塑 膠 之 分 解 方 法 方 面 可 列 舉 出 利 用 光 分 解 熱 分 解 化 學 處 理 之 分 解 及 物 理 分 解 等 方 法 而 可 以 兼 具 有 上 述 各 種 分 解 效 果 之 方 法, 則 只 有 利 用 電 漿 方 式 之 分 解 才 可 達 成 電 漿 技 術 用 於 分 解 廢 棄 高 分 子 材 料, 具 有 光 分 解 熱 分 解 物 理 性 及 化 學 性 分 解 等 諸 效 應, 在 過 程 中 會 產 生 大 量 之 離 子 與 活 性 粒 子 而 如 果 能 夠 有 效 地 控 制 這 些 粒 子, 可 期 待 令 其 反 應 成 為 各 種 具 有 高 附 加 價 值 之 工 業 原 料 並 加 以 回 收 利 用 (9) 本 研 究 將 使 用 水 蒸 氣 (H2O) 電 漿 供 應 大 量 之 OH 活 性 粒 子 與 高 分 子 材 料 中 之 C 及 H 原 子 反 應 結 合, 形 成 不 同 之 新 物 質 研 究 中 所 適 用 之 汽 化 一 般 稱 為 水 汽 化 反 應 (C+H2O CO+H2) 在 分 解 與 再 合 成 之 過 程 中, 研 究 活 性 粒 子 之 產 生 與 電 漿 諸 條 件 之 相 互 關 係, 以 及 各 種 合 成 新 物 質 之 含 量 及 種 類 之 控 制 法, 提 供 基 本 知 識 以 達 成 構 築 具 有 實 用 性 之 廢 棄 塑 膠 再 利 用 系 統 為 此 項 計 畫 之 最 終 目 的 廢 棄 塑 膠 之 電 漿 分 解 及 再 合 成 如 能 控 制 其 製 程, 有 效 變 換 成 高 附 加 價 值 之 原 料 並 加 以 回 收 利 用, 可 降 低 生 產 成 本, 除 卻 實 用 化 之 最 大 障 礙 此 外, 此 種 方 式 只 需 小 規 模 之 裝 置, 投 資 容 易, 分 置 於 鄉 鎮 村 里, 可 解 決 廢 棄 物 處 理 之 問 題, 同 時 亦 有 節 省 資 源 之 效 果, 一 舉 數 得, 如 能 實 用 化 對 國 家 社 會 之 貢 獻 極 大 無 疑 本 研 究 過 去 幾 年 曾 使 用 2.45GHz 微 波 放 電 水 蒸 氣 電 漿 ( 如 Fig.1), 在 氣 壓 1-6Torr 範 圍 內 分 解 PE 材 料 再 合 成 為 Alcohol Aldehyde Keton 等 工 業 用 原 料 (5,10) ( 如 Fig.2), 水 蒸 氣 容 易 吸 收 微 波 能 量, 溫 度 可 自 動 提 昇 至 1000 o K 以 上 令 PE 蒸 發 分 解, 極 為 方 便, 又 因 能 量 密 集 可 產 生 大 量 之 活 性 粒 子, 有 助 於 再 合 成 目 前 合 成 之 物 質 為 含 碳 原 子 1 至 5 之 Methanol Pentanol 之 類 原 料, 為 提 高 合 成 物 質 之 選 擇 性, 以 加 強 其 附 加 價 值, 有 需 要 控 制 電 漿 內 之 電 子 溫 度, 亦 即 大 幅 改 變 放 電 之 氣 壓 範 圍 (10-3 ~10Torr) 以 及 試 行 混 合 不 同 氣 體 於 水 蒸 氣 內 69

70 Fig.2 Concentration of the decomposition products for various gas pressures. 但 因 微 波 放 電 所 產 生 之 電 漿 體 積 有 限, 為 顧 及 今 後 實 用 化 之 目 的, 希 望 能 夠 以 13.56MHz 之 RF 放 電 替 代,RF 放 電 較 容 易 於 較 廣 之 氣 壓 範 圍 內 產 生 大 容 積 之 電 漿, 但 是 RF 放 電 之 水 蒸 氣 電 漿, 溫 度 不 會 自 動 提 昇, 必 須 人 工 加 熱 至 400 o K 以 上, 始 能 令 PE 蒸 發 分 解, 電 漿 內 產 生 之 活 性 粒 子, 種 類 與 密 度 亦 與 微 波 放 電 略 有 不 同, 其 效 果 如 何 尚 待 研 究 根 據 上 述 研 究 經 過 與 結 果, 本 研 究 今 後 除 繼 續 以 微 波 放 電 作 深 入 實 驗 之 外, 另 將 以 70

71 13.56MHzRF 放 電 分 解 與 再 合 成 之 研 究, 與 微 波 放 電 之 結 果 相 互 比 較, 檢 討 以 期 獲 得 最 有 效 最 實 用 之 方 法 三 目 前 已 有 與 計 畫 相 關 之 基 礎 與 成 果 3.1 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 產 學 合 作 建 教 合 作 之 成 果 目 前 本 計 畫 正 積 極 與 速 八 公 司 洽 談 產 學 合 作 事 宜, 速 八 公 司 為 一 家 從 事 生 產 空 氣 清 淨 設 備 及 廢 棄 物 處 理 設 備 之 廠 商, 由 本 校 研 發 處 技 合 組 之 媒 合, 正 密 切 商 談 合 作 事 宜 3.2 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 論 文 發 表 目 前 由 本 計 畫 共 同 主 持 人 以 微 波 電 漿 為 主 題, 就 高 分 子 材 料 之 電 漿 分 解 及 再 合 成 方 面 所 作 之 研 究 成 果 如 下 : Y.Suganuma, S. Ono and S.Teii, Study of Waste Plastic Disposal by means of H2O Microwave Plasma Process, Proceedings of the 17 th Symposium on Plasma Processing, (Jan. 2000) Y. Suganuma, T. Uegaki, K. Simura, S. Ono and S. Teii, Study of polyethylene disposal by means of H2O microwave plasma (in Japanese), Trans. IEE of Japan, Vol.122-A, No.5, (May 2002) 3.3 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 設 備 目 前 本 校 電 漿 應 用 技 術 研 發 中 心 所 有 與 本 計 畫 有 關 之 設 備 包 括 : 高 周 波 電 漿 系 統 含 回 收 系 統 (RF600) 微 波 電 漿 系 統 含 回 收 系 統 (MW1200) GC 光 譜 分 析 儀 白 金 探 針 系 統 四 研 究 方 法 進 行 步 驟 及 執 行 進 度 (1) 研 究 目 標 : 從 過 去 之 研 究 已 得 知 PE 可 用 水 電 漿 分 解 及 再 合 成 為 各 種 新 物 質 今 後 將 致 力 於 分 析 回 收 物 之 量 及 種 類 與 電 漿 諸 條 件 之 關 係, 進 而 控 制 其 反 應 過 程 以 加 強 反 應 之 選 擇 性 並 促 進 反 應 之 高 效 率 化 本 研 究 預 定 期 間 為 兩 年, 期 望 能 為 設 計 及 建 設 實 用 化 裝 置 方 面 提 供 有 效 知 識 與 基 本 資 料 為 當 前 之 目 標 (2) 研 究 計 畫 與 方 法 : 本 研 究 計 畫 及 方 法 分 點 說 明 如 下 : (a) 第 一 年 1. 實 驗 裝 置 之 設 計 與 組 裝 : 主 裝 置 ( 反 應 腔 體 電 源 排 氣 及 氣 體 導 入 系 統 ) 之 組 裝 副 裝 置 ( 樣 品 台 加 熱 器 水 蒸 氣 供 應 器 及 冷 卻 回 收 槽 ) 之 設 計 上 述 裝 置 均 以 龍 華 科 技 大 學 現 有 設 備 加 以 修 改 調 整 來 使 用 ( 裝 置 如 Fig.3) 71

72 Fig.3 Experimental set-up used 2. 基 本 實 驗 : 放 電 : 使 用 Ar H2O N2 Ar+ H2O N2+ H2O 氣 體, 微 波 及 高 頻 (RF) 電 源 量 測 : 使 用 靜 電 探 針 分 光 噐 ( 光 譜 儀 ) 測 定 電 子 溫 度 電 子 密 度 及 活 性 粒 子 之 種 類 密 度 3. PE 之 分 解 與 再 合 成 : 實 際 分 解 PE 等 高 分 子 材 料, 並 以 GC 分 析 回 收 物 質 之 量 與 種 類, 瞭 解 放 電 條 件 ( 使 用 氣 體 氣 壓 範 圍 輸 入 電 力 電 源 種 類 ) 與 分 解 速 度 回 收 物 質 之 量 與 種 類 之 關 係, 以 收 集 控 制 反 應 過 程 有 用 之 資 料 (b) 第 二 年 根 據 第 一 年 實 驗 之 結 果 1. 選 定 特 定 種 類 之 合 成 物 質, 積 極 改 變 氣 壓 及 使 用 氣 體 之 混 合 比 例 等, 了 解 與 合 成 量 之 關 係, 以 決 定 最 佳 之 合 成 條 件 2. 比 較 微 波 與 高 頻 (RF) 放 電 之 結 果, 了 解 彼 此 之 長 短 處 以 提 供 有 效 之 製 程 控 制 法 及 相 關 資 料 五 預 期 完 成 之 工 作 項 目 及 成 果 (1) 預 期 完 成 之 工 作 項 目 包 括 : (a) 研 究 設 備 之 組 裝 及 設 定 (b) 根 據 基 礎 實 驗 來 檢 討 裝 置 之 特 性 (c) 塑 膠 材 料 之 分 解 與 再 合 成 (2) 對 於 學 術 研 究 國 家 發 展 及 其 他 應 用 方 面 預 期 之 貢 獻 : (a) 開 發 新 的 廢 棄 物 處 理 方 法 72

73 (b) 跟 上 先 進 國 家 在 此 方 面 之 研 究 水 準 (c) 可 以 小 型 裝 置 之 優 勢 實 用 化 (3) 對 於 參 與 之 工 作 人 員, 預 期 可 獲 之 訓 練 : (a) 訓 練 學 生 及 研 究 生 思 考 設 計 能 力 (b) 促 使 參 與 師 生 積 極 與 國 際 接 軌 加 速 與 產 業 之 互 動 六 參 考 文 獻 1. 浮 田 正 夫, 河 原 長 美, 福 島 武 彥, 環 境 保 全 工 學, 技 法 堂 出 版 株 式 會 社, 末 岡 靖 裕 ほか, 三 菱 重 工 技 報, Vol.36, No.3, 144, 三 方 信 行, 橋 本 茂, 武 內 隆 春, 西 山 秀 雄, 新 日 鉄 技 報 第 360 號, 36, 氏 家 康 晴, 杉 山 英 一, 東 芝 レビュー, Vol.54, No.4, 14, T. Ihara, M. Kiboku, and Y. Iriyama, Bull. Chem. Soc. Jpn., 67, 312, T. Ihara, M. Kiboku, and Y. Iriyama, Bull. Chem. Soc. Jpn., 69, 241, Cheng TW, Chu JP, Tzeng CC, Chen YS. Waste Manage 2002;22:485~ Chu JP, Hwang IJ, Tzeng CC, Kuo YY, Yu YJ. J Hazardous Mater 1998;58:179~ Kezelis R, Juskevicius R, Mecius V. Ann N Y Acad Sci 1998;891;43~8 10.Glocker B, Nentwig G, Messerschmid. Vaccum 2000;59:35~46 73

74 子 計 劃 五 : 應 用 電 漿 技 術 於 insitu doping 自 旋 電 子 半 導 體 鍍 膜 技 術 之 研 究 ( 配 合 發 展 主 軸 四 : 電 漿 鍍 膜 技 術 ) 主 持 人 : 張 宇 能 74

75 一 近 五 年 內 主 持 人 主 要 研 究 成 果 說 明 (Journal paper) 31. 張 宇 能, 電 子 材 料 反 應 器, 化 工 技 術, 第 12 卷, 12 期,P.102,2004 年 12 月 32. Yuneng Chang, Junhsuan Hsieh, Chonan Wang, Liting Hong, A Differential Scanning Calorimetry (DSC) Study on The Pyrolysis Mechanism of Zinc Oxide CVD Precursor, Zinc Acetylacetonate, MRS Proceedings Volume 744, Progress in Semiconductors II Electronic and Optoelectronics, edited by B.D. Weaver, M.O. Manasreh, C.C. Jagadish, S. Zollner, (2003). 33. Yuneng Chang, Hengchuan Lu, Yumeng Hung, Chunsung Lee, Jianming Chen, and Yichang Jian, A Study on Impact of Process Parameters to Metal Organic Chemical Vapor Deposition Grown (002) Zinc Oxide Thin Films, at 320 o C, MRS Proceedings Volume 744, Progress in Semiconductors II Electronic and Optoelectronics, edited by B.D. Weaver, M.O. Manasreh, C.C. Jagadish, S. Zollner, (2003). 34. Yuneng Chang, Shengfu Huang, Minche Huang, Polycrystalline and Amorphous Chromium Oxide MOCVD, MRS Proceedings Volume 685E, D5.14, (2001). 35. Yuneng Chang, Yalian Chen, Kuanhon Chen, A Study on unique Crystal Morphology observed in the Polycrystalline Copper CVD, MRS Proceedings Volume 672, O3.5, (2001). 36. Yuneng Chang, Chihhsiang Yeh, Zinc Oxide/Copper Oxide Mixed Films Deposited by CVD, MRS Proceedings Volume 672, O8.37, (2001). (Conference paper) 4. Surface Phenomena and Nanostructures Observed In MOCVD Films Growth Over Plasma Sputtered Buffer Layers, Yuneng Chang, The 3 rd Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, p , 2003 年 12 月, (2003) 5. 以 DSC/POM 綜 合 分 析 ZnO CVD 先 驅 物 乙 醯 丙 酮 化 鋅 熱 學 性 質, 張 宇 能, 化 學 工 程 學 會 2003 年 會 研 討 會 論 文 集,poster 5-21, 2003 年 11 月, (2003) 6. 電 漿 濺 鍍 緩 衝 層 對 MOCVD ZnO 膜 成 長 之 研 究, 張 宇 能, 化 學 工 程 學 會 2003 年 會 研 討 會 論 文 集,poster 3-42, 2003 年 11 月, (2003) 7. ZnO CVD 先 驅 物, 乙 醯 丙 酮 化 鋅 於 氦 / 氧 氣 氛 之 DSC 分 析, 張 宇 能, Proceedings 2003 Symposium on Transport Phenomena and Applications, MT013, 2003 年 11 月 (2003) 8. 旋 轉 塗 佈 鍍 平 面 顯 示 器 用 PVA 膜 - 鍍 膜 參 數 分 析, 張 宇 能, Proceedings 2003 Symposium on Transport Phenomena and Applications, MT012, 2003 年 11 月 (2003) 9. 直 流 電 漿 濺 鍍 緩 衝 層 對 MOCVD 鐵 氧 磁 膜 成 長 之 影 響, 張 宇 能, Proceedings 2003 Symposium on Transport Phenomena and Applications, MT011, 2003 年 11 月 (2003) 10. Nucleation and Coalescence Phenomena during Sublimation/Recondensation of CVD Precursor, Zinc Acetylacetonate, Obeserved by Polarized Optical Microscopy - Y. Chang, CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France April 27-May 2, (2003) 11. Key Factors to Grow (002) Zinc Oxide Films by MOCVD at 320 o C and Atmospheric Pressure - Y. Chang, H. Lu, Y. Hung, CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the 75

76 Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France April 27-May 2, (2003) 12. (Cu x Zn 1-x )Fe 2 O 4 Ferrimagnetic Films Prepared by Atmospheric MOCVD at 360 o C - Y. Chang, C. Huang, CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France April 27-May 2, (2003) 13. A DSC Study on the Submliation and Decomposition of ZnO CVD Precursor, Zinc Acetylacetonate - Y. Chang, J. Hsieh, CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France April 27-May 2, (2003) 14. A Study on (311) CuCr 2 O 4 Spinel Films Prepared by MOCVD - Y. Chang, C. Lin, and B. Lee, p , CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France (2003) 15. Polycrystalline Spinel Chromite (ZnCr 2 O 4 ) Films Prepared by MOCVD - Y. Chang, H. Pen, and C. Chung, p , CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, (2003) 16. Development of Zinc Oxide Nanosctructure in MOCVD - Y. Chang, H. Lu, Y. Hung, C. Lee, J. Qiu, and X. Li, p , CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France (2003) 17. Polycrystalline Copper Whiskers and Networks Observed in MOCVD - Y. Chang, Y. Chen, R. Wu, K. Chen, and J. Lin, p , CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting Paris, France (2003) 18. A Study of A ZnO MOCVD Mechanisms by Gas Phase Transmission FTIR - Y. Chang, Y. Huang, CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France (2003) ( 專 題 研 究 計 畫 ) 1. 張 宇 能, 化 學 氣 相 沉 積 銅 鋅 鐵 氧 磁 體 薄 膜 之 研 究, (NSC E ), 主 持 人, 89/8/1-90/10/31, 國 科 會 2. 張 宇 能, 紅 外 光 譜 分 析 磁 性 材 料 MOCVD 之 氣 相 成 份 及 邊 界 層 反 應, (NSC E ), 主 持 人, 90/8/1/-91/7/31, 國 科 會 3. 張 宇 能, 以 緩 衝 層 MOCVD 技 術 成 長 高 亮 度 白 光 LED 氧 化 鋅 材 料, 主 持 人, 92/1/1-92/12/31, 經 濟 部 能 源 會 及 國 科 會 應 用 科 技 學 術 合 作 小 組 4. 張 宇 能, 光 電 用 Ⅱ-Ⅵ 族 薄 膜 研 究, 主 持 人, 93/1/1-93/12/31, 工 業 技 術 研 究 院 委 託 學 術 機 構 研 究 計 畫 76

77 二 研 究 計 畫 之 背 景 及 目 的 材 料 產 業 是 台 灣 未 來 經 濟 發 展 必 走 的 路. 也 是 本 實 驗 室 規 畫 未 來 發 展 電 漿 技 術 應 用 的 方 向. 利 用 電 子 自 旋 特 性 所 發 展 的 自 旋 電 子 學 (spintronics) 被 視 為 奈 米 元 件 之 關 鍵 技 術, 當 材 料 裏 自 由 電 子 的 自 旋 特 性 可 以 被 掌 握, 將 開 啟 電 子 元 件 全 新 的 性 能 與 應 用 範 籌. 本 計 畫 擬 發 展 應 用 電 漿 鍍 自 旋 電 子 元 件 材 料 之 稀 釋 磁 性 半 導 體 (Dilute Magnetic Semiconductor,DMS) 膜 技 術. 磁 性 半 導 體 是 參 有 磁 性 元 素 的 寬 能 隙 化 合 物 半 導 體. 如 能 實 現 居 禮 溫 度 在 室 溫 以 上 的 磁 性 半 導 體, 將 可 突 破 現 有 以 傳 統 半 導 體 矽 為 基 礎 的 摩 爾 定 律, 造 成 半 導 體 元 件 的 重 大 突 破. 但 傳 統 磊 晶 的 化 學 氣 相 沉 積 宥 於 高 溫, 易 致 參 入 磁 性 元 素 偏 析 (segregation) 聚 結, 使 自 旋 效 能 減 低. 分 子 束 磊 晶 雖 可 以 低 溫 同 步 參 入 的 磊 晶 成 長, 但 沉 積 速 率 太 慢. 就 本 實 驗 室 近 年 對 氣 相 沉 積 多 金 屬 氧 化 物 膜, 對 元 素 濃 度 掌 握 的 基 礎, 利 用 電 漿 先 濺 鍍 緩 衝 層, 再 以 其 催 化 上 層 化 學 氣 相 沉 積 於 低 溫 反 應, 現 已 可 於 150 o C 以 APCVD 成 長 (002) 指 向 ZnO, 於 室 溫 以 濺 鍍 成 長 (002) 指 向 ZnO. 應 可 實 現 低 溫 同 步 參 入 的 磊 晶 高 速 成 長. 嘗 試 以 電 漿 激 化 氣 態 分 子, 於 較 低 溫 度 氣 相 沉 積 II-VI 族 化 合 物 半 導 體 時, 同 步 將 磁 性 元 素 如 錳, 鈷, 以 分 散 原 子 狀 態 參 入 膜 內. 自 旋 電 子 理 論 及 應 用 固 態 材 料 的 電 流 是 電 荷 載 子 流 動 (charge carrier flow) 造 成 的, 電 荷 載 子 中 的 電 子 有 兩 種 自 旋 (electron spin) 磁 方 向, 但 現 今 使 用 的 電 子 元 件 很 少 運 用 兩 種 自 旋 的 電 荷 載 子 同 時 在 線 路 中 流 動 主 要 原 因 是 傳 統 元 件 的 電 子 自 旋 能 維 持 在 固 定 方 向 的 行 進 距 離 太 短, 因 此 自 旋 在 經 過 長 距 離 的 輸 送 後, 由 於 自 旋 不 斷 翻 轉 的 平 均 效 應 導 致 兩 種 電 荷 載 子 無 法 分 辨 但 近 年 來 人 工 合 成 的 奈 米 結 構 的 成 熟, 確 保 電 子 自 旋 在 前 進 的 過 程 中 維 持 一 定 方 向, 這 兩 種 自 旋 不 同 的 的 電 荷 載 子 有 不 同 的 傳 輸 特 性, 對 磁 場 的 反 應 也 不 一 樣, 稱 為 自 旋 相 關 傳 輸 科 學 家 控 制 電 子 的 新 方 式, 自 旋 電 子 學 的 成 熟 被 稱 為 是 二 十 世 紀 末 物 理 界 十 大 重 大 事 件 之 一 不 久 的 未 來, 自 旋 的 應 用 將 由 自 旋 電 子 學 成 熟 而 實 現 在 日 常 生 活 中 電 子 自 旋 1b 自 旋 電 子 奈 米 元 件 的 電 子 自 旋 圖 1a. 傳 統 元 件 的 法 拉 第 發 現 磁 與 電 可 互 相 影 響 後, 認 知 磁 場 可 影 響 電 子 的 運 動, 是 最 早 的 磁 電 阻 在 非 磁 性 金 屬 上 的 成 因 是 Lorentz 力 ( 常 磁 電 阻,OMR), 而 在 磁 性 金 屬 上 則 主 要 是 由 於 量 子 效 應 中 的 Spin-orbital 效 應 所 引 起 的 ( 異 向 磁 電 阻, AMR) 然 而 這 些 磁 電 阻 靈 敏 度 較 低, 應 用 價 值 也 有 限, 主 要 是 作 一 些 感 應 器 較 靈 敏 的 異 向 磁 電 阻 於 室 溫 時 在 10Oe 的 改 變 下 約 有 2% 的 反 應, 這 使 得 異 向 磁 電 阻 式 已 可 作 為 讀 取 磁 頭 與 低 密 度 的 磁 性 隨 機 記 憶 體 過 去 這 種 對 磁 電 阻 77

78 的 認 知 在 1988 年 Baibich 等 人 在 多 層 薄 膜 上 發 現 一 種 巨 大 的 負 磁 電 阻 效 應 之 後, 有 了 革 命 性 的 變 化 從 Baibich 等 人 發 現 巨 磁 電 阻 (GMR) 後, 很 快 的 又 發 現 了 超 巨 磁 電 阻 (1992, CMR) 與 穿 隧 磁 電 阻 (1995, TMR) 從 材 料 的 觀 點 來 看, 自 旋 相 關 傳 輸 包 含 磁 性 物 質 和 非 磁 性 的 物 質 從 製 程 開 發 研 究 來 看, 必 須 有 奈 米 結 構 保 證 自 旋 記 憶 自 旋 相 關 傳 輸 必 須 考 慮 電 子 自 旋 特 性 自 旋 是 微 觀 物 性, 量 子 力 學 是 理 解 自 旋 傳 輸 必 要 工 具, 磁 場 是 控 制 自 旋 電 子 運 動 最 佳 方 法 過 去 電 子 元 件 多 利 用 半 導 體 材 料 的 能 帶 及 能 隙 特 性 製 作, 以 電 場 控 制 電 子 與 電 洞 在 元 件 內 運 動, 達 成 元 件 的 功 能 現 在 發 現 的 上 旋 與 下 旋 電 子, 可 用 磁 場 取 代 而 過 去 的 電 場 也 發 展 出 自 旋 電 子 學 自 旋 電 子 材 料 有 三 類 : (1) 金 屬 材 料 : 將 磁 性 與 非 磁 性 金 屬 製 作 成 多 層 膜 或 顆 粒 膜 是 目 前 最 成 熟 的 研 究 如 CrO2, 其 自 旋 電 子 是 100% 的 自 旋 極 化 越 高 的 自 旋 極 化 度 所 得 磁 電 阻 比 值 越 大, 自 旋 極 化 度 高 的 材 料 作 自 旋 電 子 源, 在 磁 電 阻 效 應 能 得 極 大 的 突 破 (2) 超 巨 磁 電 阻 (GMR) 氧 化 物 : 超 巨 磁 電 阻 材 料 因 其 巨 大 的 磁 電 阻 變 化 率 而 得 名, 但 因 只 能 在 大 磁 場 和 低 溫 條 件 下 才 得 到 巨 大 變 化 率, 所 以 距 離 應 用 還 遠 ( 3) 磁 性 半 導 體 : 磁 性 半 導 體 多 為 參 有 過 渡 金 屬 磁 性 原 子 的 化 合 物 半 導 體, 如 參 有 錳, 鐵, 鈷 等 的 氮 化 鎵, 氧 化 鋅 等. 由 於 化 合 物 半 導 體 在 光 電, 電 子 領 域 多 所 應 用, 製 程 技 術 成 熟, 其 研 究 在 最 近 幾 年 來 尤 其 受 到 重 視, 磁 性 半 導 體 的 居 禮 溫 度 (Curie temperature, Tc) 是 材 料 開 發 的 重 要 參 數. 圖 2. 理 論 預 測 鐵 磁 性 半 導 體 的 居 禮 溫 度 磁 性 半 導 體 的 操 作 溫 度 必 須 在 居 禮 溫 度 之 下, 電 子 自 旋 才 能 有 序, 接 受 控 制. 目 前, 許 多 磁 性 半 導 體 的 材 料 其 鐵 磁 性 的 居 禮 溫 度 已 超 過 液 氮 溫 度, 但 Tc 在 室 溫 的 鐵 磁 性 半 導 體 材 料 仍 只 零 星 散 見 於 文 獻, 是 努 力 的 目 標 在 理 論 預 測 上, 居 禮 溫 度 為 室 溫 以 上 的 鐵 磁 性 半 導 體 是 有 可 能 的, 如 (GaMn)N 及 Mn:ZnO 系 統 磁 性 半 導 體 有 著 半 導 體 的 電 子 能 帶 結 構, 晶 格 常 數 與 一 般 半 導 體 類 似, 在 作 電 子 元 件 時 能 夠 和 一 般 半 導 體 有 良 好 介 面 目 前 在 材 料 最 大 的 問 題 之 一 在 於 如 何 提 高 電 子 自 旋 極 化 與 增 大 自 旋 記 憶 的 傳 輸 距 離, 這 也 是 未 來 尋 找 自 旋 電 子 材 料 78

79 的 重 要 方 向 之 一 應 用 前 景 與 世 界 現 況 自 旋 電 子 學 是 利 用 載 體 ( 電 子 與 電 洞 ) 自 旋 傳 導 的 電 子 學, 英 文 Spintronics 是 利 用 spin transport electronics 的 字 首 及 字 尾 組 合 而 成 當 初 係 美 國 軍 方 研 究 機 構 (Defense Advanced Research Project Agency)(DARPA) 於 1994 年 開 始 支 持 發 展 的 項 目 其 目 的 係 創 造 新 一 代 的 電 子 元 件, 它 除 了 利 用 載 體 的 電 荷, 還 要 利 用 到 載 體 的 自 旋 特 性 由 於 自 旋 有 兩 個 狀 態 (spin up and spin down), 因 此 利 用 到 自 旋 的 元 件 將 比 傳 統 只 利 用 到 電 荷 有 更 強 的 功 能 目 前 已 發 展 出 的 元 件 是 利 用 與 自 旋 有 關 的 穿 隧 效 應 以 及 巨 大 磁 阻 (GMR:Giant Magnetoresistance) 效 應 來 作 磁 場 偵 測 器, 以 及 磁 隨 機 存 取 記 憶 體 (MRAM:magnetic random access memory) 另 外 正 在 發 展 的 元 件 有 自 旋 開 關, 調 變 器 電 晶 體 及 一 些 傳 統 無 法 做 到 的 新 型 元 件 自 旋 電 子 學 結 合 了 半 導 體 磁 性 及 光 電 元 件 專 家 一 同 來 研 究 在 金 屬, 半 導 體, 超 導 體 及 異 質 接 面 中 載 體 傳 導 的 自 旋 動 力 學 圖 3 自 旋 電 子 元 件 的 應 用 近 年 來 歐 美 日 韓 積 極 投 入 自 旋 相 關 傳 輸 研 究 美 國 國 防 部 在 1999 年 投 入 了 五 千 萬 美 金 以 上 的 科 研 經 費, 今 年 更 是 美 國 政 府 的 主 要 研 究 投 資 方 向 之 一 目 前 自 旋 電 子 研 究 主 要 的 發 展 以 美 國 較 領 先, 德 國 由 Infineon 領 軍 全 力 追 趕, 韓 國 在 1999 年 初 成 立 一 Spintronics Institute 來 整 合 全 國 磁 性 界 力 量, 日 本 也 於 2000 年 整 合 各 大 公 司 及 12 個 大 學 的 研 究 人 力 成 立 對 策 研 究 小 組, 中 國 大 陸 也 有 兩 個 以 上 的 全 國 性 大 型 計 畫 由 中 科 院 及 南 京 大 學 帶 頭 全 世 界 在 自 旋 電 子 元 件 的 相 關 研 究 是 如 風 起 雲 湧, 這 股 旋 風 與 1987 年 時 的 高 溫 超 導 截 然 不 同 之 處 在 於 自 旋 電 子 元 件 的 實 用 已 是 無 庸 置 疑 的 自 旋 電 子 學 只 花 費 不 到 半 導 體 的 千 分 之 一 的 投 資 就 已 發 展 79

80 出 足 以 對 抗 矽 半 導 體 元 件 的 自 旋 電 子 元 件, 目 前 的 問 題 主 要 在 於 市 場 的 接 受 度 與 經 濟 規 模 的 成 熟 性 自 旋 載 子 在 金 屬 材 料 中 的 數 目 是 半 導 體 中 載 子 數 目 的 10 5 倍, 小 於 0.1µm 以 下 的 自 旋 電 子 元 件 遠 比 半 導 體 元 件 容 易 製 作 磁 性 隨 機 記 憶 體 (MRAM) 是 以 磁 電 阻 特 性 儲 存 記 錄 資 訊 的 非 揮 發 性 隨 機 記 憶 體 其 優 點 為 寫 入 與 讀 取 時 間 的 速 度 上 可 比 美 SRAM, 同 時 在 記 憶 容 量 上 可 與 DRAM 相 抗 衡, 故 其 被 認 為 是 極 具 發 展 潛 力 的 新 穎 磁 性 電 子 元 件 IBM 與 Motorola 均 不 遺 餘 力 投 入 MRAM 研 發 工 作, 聲 明 五 年 內 可 商 品 化, 進 入 後 DRAM 的 競 爭 時 代 臺 灣 現 況 台 灣 在 自 旋 電 子 傳 輸 雖 有 進 步, 但 投 入 規 模 遠 落 後 他 國 尤 其 全 國 的 整 合 性 嫌 不 足, 直 至 目 前 為 止 仍 以 自 發 性 的 零 散 基 礎 研 究 單 位 為 主, 並 未 見 到 產 業 及 官 方 政 策 性 參 與, 特 別 是 電 子 領 域 的 科 研 人 才 目 前 在 自 旋 電 子 傳 輸 領 域 的 研 究 集 中 在 物 理 與 材 料 領 域 除 部 份 高 溫 超 導 人 力 投 入 LaMnO 的 氧 化 物 研 究 外, 目 前 仍 以 金 屬 材 料 為 研 究 大 宗, 但 也 有 半 導 體 專 才 開 始 針 對 磁 性 半 導 體 做 分 析 展 望 隨 著 數 位 資 訊 時 代 的 來 臨, 追 求 及 開 發 更 高 密 度 效 能 及 低 耗 電 功 率 的 記 錄 媒 體 成 了 必 然 目 標, 像 DVD Zip HD-DVD 等, 而 容 量 密 度 更 希 望 從 10Gbit/in 2 提 高 到 100Gbit/in 2 或 甚 至 1000 Gbit/in 2 因 密 度 越 大 位 元 體 積 也 就 越 小, 那 麼 讀 取 與 寫 入 訊 號 就 變 得 非 常 困 難, 更 有 甚 者 整 個 物 理 讀 寫 機 制 不 復 存 在 了 縱 觀 目 前 記 錄 媒 體 較 簡 單 的 物 理 讀 寫 機 制 不 難 發 現 當 記 錄 密 度 達 1000 Gbit/in 2 時 只 有 磁 的 讀 寫 機 制 還 存 在, 在 這 個 記 錄 密 度 下 的 位 元 只 有 數 個 奈 米 大 小, 而 簡 單 的 光 學 機 構 也 無 能 為 力 了 反 觀,MRAM 是 因 為 採 用 磁 性 材 料 為 記 錄 媒 體, 在 物 理 機 制 範 圍 下 可 達 1000 Gbit/in 2, 又 讀 與 寫 是 用 與 DRAM 相 類 似 的 機 構, 因 此 不 像 需 要 讀 寫 頭 的 硬 碟 機 來 得 複 雜 與 精 密, 也 因 為 " 無 頭 " 的 原 因 MRAM 的 工 作 環 境 不 像 硬 碟 那 麼 脆 弱, 這 也 是 大 家 看 好 MRAM 的 原 因 之 一 還 有 當 奈 米 或 次 奈 米 製 程 技 術 成 熟 時, 積 體 自 旋 電 子 技 術 也 隨 之 成 熟 磁 性 穿 隧 接 面 (Magnetic Tunnel Junction:MTJ) MTJ 與 spin valve 不 同 的 是 自 由 層 與 釘 住 層 磁 性 金 屬 中 間 用 的 是 氧 化 層 (Al2O3), 而 非 非 磁 性 金 屬 因 此 電 流 大 幅 減 少, 為 高 電 阻, 電 流 只 能 走 垂 直 接 面 的 方 向, 目 前 用 做 MRAM 之 元 件 是 以 MTJ 為 主,Motorola 於 2001 年 完 成 256 kbmram,4 MB MRAM 也 預 計 很 快 就 會 生 產 其 主 要 元 件 結 構 像 DRAM cell, 一 個 電 晶 體 上 做 一 個 MTJ(1T1MTJ) 0 與 1 的 信 息 儲 存 在 自 由 層 之 磁 化 方 向, 由 它 與 釘 住 層 磁 方 向 相 同 或 相 反, 就 可 以 從 電 阻 中 讀 出 其 內 容 目 前 在 尋 找 更 大 磁 阻 效 應 的 材 料 及 結 構 日 新 月 異, 如 奈 米 結 構 之 MnSb 量 子 點 等, 電 導 之 改 變 更 可 上 千, 應 有 機 會 在 記 憶 體 市 場 佔 有 地 位 到 1999 年 後, 也 有 一 些 研 究 用 全 半 導 體 來 做 MTJ, 例 如 GaMnAs/AlAs/GaMnAs, 最 大 的 穿 隧 磁 阻 (TMR) 在 8 K 可 以 到 達 70% 其 缺 點 是 Curie 溫 度 Tc<110 K, 不 能 在 室 溫 操 作 優 點 是 可 以 與 其 他 半 導 體 元 件 集 成 在 一 個 晶 片 上, 它 們 的 帶 結 構 很 容 易 控 制 調 整, 而 做 成 各 種 異 質 結 構 (heterostructure) 來 達 成 不 同 的 目 的 但 是 如 果 Tc 不 能 提 高 到 350 K 以 上, 未 來 之 應 用 有 限 GMR 自 旋 閥 可 以 與 平 面 線 圈 用 在 收 機 的 RF IC 中 作 為 電 路 間 的 isolator 因 此 量 電 路 是 絕 緣 的, 可 以 消 除 接 地 雜 訊 速 度 是 目 前 opto-isolator 10 倍, 將 來 可 以 到 100 倍 在 短 短 十 幾 年 間 GMR 已 成 功 的 用 在 微 磁 感 測 磁 記 80

81 錄 讀 取 頭,MRAM 等 自 旋 電 子 能 否 成 為 下 世 紀 的 新 科 技, 要 看 自 旋 電 子 元 件 什 麼 時 候 可 取 代 微 電 子, 半 導 體 在 下 市 世 紀 碰 到 最 大 的 問 題 除 了 熱 以 外, 就 是 /c 的 載 子 數 目 將 使 得 摩 耳 定 律 在 未 來 五 年 內 碰 到 瓶 頸, 而 磁 電 阻 材 料 的 金 屬 內 載 子 數 目 則 可 使 元 件 依 循 摩 耳 定 律 繼 續 縮 小 在 追 求 高 密 度 科 技 的 推 動 下, 奈 米 結 構 成 為 國 際 間 研 究 的 中 心 課 題 除 非 人 類 可 以 直 接 使 用 到 原 子, 否 則 最 小 的 元 件 結 構 大 約 以 10 奈 米 為 極 限 當 物 質 結 後 的 尺 度 接 近 10~100 奈 米 時, 物 理 性 質 將 產 生 劇 烈 的 變 化, 有 兩 個 主 要 效 應 扮 演 關 鍵 角 色 ; 量 子 效 應 及 表 面 效 應 量 子 效 應 的 產 生 起 緣 於 粒 子 波 動 本 質 受 侷 限 環 境 的 影 響, 而 表 面 效 應 則 因 為 表 面 所 佔 的 比 率 增 大 的 自 然 結 果 自 旋 與 自 旋 的 作 用 距 離 大 約 為 10 到 100 奈 米, 因 此 成 為 奈 米 結 構 中 最 重 要 的 作 用 自 旋 電 子 學 (Spintronics) 固 體 磁 的 性 質 自 旋 電 子 是 利 用 同 步 參 入 或 doping 等 技 術, 將 磁 性 物 質 參 入 半 導 體 材 料, 賦 予 材 料 電 荷 載 子 特 定 自 旋 方 向 的 特 性. 材 料 磁 性 最 基 本 源 自 單 獨 原 子 最 外 圈 未 配 對 電 子 在 繞 原 子 核 旋 轉 時, 如 同 環 狀 電 流 所 產 生 的 磁 場. 但 多 數 材 料 內 會 因 相 臨 磁 場 零 亂 分 布, 相 互 抵 消, 使 宏 觀 淨 磁 矩 為 零. 但 當 磁 性 離 子 位 於 晶 格 點, 形 成 週 期 性 結 構, 當 離 子 間 沒 有 交 互 作 用, 單 獨 的 磁 性 離 子 在 沒 有 外 加 磁 場 之 情 況 下, 會 在 任 何 溫 度 均 呈 現 不 規 則 的 指 向, 其 磁 矩 之 向 量 平 均 為 零 但 若 在 某 一 臨 界 溫 度 之 下, 有 序 的 磁 性 固 體 中 各 單 位 局 部 的 磁 矩, 在 交 換 (exchange) 作 用 下 排 序 起 來, 加 成 的 結 果 產 生 一 宏 觀 的 磁 化 密 度, 這 種 有 序 的 狀 態 叫 鐵 磁 性 (ferromagnetic) 更 常 見 的 是 局 部 之 磁 矩 加 起 來 形 成 零 磁 矩, 沒 有 瞬 間 磁 化 現 象 產 生, 這 種 有 序 的 磁 態 叫 做 反 鐵 磁 性 (antiferromagnetic) 這 可 以 看 成 兩 個 完 全 一 樣 的 次 晶 格 相 疊 而 成, 每 個 次 晶 格 上 之 磁 矩 大 小 一 樣, 平 均 方 向 一 樣 但 兩 個 次 晶 格 之 磁 矩 係 相 反 指 向, 合 起 來 是 零 磁 矩 當 合 起 來 淨 磁 矩 不 是 零, 表 示 一 個 次 晶 格 之 磁 矩 大 於 另 一 個 次 晶 格, 則 此 種 狀 態 叫 做 亞 鐵 磁 性 (ferromagnetic) 一 般 過 渡 金 屬 如 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CrBr3, EuO 等 為 鐵 磁, 而 過 渡 金 屬 氧 化 物 如 MnO, FeO, CoO, NiO 等 為 反 鐵 磁 性 而 如 Fe3O4, CoFe2O4, NiFe2O4, CuFe2O4 等 材 料 為 亞 鐵 磁 ferrimagnetic 鐵 磁 性 之 臨 界 溫 度 叫 Curie temperature, 而 反 鐵 磁 性 之 臨 界 溫 度 叫 Neel temperature 鐵 磁 性 (ferromagnetic) 材 料 在 臨 界 溫 度 Tc(Curie temp) 以 上 時, 熱 擾 動 把 有 序 的 磁 矩 打 亂, 鐵 磁 性 消 失 而 反 鐵 磁 性 (antiferromagnetic) 也 在 臨 界 溫 度 TN (Neel temp) 以 半 導 體 為 主 的 自 旋 電 子 元 件 所 有 重 要 的 電 子 及 光 電 元 件 如 CMOS, HBT, HEMT, LED, Laser, RTD, FET 均 是 由 半 導 體 做 成 如 在 半 導 體 中 除 了 利 用 電 子 電 洞 的 電 荷 外, 也 能 用 它 們 的 自 旋 來 代 表 信 息, 則 元 件 之 功 能 可 增 加 第 一 個 提 出 利 用 載 體 自 旋 來 做 調 變 器 ( modulator) 是 1990 年 普 渡 大 學 電 機 工 程 學 院 的 Datta 及 Das, 他 們 提 出 用 FET 結 構, 汲 極 及 源 極 都 用 鐵 磁 FM 材 料 之 電 極 (NiFe) 因 此 可 以 用 在 半 導 體 InGaAs 中 注 入 大 部 分 為 spin-up 之 電 洞, 利 用 InGaAs 價 電 帶 強 大 的 spin-orbit 交 互 作 用, 可 以 用 閘 極 電 壓 控 制 交 互 作 用 之 大 小, 而 決 定 自 旋 由 up 旋 轉 到 down 之 角 度 這 裡 最 重 要 的 傳 導 機 制, 就 是 如 何 把 大 量 具 有 單 一 自 旋 的 電 荷 注 入 半 導 體, 注 入 效 率 要 高 ; 而 電 荷 在 半 導 體 內 傳 導 時, 自 旋 的 方 向 不 能 改 變 太 多 ; 最 後 還 要 能 量 出 自 旋 的 數 目 提 81

82 供 單 一 電 子 自 旋 的 來 源, 一 是 由 鐵 磁 金 屬 FM 提 供, 將 FM 鍍 在 半 導 體 上 形 成 蕭 基 或 歐 姆 接 面, 將 多 數 spin-up 的 電 子 注 入 半 導 體 另 一 是 成 長 稀 少 磁 性 半 導 體 (DMS) Ga1-xMnxAs(x <0.07), 或 Zn1-xMnxSe 在 GaAs 或 AlGaAs 晶 格 常 數 匹 配 之 半 導 體 元 件 上 當 元 件 溫 度 降 到 Curie 溫 度 (Tc<110 K) 下, 則 GaMnAs 或 ZnMnSe 變 成 磁 性 半 導 體, 價 電 帶 最 高 點 或 導 電 帶 最 低 點 之 電 洞 或 電 子 能 量 分 裂, 不 同 自 旋 有 不 同 能 量 因 此 最 低 能 量 的 帶 被 同 一 自 旋 之 電 子 佔 滿 而 可 以 做 為 電 荷 源, 注 入 元 件 內 部 現 介 紹 各 種 自 旋 電 子 注 入 源 由 鐵 磁 (FM) 金 屬 或 加 一 薄 氧 化 層 穿 隧 接 面 之 注 入 鐵 磁 金 屬 之 Curie 溫 度 很 高, 因 此 在 室 溫 時 仍 具 鐵 磁 性, 可 以 注 入 較 多 的 spin-up 電 子 這 點 非 常 重 要, 因 為 一 般 電 子 元 件 均 操 作 在 室 溫, 不 能 在 室 溫 運 作 之 電 子 元 件, 實 用 價 值 有 限 但 是 由 於 鐵 磁 金 屬 spin-up 與 spin-down 帶 能 量 相 差 不 大 (~ 5 mev), 因 此 在 室 溫 時 spin-up 與 spin-down 電 子 相 差 不 多 鐵 磁 金 屬 注 入 效 率 η =(n - n )/(n + n ), 即 使 降 到 10 K 以 下 也 只 有 4.5%, 效 率 不 高 只 有 當 鐵 磁 金 屬 內 全 部 都 是 spin-up(100 %) 的 電 子, 則 注 入 效 率 才 會 提 高 現 有 的 一 種 說 法 是 鐵 磁 金 屬 之 導 電 度 σf 與 半 導 體 之 導 電 度 σs 不 匹 配 (σf> >σs) 所 造 成 的, 因 此 半 導 體 表 面 與 FM 金 屬 間 加 一 層 穿 隧 氧 化 層 則 可 以 大 幅 改 善 注 入 效 率 2001 年 有 實 驗 證 據 從 FM- 絕 緣 層 -2DEG 可 以 到 達 40 % 之 效 率, 溫 度 從 4 到 295 K 均 沒 有 太 大 變 化 而 利 用 FM/ 半 導 體 蕭 基 二 極 體 逆 向 偏 壓, 在 T = 4.5 K 可 以 到 達 30% 之 效 率, 到 240 K 時 能 有 4 % 另 外 一 種 方 法 是 穿 隧 注 入 熱 電 子 (hot electron) 到 FM 內, 再 注 入 半 導 體 由 於 FM 對 spin-up 與 spin-down 電 子 之 非 彈 性 碰 撞 平 均 自 由 路 徑 相 差 極 大, 只 要 經 過 3 nm 之 Co, 就 會 濾 掉 某 一 spin 之 電 子 而 達 到 90 % 之 電 子 極 化 電 流 其 缺 點 是 全 部 過 程 之 總 效 率 仍 很 低 稀 少 磁 性 半 導 體 Dilute Magnetic Semiconductor(DMS) 由 於 鐵 磁 金 屬 注 入 效 率 較 低, 近 年 材 料 學 界 將 新 材 料 開 發 的 目 光 投 至 稀 少 磁 性 半 導 體 (DMS). 稀 少 磁 性 半 導 體 是 以 Ⅱ Ⅵ 族 及 Ⅲ Ⅴ 族 化 合 物 半 導 體 為 主 體, 加 入 少 量 之 磁 性 元 素 如 Co, Ni, Fe, Mn 其 中 以 Mn 效 果 最 好 (<7%), 如 CdMnTe,ZnMnSe,GaMnAs,InMnAs, 則 在 Curie 溫 度 Tc 之 下, 這 些 半 導 體 會 形 成 鐵 磁 半 導 體 稀 少 磁 性 半 導 體 成 功 的 關 鍵 是 參 入 的 磁 性 元 素 必 須 以 獨 立 原 子 形 式, 填 入 化 合 物 半 導 體 HCP 晶 胞 的 晶 格 位 置 或 格 隙, 則 其 所 攜 未 配 對 d 價 電 子 可 為 電 子 自 旋 機 制 所 用. 若 參 入 的 磁 性 元 素 與 化 合 物 半 導 體 基 質 (matrix) 發 生 反 應, 或 自 身 聚 結 (clustering), 則 所 攜 未 配 對 d 價 電 子 將 被 鍵 結 定 域 化 (localized), 失 去 電 子 自 旋 效 用. 在 Ⅱ Ⅵ 族 化 合 物 半 導 體 中,Mn 亦 為 二 價, 因 此 摻 Mn 以 後, 仍 屬 Ⅱ Ⅵ 族 化 合 物 中 之 Ⅱ 族 元 素, 故 Mn 不 為 雜 質, 而 可 藉 由 摻 雜 成 n 型 或 p 型 半 導 體 可 充 分 利 用 電 子 或 電 洞 自 旋 之 特 性 而 分 別 予 以 掌 控 但 是 Ⅲ Ⅴ 族 化 合 物 GaAs 中 加 幾 % 的 Ⅱ 價 Mn 卻 是 把 GaAs 摻 雜 p 型 雜 質, 且 Mn 之 量 可 多 到 6 %, 形 成 簡 併 (degenerate) 的 半 導 體, 因 此 只 能 做 為 電 洞 源, 而 無 法 注 入 電 子 當 Mn 佔 據 閃 鋅 (Zinc-blende) 結 構 陰 離 子 (Ⅱ 或 Ⅲ 價 ) 之 位 置 時,Mn 之 間 磁 交 互 作 用 是 要 形 成 反 鐵 磁 性 (AFM) 而 實 驗 觀 察 到 的 鐵 磁 性 (FM) 主 要 是 經 由 載 體 所 誘 發 的, 也 就 是 電 洞 之 p 軌 域 與 Mn 的 3d 自 旋 所 產 生 的 p-d exchange 所 造 成 用 稀 少 磁 性 半 導 體 (DMS) 做 為 自 旋 電 子 的 注 入 源, 均 碰 到 Curie 溫 度 Tc 遠 低 於 室 溫 的 問 題, Dietl et.al. 於 2000 年 在 Science 發 表 一 篇 論 文, 用 Zener 模 型 來 計 算 含 有 5 %Mn, 以 及 電 洞 量 在 /cm3 之 閃 鋅 結 構 的 82

83 Curie 溫 度 Tc, 結 果 發 現 只 有 GaN 及 ZnO 兩 種 半 導 體,Tc 可 能 會 超 過 室 溫, 因 此 GaMnN 之 研 究 大 幅 增 加, 目 前 已 證 實 在 300K,GaMnN 具 有 鐵 電 性 質, 並 估 計 Tc 可 高 達 940 K DMS 做 為 注 入 源 之 可 能 性 大 為 增 加 由 文 獻 發 表 之 稀 少 磁 性 半 導 體 的 成 長, 與 測 得 的 居 禮 溫 度 如 下 表 : 表 1 稀 少 磁 性 半 導 體 的 成 長 方 式, 與 測 得 的 居 禮 溫 度 由 上 表 可 知 : 目 前 稀 少 磁 性 半 導 體 的 成 長 主 要 以 分 子 束 磊 晶 為 主. 因 傳 統 磊 晶 的 化 學 氣 相 沉 積 宥 於 高 溫, 易 致 參 入 磁 性 元 素 偏 析 (segregation) 聚 結, 使 自 旋 效 能 減 低. 物 理 氣 相 沉 積 如 脈 衝 雷 射 蒸 鍍 (pulse laser ablation, PLD) 等, 是 早 期 用 於 產 生 稀 少 磁 性 半 導 體 的 方 法 ( 表 2). 表 2 氧 化 物 型 稀 少 磁 性 半 導 體 製 程 回 顧 83

84 雖 然 分 子 束 磊 晶 與 脈 衝 雷 射 蒸 鍍 可 以 低 溫 同 步 參 入 的 磊 晶 成 長, 但 沉 積 速 率 太 慢. GaMnAs 可 以 用 MBE 在 低 溫 ( ) 成 長, 以 壓 制 Mn 與 As 形 成 MnAs 目 前 Mn 是 唯 一 成 功 可 以 用 DMS 中, 也 有 人 開 始 用 Cr 做 GaCrAs. 相 較 於 Mn:GaN 的 研 究 成 果 可 觀, Mn:ZnO 稀 少 磁 性 半 導 體 研 究 成 果 仍 較 少 但 ZnO 有 成 本 有 競 爭 力, 毒 性 低 等 優 勢, 本 計 畫 即 在 研 究 開 發 以 MOCVD 成 長 Mn:ZnO 稀 少 磁 性 半 導 體 製 程. 84

85 表 3. ZnO 參 入 其 他 元 素 後 位 能 變 化 且 由 表 3 知, ZnO 參 入 其 他 元 素 如 Al,In, Ga, N, 亦 可 形 成 ptype ZnO, 則 有 助 實 現 自 旋 電 子 電 晶 體 元 件. 稀 少 磁 性 半 導 體 是 以 Ⅱ Ⅵ 族 及 Ⅲ Ⅴ 族 化 合 物 半 導 體 為 主 體, 加 入 少 量 之 磁 性 元 素, 加 入 磁 性 元 素 種 類 與 濃 度 影 響 其 自 旋 電 子 效 率. 由 下 圖 知, 以 參 入 Mn(10%) 入 ZnO, 可 得 最 佳 自 旋 電 子 效 率. 圖 4 化 合 物 半 導 體 磁 性 元 素 種 類, 濃 度 對 自 旋 電 子 效 率 關 係 若 要 加 速 ZnO 基 自 旋 電 子 電 晶 體 元 件 量 產 的 進 程, 則 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沉 積 (MOCVD) 製 程 開 發 需 先 考 量. MOCVD 亦 是 磊 晶, 稱 有 機 金 屬 氣 相 磊 晶 (MOVPE). 欲 達 磊 晶,MOVPE 必 須 在 極 穩 定 的 條 件 進 行. 由 於 MOVPE 多 在 質 傳 區 操 作, 故 對 反 應 物 流 量 需 以 封 閉 迴 路 的 質 量 流 量 計 精 密 控 制, 且 蒸 發 器 溫 度 精 確 度 需 在 0.1 o C. 基 座 前 緣 應 磨 圓 光 滑, 以 避 免 擾 流. 而 氣 體 管 線 應 有 通 過 反 應 室 (A) 與 by pass(b) 兩 線, 以 做 啟 動 沉 積 (A) 與 切 斷 (B) 使 用. 為 避 免 切 換 時 的 壓 力 擾 動, 需 配 制 壓 差 控 制 器 (differential pressure transducer). 又 因 在 質 傳 區 操 作, 沉 積 基 座 溫 控 精 確 度 在 2 o C 即 可. GaAs MOVPE 多 在 o C 操 作, 且 也 砷 分 壓 要 高 才 能 避 免 鎵 單 獨 凝 85

86 結. 其 廢 氣 處 理 因 此 較 複 雜. 由 於 MOCVD 技 術 日 漸 成 熟, 台 灣 近 年 MOCVD 被 廣 範 用 在 兩 吋 圓 GaN 成 長, 製 造 稀 少 磁 性 半 導 體 如 Mn:ZnO 所 遭 遇 的 主 要 問 題 是 : 在 傳 統 鍍 膜 製 程 需 以 高 沉 積 溫 度, 促 進 表 面 原 子 的 表 面 移 動 加 速, 以 形 成 單 結 晶. 但 高 溫 亦 會 導 致 參 入 元 素 如 Mn 與 氧 反 應. 在 有 名 的 日 亞 化 學 (Nichia) 中 村 修 二 (Nakamura) 開 發 p type GaN, 亦 有 面 臨 參 入 的 氮 不 能 活 化 的 問 題, 當 時 是 以 先 於 沉 積 時 同 步 參 入, 或 於 沉 積 後 以 離 子 植 布, 再 用 電 子 束 加 熱 或 回 火 (Annneal) 使 氮 活 化. 另 一 方 式 則 如 前 段 所 敘, 以 物 理 氣 相 沉 積 如 分 子 束 磊 晶 (molecular bean epitaxy, MBE) 於 高 真 空, 強 制 使 鍍 成 高 品 質 結 晶 膜 與 參 入, 同 步 達 成. 但 在 本 校 近 年 堅 實 的 電 漿 研 究 基 礎 上, 本 計 畫 擬 用 電 漿 為 活 化 反 應 物, 激 發 氣 體 的 手 段, 先 試 以 低 溫 電 漿 濺 鍍 Mn:ZnO, 再 以 濺 鍍 緩 衝 層 /MOCVD 二 段 法 成 長 高 品 質 Mn:ZnO. 除 ZnO, GaN 之 外, 尚 有 其 他 稀 少 磁 性 半 導 體, 但 由 於 各 種 限 制, 發 展 機 會 不 大. 如 四 價 元 素 半 導 體 如 Ge 也 可 以 添 加 Mn 形 成 Ge1- x Mnx 的 稀 少 磁 性 半 導 體 若 中 間 再 加 上 奈 米 尺 寸 的 Mn11Ge8 鐵 磁 性 顆 粒 (~100 nm), 距 離 約 150 nm 則 薄 膜 之 磁 性 由 奈 米 顆 粒 決 定, 但 是 電 子 傳 導 特 性 卻 是 受 到 原 晶 格 之 影 響, 而 在 T=100 K 附 近 出 現 很 大 的 磁 阻 現 象 其 他 材 料 做 為 自 旋 電 子 注 入 源 研 究 不 同 材 料 做 為 自 旋 電 子 注 入 源 的 有 A1- x BxMnO3(A=La,Nd 或 Pr;B= Ca,Ba 或 Sr) 這 種 材 料 屬 於 mixed-valence manganese perovskite 結 構, spin 之 極 化 可 達 83 % 半 金 屬 的 鐵 磁 (Half metalic ferromagnets) 同 時 具 有 金 屬 及 半 導 體 特 性, 費 米 能 階 與 主 要 自 旋 帶 交 會, 但 少 數 自 旋 帶 與 EF 間 有 一 能 隙 因 此 導 電 電 子 可 以 是 100 % 自 旋 極 化 半 金 屬 氧 化 物 (Half metalic oxide) 如 CrO2,Fe3O4 也 具 有 潛 力 提 供 100 % 自 旋 極 化 之 電 子 源 Heusler Alloys 如 NiMnSb, NiMnGa, NiMnGe 合 金, 也 可 以 提 供 超 過 50 % 自 旋 極 化 的 電 子 源 過 渡 金 屬 pnictides(5 種 元 素 ) 如 MnAs, MnSb, CrAs, CrSb, 可 以 用 MBE 成 長, 很 容 易 可 以 與 半 導 體 異 質 接 面 整 合,Tc>400 K 計 算 顯 示 可 以 提 供 很 高 比 例 的 自 旋 極 化 電 子 自 旋 電 子 電 晶 體 早 期 的 自 旋 閘 (spin valve) 電 晶 體 製 做 的 目 的 是 要 研 究 自 旋 電 子 在 多 層 FM/I/FM 結 構 之 傳 導 現 象 一 般 用 4 點 電 阻 測 量 方 式, 電 流 是 在 薄 膜 平 面 流 動 (Current in plane:cip), 電 子 傳 導 現 象 包 括 介 面 散 射, 散 流, 漏 到 不 同 層 等 非 常 複 雜 的 行 為 因 此 若 研 究 自 旋 電 子 垂 直 平 面 之 電 流 (current perpendicular to the planes:cpp), 可 以 量 測 到 比 較 基 本 的 傳 導 現 象 來 研 究 CPP 自 旋 閘 效 應 的 一 個 基 本 自 旋 閥 電 晶 體 (SVT), 是 由 兩 片 (n)si 基 板 面 對 面 真 空 黏 著, 中 間 夾 一 個 金 屬 自 旋 閥 做 為 基 極 (base), 自 旋 閥 的 結 構 為 Pt/Co/Cu/Co 電 晶 體 之 射 基 極 及 基 集 極 均 為 蕭 基 位 障 (Schottky barrier) 二 極 體 結 構 射 基 極 加 順 向 偏 壓 ( 射 極 為, 基 極 為 + ), 故 電 子 從 Si 中 跨 過 位 障 注 入 基 極 成 為 熱 電 子 這 些 熱 電 子 之 傳 導 受 到 Co/Cu/Co spin valve 中 兩 Co 層 磁 化 方 向 是 否 相 同 之 影 響 當 外 加 磁 場 很 小 時, 兩 Co 層 磁 化 方 向 相 反, 不 論 是 spin up 或 spin down 的 電 子 均 受 到 阻 礙, 電 流 較 小 當 外 加 磁 場 大 到 把 兩 層 Co 層 之 磁 化 方 向 拉 成 平 行, 此 時 spin up 的 電 流 大 增 可 以 多 到 15 % 比 起 電 流 是 水 平 流 動 時 (CIP),SVT 只 顯 示 0.1 % 之 改 變, 要 大 了 150 倍 基 集 極 為 逆 向 偏 壓 ( 基 極 為 - 集 極 為 + ), 故 基 集 極 位 障 可 以 調 整 高 低 而 做 基 極 熱 電 子 之 能 譜 分 析 86

87 這 種 元 件 可 以 用 做 自 旋 發 光 二 極 體 (spin Light Emitting Diode:spin LED), 發 出 左 旋 或 右 旋 的 光, 與 一 般 二 極 體 發 出 線 性 極 化 之 光 且 隨 機 指 向 有 所 不 同 有 時 也 可 以 由 金 屬 注 入 大 量 非 自 旋 極 化 的 電 子 到 上 述 之 InMnSe DMS 中, 加 一 小 磁 場 產 生 Zeeman 效 應 分 裂 導 電 帶 底 端, 則 注 入 電 子 與 Mn 原 子 產 生 sp d 交 換 作 用 由 於 spin up 及 spin down 電 子 之 作 用 強 度 不 一 樣, 因 此 電 子 走 一 段 距 離 後, 大 部 分 只 剩 某 一 種 自 旋 極 化 的 電 子 存 在, 而 可 以 再 注 入 非 磁 性 半 導 體 5. 氧 化 鋅 系 自 旋 發 光 二 極 體 圖 氧 化 鋅 在 做 為 稀 少 磁 性 半 導 體 材 料, 自 旋 電 子 元 件 的 應 用, 本 計 畫 擬 使 用 電 漿 激 化 氣 體 分 子, 達 成 於 鍍 膜 時 同 步 參 雜, 形 成 自 旋 半 導 體 ZnO 的 目 的. 於 鑑 光 電 材 料 氧 化 鋅 (ZnO) 特 性 與 結 構 ZnO 晶 胞 為 六 方 最 密 堆 積 (hexagonal close packed, hcp) 之 纖 鋅 礦 結 構,(002) 晶 胞 指 向 原 子 堆 積 最 密, 是 最 有 光 電 價 值 的 面 存 在 於 ZnO 之 多 餘 鋅 原 子 易 解 離 成 鋅 離 子 (Zn Zn 2+ +2e - ), 釋 出 電 子 進 入 導 帶 (conduction band), 故 氧 化 鋅 為 n 型 半 導 體, 其 電 子 移 動 率 為 180 厘 米 2 / 伏 - 秒 ZnO 導 電 係 數 (σ) 與 氧 離 子 濃 度, 氧 氣 濃 度 有 關, 可 做 氣 體 感 測 器 ZnO 若 參 入 III 族 元 素, 其 電 阻 係 數 可 降 至 10-3 Ω cm, 取 代 ITO( 銦 錫 氧 化 物 ), 做 液 晶 顯 示 器 之 透 明 導 電 玻 璃 ZnO 能 隙 為 3.2ev, 單 晶 ZnO 內 電 子 / 電 洞 再 結 合 放 出 光 子 波 長 4000Å, 是 取 代 氮 化 鎵 的 紫 外 線 / 藍 光 LED 材 料 ZnO 與 GaN 同 為 六 方 最 密 HCP 晶 系,ZnO (002) 面 可 作 GaN 磊 晶 基 材 氧 化 鋅 變 阻 器 具 有 良 好 的 電 阻 係 數 非 線 性 特 性, 瞬 間 突 波 所 產 生 的 電 流 會 被 並 聯 的 變 阻 器 所 吸 收 而 達 到 保 護 設 備 的 目 的 考 慮 商 業 化 的 量 產 特 性,CVD 法 無 疑 地 是 較 佔 優 勢 的 特 別 是 以 有 機 金 屬 化 合 物 為 原 料 先 驅 物 的 化 學 氣 相 成 長 法 以 蔚 然 成 為 商 業 化 的 正 式 生 產 程 序 欲 獲 得 高 品 質 薄 膜, 需 要 有 一 道 87

88 基 材 表 面 處 理 的 步 驟 以 氣 相 磊 晶 成 長 化 合 物 半 導 體 材 料 時, 因 電 子 / 電 洞 再 結 合 率 與 材 料 的 缺 陷 密 度 有 關, 各 種 由 於 膜 / 基 材 lattice mismatch 造 成 的 dislocations 及 其 他 二 維 缺 陷, 往 往 是 影 響 能 帶 結 構, 降 低 光 電 亮 度 的 主 因 以 氣 相 沉 積 成 長 化 合 物 半 導 體 材 料 時, 膜 結 構 (film structure) 是 最 受 重 視 的. 成 長 ZnO 膜, 亦 需 仰 賴 膜 結 構 之 完 美. 因 電 子 / 電 洞 再 結 合 率 與 材 料 的 缺 陷 密 度 有 關, 各 種 由 膜 / 基 材 晶 格 差 異 (lattice mismatch) 造 成 差 排 (dislocations) 及 其 他 二 維 缺 陷, 往 往 是 影 響 能 帶 結 構, 降 低 光 電 亮 度 的 主 因 在 氣 相 沉 積 各 參 數 條 件 中, 影 響 膜 結 構 最 鉅 的 即 是 基 材 (substrate) 表 面 結 構. 基 材 表 面 透 過 催 化 反 應, 引 導 特 殊 指 向 的 成 核, 乃 至 對 鍍 成 膜 施 以 晶 格 上 原 子 的 拘 束 力, 均 再 再 主 導 膜 結 構 的 發 展. 基 材 的 選 擇 與 處 理, 因 此 成 為 光 電 材 料 薄 膜 製 程 開 發 極 重 要 的 一 環 以 成 長 光 電 半 導 體 材 料 膜 為 例, 可 促 成 直 接 磊 晶 之 單 晶 基 材 雖 是 最 佳 選 擇, 確 有 成 本 高 與 強 度 不 足 之 缺 點. MOVPE 製 程 研 發 群 由 是 提 出 緩 衝 層 (buffer layer) 技 術 : 在 單 晶 基 材 表 面, 先 以 磊 晶 長 一 層 成 份, 晶 格 常 數 徐 變 的 過 渡 層 使 成 長 膜 和 基 材 間 的 晶 格 差 異 藉 晶 格 緩 解 (lattice relaxation) 解 決 此 方 法 在 III-V 化 合 物 半 導 體 磊 晶 廣 為 使 用, 三 元 或 四 元 的 化 合 物 半 導 體 晶 格 常 數 可 由 操 縱 成 份 來 調 整 Ulm 大 學 的 Gruber 及 Waag 即 對 ZnO MOCVD, 使 用 不 同 基 材 如 單 晶 GaN, ZnO, c-plane 藍 寶 石, 以 XRD peak broadening 及 photoluminescence 衡 量 膜 品 質, 發 現 ZnO 膜 near band edge emission 性 質 與 基 材 種 類 有 關 Rutgers 的 Lu 則 在 saphire 基 材 的 ZnO MOCVD, 以 HRTEM 發 現 磊 晶 關 係 : (1120)ZnO// (0112)Al 2 O 3, [0001]ZnO// [0111] Al 2 O 3 Tohoku 的 Lim 則 在 ZnO MOCVD, 發 現 磊 晶 關 係 為 (0001)ZnO//(0001) Al 2 O 3, [2110]ZnO//[1100] Al 2 O 3 [1-6] 近 來 研 究 發 現, 此 緩 衝 層 不 必 為 單 晶, 甚 至 非 晶 亦 能 達 到 增 進 成 長 膜 結 晶 度 效 果 不 過, 文 獻 所 載 緩 衝 層 厚 度 多 在 100 nm 以 上. 直 至 近 年 亦 有 緩 衝 層 厚 度 在 5-55 nm 之 報 導. 電 漿 技 術 在 鍍 製 稀 少 磁 性 半 導 體 膜 的 應 用 在 過 去 數 年, 本 實 驗 室 曾 以 電 漿 濺 鍍 緩 衝 層 結 合 CVD 技 術, 利 用 表 面 原 子 之 離 子 鍵 及 自 身 組 裝 能 力, 製 成 二 維 平 面 六 角 板 狀 / 角 錐 狀 氧 化 鋅 等 奈 米 結 構 成 功 於 常 壓 320 o C 鍍 得 (002) ZnO 膜 經 實 驗 發 現,ZnO CVD 有 明 顯 基 材 選 擇 效 應 : 若 對 矽 晶 片 基 材 表 面 預 先 濺 鍍 100Å 氧 化 鋅 層, 將 明 顯 有 助 CVD 先 驅 物 乙 醯 丙 酮 化 鋅 分 子 附 著, 沉 積 速 率 大 增, 且 可 在 較 低 溫 320 o C 鍍 成 ZnO 膜 但 於 表 面 已 鍍 CuO 層 的 矽 晶 片 基 材, 後 續 CVD 氧 化 鋅 膜 成 長 緩 慢, 且 膜 為 非 晶 態 雖 由 實 驗 證 明, 濺 鍍 氧 化 鋅 緩 衝 層 有 助 CVD ZnO 沉 積 速 率 加 速, 然 因 緩 衝 層 厚 度 過 過 薄, 對 其 成 份 結 構 欠 了 解. 由 於 在 過 去 兩 年, 使 用 直 流 反 應 濺 鍍 緩 衝 層 時, 發 現 因 同 時 通 入 Ar/O2 兩 種 氣 體, 在 濺 鍍 時, 氧 電 漿 中 的 氧 離 子 (O + ) 亦 持 續 轟 擊 陰 極 上 的 鋅 靶, 且 造 成 其 表 面 氧 化 與 導 電 度 降 低. 卒 導 致 電 弧 之 產 生, 電 漿 不 穩 定, 濺 鍍 速 率 下 降. 即 嘗 試 改 變 直 流 濺 鍍 緩 衝 層 時 電 漿 組 成, 只 通 入 Ar, 降 低 腔 體 內 氧 濃 度, 以 此 高 純 度 氬 電 漿 續 轟 擊 陰 極 上 的 鋅 靶, 形 成 鋅 蒸 發, 於 陽 極 之 矽 晶 片 形 成 緩 衝 層. 直 流 濺 鍍 轟 擊 陰 極 上 的 鋅 靶, 造 成 靶 表 面 氧 化 與 導 電 度 降 低. 卒 導 致 電 弧 之 產 生, 電 漿 不 穩 定, 濺 鍍 速 率 下 降. 本 研 究 即 嘗 試 直 流 濺 鍍 緩 衝 層 時, 只 通 入 Ar, 降 低 腔 體 內 氧 濃 度, 以 此 高 純 度 氬 電 漿 續 轟 擊 陰 極 上 的 鋅 靶, 形 成 鋅 蒸 發, 於 陽 極 之 矽 晶 片 形 成 緩 衝 層, 以 表 面 分 析 技 術 探 討 緩 衝 層 膜 結 構. 復 以 氧 電 漿 後 續 處 理 此 緩 衝 層, 嘗 試 改 變 期 成 份, 並 比 較 電 漿 處 理 效 果 此 緩 衝 層 經 薄 膜 XRD 鑑 定 為 非 晶 質, 成 份 待 確 定, 而 其 催 化 CVD ZnO 膜 之 成 長 已 得 到 確 認. 由 FESEM 八 萬 倍 電 顯 照 片 顯 示 為 表 面 有 多 點 細 微 凸 起 之 薄 膜. AFM 亦 顯 示 88

89 膜 尚 平 坦, 厚 度 差 在 10 nm 以 內. 由 XRD 鑑 定 : 於 此 以 此 高 純 度 氬 電 漿 濺 鍍 矽 晶 片 上 之 緩 衝 層, 成 長 於 此 緩 衝 層 之 CVD 膜 為 ZnO 多 晶 相. 而 且 似 可 於 CVD 載 流 氣 體 : O2 0sccm, He: sccm, 320 o C 鍍 得 (002) 單 一 指 向 膜. 初 步 SEM 結 果 顯 示 : 於 320 o C, 以 水 蒸 氣 為 CVD 輔 助 試 劑, 沉 積 速 率 較 快, 可 鍍 得 較 大 晶 粒 膜, 以 O2 為 CVD 輔 助 試 劑, 沉 積 速 率 較 慢, 鍍 得 較 小 晶 粒 膜, 但 膜 較 平 坦. 但 這 些 成 長 於 pure Ar 濺 鍍 緩 衝 層 之 CVD 膜 晶 態 (morphology) 和 成 長 於 Ar/O2 mixture 濺 鍍 緩 衝 層 之 CVD 膜 晶 態 不 太 相 同, 仍 待 進 一 步 比 較 分 析. 就 最 適 輔 助 試 劑 之 研 究, 僅 知 同 匙 時 通 入 水 蒸 氣 與 O2 之 效 果 較 差, 但 是 只 通 入 水 蒸 氣, 或 是 只 通 入 O2, 或 是 只 通 入 He 則 猶 待 比 較 之 結 果. 本 計 畫 擬 先 利 用 電 漿 先 濺 鍍 緩 衝 層, 再 以 其 催 化 上 層 化 學 氣 相 沉 積 於 低 溫 反 應, 實 現 低 溫 同 步 參 入 的 磊 晶 高 速 成 長. 亦 會 嘗 試 以 電 漿 激 化 氣 態 分 子, 於 較 低 溫 度 氣 相 沉 積 II-VI 族 化 合 物 半 導 體 時, 同 步 將 磁 性 元 素 如 錳, 鈷, 以 分 散 原 子 狀 態 參 入 膜 內. 電 漿 之 所 以 可 以 提 供 新 的 材 料 合 成 途 徑, 與 其 所 含 氣 體 粒 子 帶 電 有 關. 電 漿 又 稱 Glow Discharge( 輝 光 放 電 ), 為 一 部 份 離 子 化 之 氣 體 (partially ionized gas), 其 組 成 包 括 帶 電 荷 之 電 子, 離 子 及 不 帶 電 之 分 子 和 自 由 基 (radicals) 等, 在 一 般 之 情 形 下, 正 電 荷 總 數 與 負 電 荷 總 數 相 等, 因 此 具 有 近 似 電 中 性 之 特 性 (quasi-neutral gas). 產 生 的 原 因 是 來 自 外 界 之 外 加 電 場 ( 如 DC,AC,RF,Microwafe) 供 給 能 量 使 電 子 加 速, 藉 由 此 被 加 速 之 高 能 電 子 來 撞 擊 氣 體 原 子 或 分 子, 而 產 生 激 發, 解 離 及 離 子 化 等 現 象, 以 形 成 電 漿 態. 電 漿 系 統 具 下 列 諸 特 性 : (1) 為 一 多 體 系 統, 具 帶 電 荷 之 離 子 及 電 子, 以 長 距 離 庫 倫 力 相 互 作 用 ; (2) 粒 子 之 熱 動 能 甚 高, 遠 大 於 一 般 氣 體, 進 行 不 規 則 運 動 ; (3) 能 量 較 低 之 電 漿 並 非 完 全 游 離, 為 一 具 離 子 電 子 及 各 激 發 態 原 分 子 之 集 合 體 為 僅 具 數 萬 度 之 低 溫 部 分 離 化 之 電 漿 系 統 吾 人 亦 可 於 實 驗 室 輕 易 製 造 此 系 統, 若 將 真 空 室 中 加 入 百 萬 分 之 一 至 數 大 氣 壓 之 氣 體, 施 以 外 加 直 流 電 或 交 流 ( 數 十 赫 茲 至 微 波 ) 電 壓, 則 氣 體 中 電 子 可 被 電 場 加 速 至 高 能 量, 撞 擊 原 分 子 產 生 游 離 態 此 類 電 漿 中 電 子 與 離 子 通 常 處 於 非 熱 平 衡 狀 態, 電 子 溫 度 約 為 數 電 子 伏 特 ( 一 電 子 伏 特 約 等 於 11,000 K) 離 子 之 溫 度 可 分 為 兩 類, 第 一 類 為 游 離 度 僅 為 萬 分 之 一 至 百 分 之 一 之 低 壓 放 電 系 統 離 子 因 與 電 子 碰 撞 頻 率 低, 能 量 難 以 移 轉, 故 僅 維 持 與 器 壁 相 當 之 室 溫 此 類 電 漿 因 其 原 分 子 受 電 子 激 發 放 出 不 甚 強 之 可 見 光, 又 稱 為 輝 光 放 電 (glow discharge), 為 一 低 電 流 高 電 壓 系 統 一 般 在 操 作 壓 力 低 於 50torr 以 下 時, 因 電 子 之 平 均 自 由 路 徑 極 大, 此 時 電 子 因 被 外 加 電 場 加 速 而 具 有 高 能 量, 然 而 離 子 的 質 量 遠 大 於 電 子, 其 在 電 場 下 之 加 速 度 遠 小 於 電 子, 所 以 離 子 動 能 遠 較 電 子 為 低, 根 據 動 能 =1/2 89

90 mv 2 =3/2 kt 所 示, 在 低 操 作 壓 力, 離 子 溫 度 遠 比 電 子 低, 且 中 性 之 原 子 或 分 子 因 無 法 被 電 場 所 加 速, 加 上 其 受 電 子 或 離 子 之 碰 撞 頻 頗 低, 因 此 其 整 體 溫 度 接 近 室 溫, 稱 為 低 溫 電 漿 (Te 甚 小 於 Tg). 本 計 畫 將 使 用 低 溫 電 漿 執 行 氮 化, 濺 鍍 等 工 作. 低 溫 電 漿 技 術 的 應 用 主 要 來 自 電 漿 內 之 兩 個 特 有 之 性 質 : 受 電 場 作 用, 非 等 向 性 之 離 子 和 高 反 應 性 之 自 由 基 ; 高 溫 電 漿 則 應 用 其 兩 個 特 有 之 性 質 : 即 為 高 反 應 性 之 自 由 基 與 非 常 高 之 氣 體 溫 度 ( 可 達 上 萬 K). 在 進 行 放 電 現 象 時, 因 為 從 常 壓 到 100 torr 時, 電 子 無 法 充 分 加 速, 所 以 操 作 的 壓 力 常 控 制 在 1~0.1 torr 之 間 再 對 氣 體 施 加 電 場, 氣 體 中 少 量 自 由 電 子 被 加 速, 獲 得 動 能, 而 快 速 的 電 子 衝 撞 原 子 分 子, 分 斷 原 子 軌 道 或 分 子 軌 道, 解 離 為 電 子 離 子 自 由 基 等 在 常 壓 不 安 定 的 化 學 物 質, 解 離 的 電 子 再 受 電 場 加 速, 解 離 別 的 原 子 或 分 子, 此 時 氣 體 急 速 成 為 高 度 電 離 狀 態 ( 電 離 氣 電 漿 氣 ) 以 氫 分 子 為 例, 低 溫 電 漿 解 離 過 程 如 下 : (1) 式 表 示 電 漿 發 光 與 自 由 基 解 離, 以 數 ev 的 電 子 能 進 行 (2) 式 是 以 十 幾 ev 進 行 的 離 子 解 離, 離 子 解 離 伴 有 電 子 的 級 數 增 加, 放 電 的 崩 潰 (break down) 與 維 持 等 必 要 的 過 程 另 一 方 面, 活 性 高 的 中 性 自 由 基 --- 原 子 狀 H 因 是 低 壓 而 長 壽, 以 高 濃 度 積 蓄 於 電 漿 空 間 同 樣 的 狀 況 一 適 用 於 氧 氮 及 其 他 化 合 物 如 : 在 對 ZnO 參 入 N, Mn 時, 本 計 畫 第 一 年 將 運 用 本 實 驗 室 已 有 的 高 真 空 濺 鍍 系 統, 通 入 氮 氣, 由 直 流 電 漿 源 驅 動 解 離, 同 時 進 行 氮 離 子 解 離 與 自 由 基 解 離, 因 能 量 分 佈 連 續 性 擴 展 使 化 學 反 應 不 是 選 擇 性, 而 是 各 種 反 應 同 時 發 生 一 般 利 用 氮 電 漿 生 成 的 活 性 化 學 種, 進 行 有 用 的 化 學 反 應, 但 氮 電 漿 解 離 本 為 破 壞 現 象, 使 破 壞 成 為 有 用 的 生 產 或 者 因 破 壞 而 失 去 應 用 性, 依 賴 於 電 漿 裝 置 的 運 用, 取 決 於 E/P 的 選 擇 (E: 電 場 強 度 (V/cm),P: 壓 力 (torr)) 因 為 構 成 氮 分 子 之 原 子 間 化 學 鍵 結 強 度 大 約 3~5 ev, 所 以 欲 將 之 切 斷 而 解 離, 須 把 E/P 值 保 持 2~3 以 上 本 階 段 較 大 困 難 是 氮 為 三 鍵 分 子, 較 難 斷. 在 微 調 輸 入 功 率, 配 合 避 免 電 極 反 應, 中 毒, 與 電 弧 發 生 需 注 意. 第 二 類 為 較 高 氣 壓 系 統, 離 子 因 較 高 之 碰 撞 頻 率 亦 可 加 熱 至 數 電 子 伏 特, 氣 體 游 離 率 較 高, 發 出 較 短 波 較 強 之 可 見 光, 常 見 焊 接 用 之 弧 光 放 電 (arc discharge), 為 一 典 型 代 表, 為 一 低 電 壓 高 電 流 放 電 系 統 而 當 操 作 壓 力 大 於 500 torr, 甚 至 於 數 大 氣 壓 時, 其 產 生 的 電 漿 因 其 90

91 內 部 之 電 子, 離 子 和 中 性 原 子 或 分 子 的 碰 撞 極 為 頻 繁, 使 得 各 物 種 間 之 能 量 得 以 互 相 傳 遞, 因 此 電 子 溫 度 與 氣 體 溫 度 趨 近 一 致, 此 時 中 性 原 子 或 分 子 溫 度 可 高 達 幾 萬 或 幾 十 萬 K, 我 們 稱 之 為 高 溫 電 漿 (Te 約 等 於 Tg). 利 用 電 漿 中 的 自 由 基, 離 子 對 材 料 表 面 進 行 改 質 電 漿 化 學 反 應 因 利 用 電 漿, 可 得 反 應 的 良 好 選 擇 性 及 高 反 應 收 率 氮 激 起 離 子 化 生 成 的 電 漿 中 有 分 子 原 子 分 子 離 子 原 子 離 子 電 子 其 狀 態 因 氣 體 的 壓 力 電 場 強 度 放 電 電 流 等 而 大 異, 也 因 裝 置 形 狀 而 異 電 漿 大 都 是 單 原 子 或 原 子 分 子 氣 體 在 2 原 子 分 子, 各 電 子 能 階 有 1 系 列 的 振 動 能 階, 各 振 動 能 階 有 1 系 列 的 旋 轉 能 階 隨 分 子 內 部 能 量 的 增 加, 電 子 能 階 增 高, 振 動 能 階 旋 轉 能 階 的 能 量 也 增 高 氣 體 分 子 的 能 量 狀 態 為 第 1 近 似, 可 表 成 並 進 電 子 狀 態 振 動 及 旋 轉 的 各 能 量 之 和, E = E trans +E elec +E vib +E rot 分 子 及 電 子 及 其 他 粒 子 衝 撞 而 得 到 能 量 時 往 各 能 階 移 動 能 量 可 增 高 各 能 量, 以 各 能 階 的 能 量 規 定 溫 度 電 子 動 能 所 致 的 溫 度 (Te) 在 分 子 動 能 所 致 的 溫 度 (Tg) 振 動 能 量 溫 度 (Tv) 旋 轉 能 量 溫 度 (Tr) 之 間 有 Te>T >Tr>Tg 的 關 係 放 電 生 成 的 電 漿 平 均 電 子 能 量 為 數 ev, 電 子 密 度 為 cm -3, 設 電 漿 中 的 電 子 能 量 依 循 Maxwell 分 佈, 如 何 增 加 電 漿 內 活 性 物 種 的 濃 度 需 透 過 原 始 氣 體 分 子 解 離 的 過 程 了 解 : 當 電 子 - 分 子 碰 撞 所 持 續 的 時 間 與 分 子 振 動 週 期 相 似 時, 振 動 能 階 激 發 較 可 能 發 生, 對 擁 有 數 電 子 伏 特 能 量 的 電 子 而 言, 其 速 度 過 快 以 致 於 經 過 分 子 旁 的 時 間 太 短, 無 法 造 成 可 觀 測 的 能 量 移 轉, 因 此 電 子 必 需 暫 時 被 分 子 束 縛, 形 成 一 共 振 過 程, 才 可 造 成 可 觀 測 的 能 量 移 轉 量 分 子 分 解 (dissociation of molecules) 分 子 振 動 激 發 使 得 分 子 能 量 升 高 易 於 分 解, 因 此 振 動 激 發 亦 視 為 分 子 分 解 的 前 驅 態, 但 電 子 激 發 對 分 子 分 解 卻 特 別 重 要, 因 為 電 子 激 發 將 分 子 置 於 反 鍵 結 態 (anti-bonding state), 反 鍵 結 態 之 位 能 與 前 述 反 應 使 得 電 漿 放 電 的 電 子 氣 能 夠 非 常 有 效 的 造 成 分 子 分 解, 這 也 是 電 漿 化 學 應 用 中 最 有 用 的 關 鍵 反 應, 而 且 電 子 引 致 分 解 的 門 檻 能 量 即 為 電 子 激 發 的 門 檻 能 量, 而 非 分 子 分 解 的 斷 鍵 能 量 電 漿 放 電 產 生 活 性 物 種 的 全 部 反 應 過 程, 可 以 圖 一 四 六 表 示 : 電 場 作 用 使 得 低 能 量 電 子 成 為 高 能 量 電 子, 高 能 量 電 子 經 由 非 彈 性 碰 撞 反 應 又 回 復 為 低 能 量 電 子, 而 此 非 彈 性 碰 撞 反 應 將 於 電 漿 中 產 生 活 性 物 種, 例 如 正 離 子 激 發 態 物 種 等, 此 些 物 種 可 吸 附 於 基 板, 也 可 能 再 成 為 原 子 分 子 或 活 化 基, 原 子 分 子 或 活 化 基 可 吸 附 於 基 板, 也 可 能 再 聯 合 形 成 複 合 物, 而 複 合 物 亦 可 吸 附 於 基 板 總 結 的 說, 活 性 物 種 的 連 鎖 反 應 可 產 生 二 次 物 種 三 次 物 種 等, 而 此 些 物 種 皆 可 吸 附 於 基 板 對 ZnO 參 入 Mn 時, 本 計 畫 第 一 年 將 運 用 本 實 驗 室 已 有 的 高 真 空 濺 鍍 系 統, 在 此 階 段 實 驗, 將 利 用 鋅, 錳 不 同 的 特 性, 鍍 入 氧 鋅 / 元 素 錳 混 合 膜. 濺 鍍 是 電 漿 質 點 與 表 面 的 交 互 作 用 六 大 反 應 :(1) 濺 鍍,(2) 佈 植,(3) 反 射,(4) 二 次 電 子 釋 出,(5) 化 學 反 應, 以 及 (6) 光 子 釋 出 等 濺 鍍 質 點 包 括 中 性 原 子 Mo 正 離 子 M+ 負 離 子 M- 激 發 態 原 子 M * 以 及 分 子 Mn, 反 射 質 點 包 括 中 性 原 子 Io 正 離 子 I+ 負 離 子 I 以 及 激 發 態 原 子 I *. 91

92 電 漿 氣 體 與 固 體 表 面 的 交 互 作 用 二 次 電 子 釋 出 (secondary electron emission) 若 在 電 漿 環 境 中 進 行 薄 膜 製 程, 會 有 大 量 二 次 電 子 釋 出 的 現 象, 這 些 二 次 電 子 多 半 由 於 帶 正 電 荷 的 離 子 接 近 固 體 表 面, 或 是 處 於 激 發 態 的 中 性 原 子 或 分 子 接 近 固 體 表 面 而 造 成, 前 者 所 造 成 的 二 次 電 子 釋 出 現 象 稱 為 歐 傑 中 性 化 過 程 (Auger neutralization process), 而 後 者 所 造 成 的 二 次 電 子 釋 出 現 象 稱 為 歐 傑 反 激 發 過 程 (Auger de-excitation process) 動 能 造 成 二 次 電 子 釋 出 的 機 構, 一 般 相 信 是 由 於 內 部 的 歐 傑 過 程 (internal Auger process), 高 動 能 的 離 子 撞 擊 固 體, 亦 可 造 成 動 能 釋 出 二 次 電 子 (kinetic ejection) 的 現 象 反 射 (reflection) 大 部 份 的 離 子 碰 撞 固 體 表 面 時, 會 經 由 前 節 所 提 的 歐 傑 中 性 化 過 程 而 成 為 中 性 原 子, 此 現 象 於 金 屬 表 面 尤 其 顯 著, 因 此 處 理 質 點 碰 撞 表 面 所 造 成 的 反 射 時, 僅 需 考 慮 中 性 原 子 的 反 射 佈 植 (implantation) 入 射 離 子 在 固 體 中 的 佈 植 情 況, 一 般 以 離 子 範 圍 (ion range) 表 示 當 離 子 進 入 固 體 後, 其 能 量 將 逐 漸 減 少, 離 子 速 度 也 將 同 時 降 低, 直 至 能 量 消 耗 殆 盡, 離 子 完 全 停 止 為 止, 因 此 離 子 在 何 處 停 止 與 其 停 止 前 能 量 消 耗 的 情 況 有 關 濺 鍍 濺 鍍 依 原 理 可 分 為 物 理 濺 鍍 及 化 學 濺 鍍 兩 大 類, 其 原 理 及 應 用 如 下 : (1) 物 理 濺 鍍 (physical sputtering) 高 能 的 入 射 質 點 將 其 能 量 或 動 量 移 轉 給 固 體 或 液 體 靶 內 的 原 子, 靶 原 子 累 積 足 夠 的 能 量 或 動 量 時, 即 可 脫 離 靶 表 面, 稱 為 物 理 濺 鍍, 其 主 要 應 用 為 濺 鍍 製 程 (sputter deposition) 偏 壓 濺 鍍 (bias sputtering) 離 子 塗 佈 (ion plating) (2) 化 學 濺 鍍 (chemical sputtering) 高 能 的 入 射 質 點 與 靶 表 面 的 原 子 進 行 化 學 反 應, 生 成 揮 發 性 的 表 面 化 合 物, 在 靶 材 的 溫 度 下, 表 面 化 合 物 並 不 穩 定, 因 此 其 組 成 的 原 子 群 或 分 子 會 經 由 熱 退 附 的 方 式 離 開 靶 表 面 的 現 象, 稱 為 化 學 濺 鍍, 其 主 要 應 用 為 反 應 式 離 子 蝕 刻 (reactive ion etching) 以 高 能 離 子 撞 擊 固 體 表 面 時, 若 入 射 質 點 與 表 面 原 子 形 成 分 子, 此 分 子 與 表 面 間 的 鍵 能 低 到 在 觀 測 溫 度 時, 該 分 子 會 由 表 面 退 附, 或 稱 該 分 子 為 揮 發 性 的, 則 濺 鍍 產 生 率 將 增 加, 此 現 象 稱 為 化 學 濺 鍍 若 在 此 階 段 實 驗 用 高 真 空 濺 鍍 系 統,, 利 用 鋅, 錳 不 同 的 特 性, 鍍 入 氧 鋅 / 元 素 錳 混 合 膜. 則 需 掌 握 物 理 濺 鍍 的 特 性. 物 理 濺 鍍 係 由 於 入 射 質 點 與 靶 原 子 間 動 量 的 移 轉, 使 得 表 面 原 子 積 聚 足 夠 的 能 量 以 克 服 表 面 束 縛 能 而 脫 離 表 面 ; 化 學 濺 鍍 則 是 因 入 射 質 點 與 表 面 原 子 產 生 化 學 反 應 而 形 成 分 子, 此 分 子 與 表 面 間 的 鍵 能 低 到 在 觀 測 溫 度 時, 該 分 子 會 由 表 面 退 附 所 造 成, 因 此 係 由 於 熱 能 使 得 分 子 脫 離 表 面 大 部 份 的 離 子 - 表 面 交 互 作 用 皆 會 形 成 表 面 化 合 物 層, 92

93 若 其 與 表 面 的 束 縛 能 小, 則 究 竟 是 動 能 移 轉 使 得 化 合 物 離 開 表 面, 或 是 因 表 面 溫 度 的 熱 能 及 化 合 物 的 生 成 熱 造 成 化 合 物 脫 離 表 面, 不 易 分 辨. 三 目 前 已 有 與 計 畫 相 關 之 基 礎 與 成 果 3.1 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 產 學 合 作 建 教 合 作 之 成 果 張 宇 能, 以 緩 衝 層 MOCVD 技 術 成 長 高 亮 度 白 光 LED 氧 化 鋅 材 料, 主 持 人, 92/1/1-92/12/31, 經 濟 部 能 源 會 及 國 科 會 應 用 科 技 學 術 合 作 小 組 張 宇 能, 光 電 用 Ⅱ-Ⅵ 族 薄 膜 研 究, 主 持 人, 93/1/1-93/12/31, 工 業 技 術 研 究 院 委 託 學 術 機 構 研 究 計 畫 3.2 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 論 文 發 表 1. Yuneng Chang, Junhsuan Hsieh, Chonan Wang, Liting Hong, A Differential Scanning Calorimetry (DSC) Study on The Pyrolysis Mechanism of Zinc Oxide CVD Precursor, Zinc Acetylacetonate, MRS Proceedings Volume 744, Progress in Semiconductors II Electronic and Optoelectronics, edited by B.D. Weaver, M.O. Manasreh, C.C. Jagadish, S. Zollner, (2003). 2. Yuneng Chang, Hengchuan Lu, Yumeng Hung, Chunsung Lee, Jianming Chen, and Yichang Jian, A Study on Impact of Process Parameters to Metal Organic Chemical Vapor Deposition Grown (002) Zinc Oxide Thin Films, at 320 o C, MRS Proceedings Volume 744, Progress in Semiconductors II Electronic and Optoelectronics, edited by B.D. Weaver, M.O. Manasreh, C.C. Jagadish, S. Zollner, (2003). 3. Surface Phenomena and Nanostructures Observed In MOCVD Films Growth Over Plasma Sputtered Buffer Layers, Yuneng Chang, The 3 rd Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology, p , 2003 年 12 月, (2003) 4. Key Factors to Grow (002) Zinc Oxide Films by MOCVD at 320 o C and Atmospheric Pressure - Y. Chang, H. Lu, Y. Hung, CVD XVI and EUROCVD 14 Proceeding in the Electrochemical Society 203rd Meeting - Paris, France April 27-May 2, (2003) 3.3 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 設 備 高 真 空 電 漿 濺 鍍 系 統 蒸 發 蒸 鍍 系 統 低 壓 化 學 氣 相 沈 積 常 壓 化 學 氣 相 沈 積 93

94 四 研 究 方 法 進 行 步 驟 及 執 行 進 度 4.1 研 究 方 法 與 執 行 步 驟 本 計 畫 將 利 用 龍 華 科 技 大 學 現 有 優 良 的 軟 硬 體 設 備, 配 合 過 去 研 究 的 經 驗 全 方 位 研 究, 藉 由 磊 晶 理 論 氣 相 磊 晶 實 驗 膜 結 構, 光, 電 特 性 量 測 與 實 作 元 件 發 光 亮 度 量 測 相 配 合, 深 入 了 解 光 電 元 件 精 密 製 程 以 期 建 立 全 面 的 量 化 磊 晶 製 程 與 設 計 法 則, 以 支 援 未 來 工 業 界 對 此 項 技 術 之 廣 泛 應 用 本 研 究 將 借 助 : 1) 本 研 究 室 自 行 開 發 之 緩 衝 層 激 化 CVD 表 面 成 長 稀 少 磁 性 半 導 體, 先 以 反 應 濺 鍍 於 玻 璃 基 板 表 面 預 鍍 緩 衝 層, 再 以 MOCVD 形 成 二 維 奈 米 結 構 稀 少 磁 性 半 導 體 2) 以 濺 鍍 形 成 稀 少 磁 性 半 導 體 Mn doped ZnO 層 以 上 所 得 各 結 構 均 以 STM, AFM, FESEM 分 析 表 面 結 構, 配 合 UV-VIS 光 圃 儀 等 分 析 透 光 率, 反 射 率, 及 量 子 效 率 等. 在 鍍 稀 少 磁 性 半 導 體 將 使 用 常 壓 化 學 氣 相 沈 積, 低 壓 化 學 氣 相 沈 積 兩 種 技 術 稀 少 磁 性 半 導 體 常 壓 化 學 氣 相 沈 積 (APCVD) APCVD 反 應 器 是 首 先 被 半 導 體 產 業 使 用 的 設 備,APCVD 反 應 器 反 應 速 率 快, 但 易 發 生 氣 相 反 應, 膜 階 梯 覆 蓋 (step coverage) 差. 因 APCVD 反 應 器 是 在 質 傳 區 操 作, 所 以 反 應 物 流 必 須 很 均 勻 的 傳 送 至 所 有 基 板 的 每 一 部 份. 沉 積 是 質 傳 控 制 時, 製 程 溫 控 不 必 精 密. 但 要 確 保 整 片 晶 圓 各 位 置 膜 厚 相 同, 反 應 室 設 計 需 使 晶 片 上 各 位 置 都 有 相 同 反 應 物 質 傳 通 量 所 以 APCVD 反 應 器 最 廣 泛 的 晶 片 擺 置 是 水 平 式, 以 提 供 均 一 氣 體 通 量, 但 也 有 掉 落 微 塵 粒 污 染 問 題 如 沈 積 二 氧 化 矽 的 APCVD 反 應 器, 操 作 溫 度 為 400, 是 在 質 傳 區 操 作. 稀 少 磁 性 半 導 體 低 壓 化 學 氣 相 沈 積 (LPCVD) 反 應 器 在 積 體 電 路 高 產 量 需 求 下, 每 批 製 程 所 產 晶 片 數 愈 多 愈 好 由 是 發 展 熱 壁 LPCVD, 在 此 類 反 應 器 中, 晶 片 被 豎 置 於 圓 形 橫 截 面 石 英 爐 管 內, 晶 片 面 與 反 應 氣 體 氣 體 流 方 向 垂 直, 晶 片 間 距 離 只 有 幾 釐 米 (mm), 一 個 石 英 晶 舟 可 放 200 片 晶 片 由 於 壓 力 低, 濃 度 低, LPCVD 沉 積 速 率 ( 埃 / 分 鐘 ) 比 APCVD 慢 但 因 每 批 晶 片 量 大, 產 量 仍 高 過 APCVD. LPCVD 是 在 表 面 反 應 控 制 區 操 作, 溫 度 控 制 必 須 均 勻, 加 熱 採 能 提 供 穩 定 均 勻 熱 源 的 嵌 壁 式 三 區 熱 阻 爐 ( 圖 19) 壓 力 為 0.1 到 5torr, 溫 度 300 至 900, 氣 體 被 限 制 在 晶 片 與 反 應 爐 壁 的 環 狀 空 間 中 流 動, 且 靠 層 流 到 達 晶 片 表 面, 流 量 10 到 1000 sccm LPCVD 有 均 勻 階 梯 覆 蓋 性 組 成 和 結 構 控 制 準 確 沈 積 速 率 及 輸 出 量 高 可 以 不 需 輸 送 氣 體, 降 低 顆 粒 污 染 及 低 製 程 成 本 但 因 LPCVD 內 晶 片 實 在 太 多, 仍 會 因 反 應 物 空 乏 造 成 氣 相 濃 度 不 均 勻. 在 終 端 饋 入 式 LPCVD( 圖 20a), 當 晶 片 被 放 置 出 氣 端, 因 反 應 物 濃 度 較 低, 造 成 厚 度 較 前 端 晶 片 薄. 為 沈 積 膜 的 均 勻 性, 可 調 整 爐 管 沈 積 溫 度, 使 前 端 比 後 端 低 o C, 以 較 高 溫 彌 補 反 應 物 濃 度 較 低 亦 可 用 分 散 饋 入 式 LPCVD( 圖 20b), 使 前 後 端 濃 度 一 致. 在 LPCVD 的 低 壓 下, 氣 體 擴 散 係 數 大, 質 傳 速 率 快, 反 應 物 擴 散 至 基 板 表 面 速 率 大 當 壓 力 從 760torr 降 至 1 Torr 時, 壓 力 降 低 為 1/760, 氣 體 平 均 自 由 徑 ( mean free path, =1/(2πσ 2 n),n 為 氣 體 分 子 密 度,σ 為 分 子 直 徑 ) 增 大 760 倍 表 示 氣 體 擴 散 係 數 比 APCVD 大 760 倍 淨 效 應 是 質 傳 速 率 增 加 超 過 十 倍, 所 以 是 表 面 反 應 控 制 出 現 在 APCVD 的 膜 厚 不 均 與 氣 相 濃 度 分 佈 不 均, 導 致 表 面 反 應 速 率 不 均 有 關 但 在 LPCVD 質 傳 快, 氣 體 濃 度 不 均 也 能 94

95 在 短 時 間 內 消 除, 所 以 可 以 形 成 厚 度 均 勻 的 薄 膜 緩 衝 層 MOVPE 磊 晶 技 術 於 成 長 Mn doped II-VI 族 光 電 薄 膜 技 術 研 發 由 前 述 文 獻 可 發 現, 緩 衝 層 宜 薄 而 平 坦, 甚 至 平 坦 度 比 結 晶 度 更 重 要. 本 實 驗 室 自 本 校 改 制 科 大 後, 承 蒙 校, 工 學 院, 化 材 系 大 力 支 持, 投 入 設 備 經 費 超 過 300 萬 元, 配 合 參 與 同 學 投 入, 於 近 一 年 完 成 購 置 專 用 於 沉 積 膜 厚 可 精 準 控 制 之 高 真 空 射 頻 濺 鍍 系 統, 高 真 空 蒸 發 蒸 鍍 系 統, 完 成 自 行 組 裝 低 壓 水 平 熱 牆 化 學 氣 相 沉 積 系 統, 除 在 硬 體 設 備 於 國 內 已 達 相 當 水 平, 復 以 獨 創 物 理 氣 相 沉 積 之 鍍 製 特 性 緩 衝 層, 與 低 壓 / 常 壓 化 學 氣 相 沉 積 配 合 成 長 光 電 半 導 體 膜, 亦 已 取 得 成 果. 本 計 畫 則 將 應 用 前 述 高 真 空 物 理 氣 相 沉 積 設 備, 先 形 成 薄 而 平 坦, 厚 可 精 準 至 奈 米 級 之 緩 衝 膜, 再 以 低 壓 水 平 熱 牆 化 學 氣 相 沉 積 系 統, 與 申 請 中 的 低 壓 垂 直 冷 牆 化 學 氣 相 沉 積 系 統 成 長 半 導 體 膜. 而 原 子 力 顯 微 鏡 將 扮 演 吃 重 的 角 色, 將 用 於 釐 清 緩 衝 膜 表 面 結 構 如 何 導 引 MOCVD 膜 成 長 之 關 係. 研 究 方 法 應 用 PVD pre sputter 建 立 不 同 材 質 催 化 效 應 之 影 響 物 理 氣 相 沉 積 對 基 材 表 面 改 質 本 研 究 擬 先 以 電 漿 反 應 濺 鍍 預 沉 積 ZnO 緩 衝 層, 再 使 用 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沉 積 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD) 技 術, 於 中 溫 常 壓, 以 水 平 冷 牆 式 反 應 器 合 成 Mn doped ZnO 氧 化 鋅 薄 膜 並 藉 調 整 製 程 條 件, 控 制 膜 成 份 含 量, 及 其 結 構 ; 由 觀 察 製 程 參 數 如 : 沉 積 溫 度, 輔 助 反 應 劑 種 類, 氧 氣 濃 度, 基 材 種 類 等 因 素, 對 膜 表 面 紋 路 之 影 響, 瞭 解 膜 成 長 機 制 及 控 制 因 素 主 要 工 作 : 緩 衝 層 對 磊 晶 成 長 效 應 之 探 討, 主 要 為 緩 衝 層 厚 度, 緩 衝 層 結 構, 緩 衝 層 成 份 最 佳 化 製 程 第 一 組 利 用 本 實 驗 室 之 高 真 空 濺 鍍 設 備 製 備 緩 衝 層, 調 查 以 下 濺 鍍 參 數 對 緩 衝 層 厚 度, 結 構, 成 份 之 影 響 如 : 靶 材 種 類 (Zn, ZnO, Mn), 濺 鍍 電 漿 電 源 形 式 ( 直 流, 射 頻 ), 沉 積 基 板 溫 度, 濺 鍍 氣 體 成 份 ( 純 氬, 氬 / 氧 混 合 氣 體 ), 電 漿 功 率, 電 漿 電 流 量. 由 於 緩 衝 層 厚 度 在 1000Å 以 內, 預 估 薄 膜 成 長 之 成 核 (nucleation) 階 段 將 在 較 薄 ( Å) 之 緩 衝 層 成 長 扮 演 關 鍵 角 色. 如 以 常 見 於 晶 格 常 數 差 別 >7% 的 VW, SK 等 3D 島 式 成 長 而 言, 沉 積 溫 度 與 氣 相 成 膜 物 過 飽 合 度 將 是 影 響 臨 界 成 核 半 徑, 成 核 密 度 之 主 因. 而 較 厚 ( Å) 之 緩 衝 層 則 需 考 慮 Thorton 所 提 之 SZM(structural zone model) 各 因 素. 鍍 成 緩 衝 層 以 本 校 貴 儀 中 心 X 射 線 繞 射 XRD (Rigaku) 分 析 膜 晶 相, 以 場 效 式 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 FESEM/ WDX (JEOL) 檢 視 膜 表 面 微 結 構 第 二 組 對 緩 衝 層 施 以 常 壓 加 熱 處 理, O2 電 漿 表 面 處 理, 對 處 理 候 試 片 以 本 校 貴 儀 中 心 X 射 線 繞 射 XRD (Rigaku) 分 析 膜 晶 相, 以 場 效 式 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 FESEM/ WDX (JEOL) 檢 視 膜 表 面 微 結 構 第 三 組 以 有 機 金 屬 化 學 氣 相 成 長 Mn doped ZnO II-VI 族 半 導 體 膜 之 探 討, 並 尋 找 最 佳 化 製 程 95

96 1. 參 數 如 沉 積 溫 度, 壓 力, 反 應 物 濃 度 對 膜 之 影 響, 改 進 稀 少 磁 性 半 導 體 機 台 設 計 2. 有 機 金 屬 化 學 氣 相 磊 晶 輔 助 反 應 劑 之 分 析 評 估, 在 氧 氣, 臭 氧, 水 蒸 氣 等 效 用 之 評 估 3. 由 各 種 第 一 組 及 第 二 組 所 得 緩 衝 層 對 成 長 單 晶 膜 之 關 鍵 因 素 分 析 稀 少 磁 性 半 導 體 反 應 室 : 乃 提 供 反 應 之 容 器, 以 活 性 低 之 材 料 構 成. 鍍 矽 多 用 不 鏽 鋼, 鍍 化 合 物 半 導 體 用 石 英. 鍍 氮 化 鎵 使 用 氨 氣 於 高 溫 具 腐 蝕 性, 宜 慎 選 材 質. 反 應 室 置 承 載 基 材 (substrate) 承 載 器 (susceptor), 並 具 傳 遞 能 量 機 制, 使 反 應 物 蒸 汽 分 解 形 成 薄 膜. 矽 磊 晶 的 承 載 器 可 用 外 鍍 SiC 的 石 墨, 因 在 質 傳 區 操 作, 氣 流 穩 定 極 重 要, 承 載 器 宜 以 內 嵌 式 置 放 晶 片, 以 免 紊 流 發 生. 由 於 反 應 物 蒸 氣 需 靠 輸 送 氣 體 帶 至 表 面, 反 應 室 形 狀 (geometry) 會 影 響 氣 流 分 布, 對 薄 膜 成 長 及 厚 度 發 生 關 鍵 性 作 用 反 應 室 內 截 面 以 狹 長 矩 形, 頂 端 水 冷 可 得 均 勻 鍍 膜 效 果, 但 加 工 製 作 不 易, 且 易 在 反 覆 抽 真 空 的 過 程 破 裂. 由 於 反 應 室 內 溫 度 梯 度 極 大, 常 易 導 致 自 然 對 流, 縱 向 及 橫 向 氣 渦 波, 造 成 鍍 膜 效 率 下 降, 膜 厚 不 均, 此 現 象 須 藉 適 當 的 反 應 器 設 計 予 以 控 制. 反 應 室 幾 何 形 狀 亦 受 操 作 壓 力 和 熱 源 供 應 方 式 限 制, 是 影 響 產 量 (throughput) 的 重 要 因 素 如 處 理 之 先 驅 物 毒 性 較 強, 亦 可 用 雙 層 壁 (double walled) 設 計, 配 合 排 煙 櫃 及 遙 控 系 統. 稀 少 磁 性 半 導 體 反 應 室 設 計 準 則 反 應 室 為 系 統 核 心, 設 計 準 則 可 歸 納 為 下 列 數 點 : 1. 反 應 室 幾 何 形 狀 簡 單, 避 免 流 相 複 雜, 長 膜 環 境 潔 淨, 確 保 純 度 及 再 現 性. 2. 氣 相 反 應 物 種 於 扺 達 基 板 前 已 充 份 微 觀 混 合 (micro mixing), 膜 成 份 均 勻. 3. 氣 流 於 基 板 上 穩 定 層 流, 無 迴 流 (recirculation), 逆 混 合 (back mixing, 圖 10), 膜 厚 均 勻. 4. 欲 長 介 面 分 明 (abrupt interface) 多 層 結 構, 反 應 物 滯 留 時 間 宜 短 且 分 布 集 中 (RTD), 各 氣 流 供 輸 管 線 能 迅 速 切 換. 5. 輸 送 氣 體 入 口, 晶 片 所 在 沉 積 區, 及 真 空 邦 浦 抽 氣 口 三 者 間 的 位 置 應 妥 善 規 畫, 務 必 使 帶 有 反 應 物 的 氣 流 先 通 過 晶 片 發 生 沉 積, 再 被 抽 氣 送 出. 不 當 反 應 室 設 計 造 成 反 應 物 未 通 過 晶 片, 即 被 抽 氣 送 出. 可 以 檔 板 (baffle) 或 更 動 氣 體 入 口, 出 口 方 式 改 善. 6. 能 量 使 用 效 率 與 升 溫 速 率 宜 高, 磊 晶 高 溫 使 升 溫 費 時, 升 溫 速 率 決 定 產 率, 能 量 集 中 加 熱 經 晶 片 的 冷 牆 式 升 溫 速 率 快, 稀 少 磁 性 半 導 體 產 率 與 能 量 使 用 效 率 高. 7. 因 操 作 環 境 為 高 溫 且 充 滿 腐 蝕 性 反 應 氣 體, 材 質 宜 採 耐 高 溫 及 耐 反 應 氣 體, 8. 低 壓 有 利 表 面 原 子 移 動 與 磊 晶, 可 降 鍍 低 稀 少 磁 性 半 導 體 所 需 溫 度. 常 用 化 學 氣 相 沉 積 薄 膜 厚 度 從 0.5 微 米 到 數 微 米 都 有, 不 過 最 重 要 的 是 厚 度 都 須 均 勻 產 業 用 反 應 器 猶 重 視 大 面 積 鍍 膜 均 勻, 此 受 限 於 以 下 因 素 : 1) 稀 少 磁 性 半 導 體 反 應 物 在 上 游 被 消 耗, 至 下 游 已 竭, 使 下 游 晶 片 長 膜 速 率 慢 水 平 反 應 室 內 各 區 鍍 膜 速 率 (R) 朝 下 游 遞 減 之 趨 勢 可 以 下 式 估 計 : R e (-Ax), x 為 自 沉 積 區 往 下 游 的 距 離, A=[2D/(v(ho) 2 )], D: 氣 體 擴 散 係 數, v: 氣 體 流 速, ho 沉 積 區 至 反 應 室 頂 端 距 離 可 以 幫 助 水 平 反 應 室 鍍 膜 均 勻 的 方 式 有 : a. 藉 邊 界 層 上 方 的 冷 指 區 ( 即 氣 流 未 受 邊 界 層 影 響 的 bulk flow zone), 延 伸 至 沉 積 區 上 方, 扮 演 反 應 物 供 應 者 的 角 色, 當 氣 流 速 增 加, 會 使 冷 指 區 更 向 下 游 延 伸, 使 鍍 膜 更 均 勻. 96

97 b. 將 基 座 後 緣 下 游 抬 高, 最 適 傾 斜 角 為 θc, sinθc=(2d o /h o v o )(T/T o ) 0.88, θc 約 在 3-5 o, 增 加 流 速, 可 降 低 θc c. 將 反 應 室 頂 端 向 下 傾 斜, 或 改 變 反 應 室 頂 端 曲 率 半 徑. 2) 均 相 反 應 發 生, 如 寄 生 反 應 (parasitic) 可 以 降 低 壓 力, 或 將 反 應 氣 體 分 流 導 入. 3) 流 相 紊 亂 複 雜, 此 多 由 於 反 應 室 設 計 錯 誤 所 導 致, 其 中 又 以 自 然 對 流 與 強 制 對 流 不 同 向 最 易 引 起. 反 應 室 設 計 操 作 與 反 應 機 制 有 關. 在 多 數 CVD 通 流 氣 體 (flowing gas) 開 管 式 (open tube), 反 應 由 動 力 學 控 制, 其 過 程 率 涉 一 連 串 七 道 相 繼 發 生 的 反 應 及 輸 送 步 驟 : 1. 反 應 物 蒸 汽 分 子 藉 強 制 對 流, 與 輸 送 氣 體 進 入 反 應 室, 並 被 帶 至 被 鍍 物 上 方 邊 界 層 (boundary layer) 2. 反 應 物 蒸 汽 藉 擴 散 機 制, 通 過 邊 界 層, 近 抵 被 鍍 物 表 面 3. 反 應 物 蒸 汽 分 子 吸 附 至 被 鍍 物 表 面 4. 經 表 面 反 應, 分 解, 氧 化 還 原, 反 應 物 蒸 汽 分 子 分 成 欲 鍍 原 子 與 揮 發 副 產 物 兩 部 份 ; 欲 鍍 原 子 經 由 成 核 / 長 晶 (Nucleation Growth) 與 表 面 擴 散 等 機 制, 形 成 薄 膜 一 部 份 5. 揮 發 副 產 物 脫 附 離 開 表 面 6. 揮 發 產 物 藉 擴 散 穿 過 邊 界 層, 遠 離 表 面 7. 揮 發 產 物 因 強 制 對 流, 與 輸 送 氣 體 及 未 反 應 蒸 汽 分 子 被 帶 離 反 應 室 由 於 七 道 步 驟 為 先 後 有 序, 連 續 發 生 現 象,CVD 是 為 一 連 鎖 反 應, 其 中 最 慢 一 道 步 驟, 即 CVD 反 應 速 率 控 制 步 驟 (rate controlling step) 就 動 力 學, 速 率 控 制 步 驟 亦 即 該 步 驟 之 改 變, 對 整 體 反 應 速 率 影 響 最 鉅, 是 牽 一 髮 而 動 全 身, 在 連 鎖 反 應 是 最 慢 步 驟, 在 平 行 反 應 是 最 快 步 驟. 當 速 率 控 制 步 驟 不 同 時, 各 條 件 會 影 響 蒸 鍍 速 率, 至 不 同 程 度 : (1) 總 輸 送 氣 體 流 量 Q (2) 蒸 鍍 區 上 方 氣 流 線 性 速 率 u (3) 蒸 鍍 區 上 方 氣 體 之 流 力 現 象 (4) 先 趨 物 之 分 壓 或 濃 度 C (5) 蒸 鍍 表 面 之 溫 度 T (6) 溫 度 梯 度 ΔT / Δx (7) 蒸 鍍 表 面 之 性 質, 如 結 晶 面 指 向 氣 體 在 反 應 室 內 的 流 相 是 影 響 鍍 膜 主 要 因 素, 可 由 各 無 因 次 參 數 判 斷 : a) Knudsen 數 Kn 數 =λ( 氣 體 分 子 自 由 徑 )/L( 反 應 室 特 性 長 ) Kn 數 被 用 作 判 斷 氣 體 流 相 類 別. 對 操 作 壓 力 較 高 的 APCVD, 氣 體 平 均 自 由 徑 小, 且 晶 片 間 距 大, Kn 數 小 (Kn<0.01), 氣 體 分 子 彼 此 互 撞 頻 率 大 於 氣 體 分 子 撞 室 壁 頻 率. 氣 體 黏 度 大 於 0, 流 相 可 以 連 續 流 體 力 學 描 述. 在 操 作 壓 力 低 矽 磊 晶 (VPE) 或 化 合 物 半 導 體 沉 積 扁 平 式 反 應 室, 氣 體 平 均 自 由 徑 大, Kn 數 大 (Kn>10), 氣 體 黏 度 幾 近 於 0, 流 相 可 以 自 由 分 子 流 描 述. 操 作 壓 力 97

98 100Pa 附 近 的 LPCVD, 氣 體 平 均 自 由 徑 介 於 前 述 二 者 之 間, 流 相 可 以 過 渡 態 (transition flow) 描 述. b) Reynold 數, Re 數 =ρud/µ, ρ, u,µ 為 氣 體 密 度, 流 速, 黏 度, D 為 反 應 室 高 度 或 直 徑 Re 數 用 於 判 斷 反 應 室 氣 流 為 層 流 抑 層 流. 多 數 磊 晶 反 應 室 氣 流 速 慢, Re<100, 可 以 層 流 描 述. 渦 流 則 有 可 能 出 現 在 大 尺 寸 多 晶 片 旋 轉 盤 式 系 統 c) Peclet 數, Pe 數 Pe( 熱 )=Re x Pr, Pr = 0.7, Pe( 質 )=Re x Sc, Sc = 1-10, Pe 數 則 用 在 計 算 熱 / 質 傳 時, 估 計 對 流 與 擴 散 之 相 對 重 要 性, 若 Pe 數 大, Pe>10, 則 對 流 主 導, 若 Pe 數 小, Pe<1, 則 擴 散 是 主 要 因 素, Pe 數 亦 被 用 在 預 測 下 游 之 雜 質 是 否 會 回 滲 至 沉 積 區. c) Grashof 數, Raleigh 數 Gr( 熱 )=(gβ t L 3 T)/v 2, g: 重 力 加 速 度, β t : 氣 體 熱 膨 脹 係 數, L: 反 應 室 特 性 長 度, T: 反 應 室 上 下 溫 差, v: 動 態 黏 度 (Kinematic viscosity) Gr( 質 )= (gβ t L 3 C)/v 2, C: 反 應 室 上 下 濃 度 差, Ra( 熱 )= Gr( 熱 ) x Pr, Ra( 質 )= Gr( 熱 ) x Pr, Gr, Ra 數 是 評 估 反 應 室 內 自 然 對 流 之 幅 度 重 要 指 標. Ra 數 太 大, 易 發 生 自 然 對 流, 在 CVD 反 應 室 內 自 然 對 流 多 導 自 上 下 溫 度 差 ( T) 過 大, 使 Gr 數 超 過 臨 界 值. 但 亦 有 因 濃 度 梯 度 ( C) 造 成 之 自 然 對 流, 於 MOCVD 使 用 分 子 量 過 重 先 驅 物 分 子, 使 於 沉 積 區 因 大 量 耗 竭, 以 致 沉 積 區 上 方 氣 體 密 度 降 低, 造 成 自 然 對 流. 自 然 對 流 會 導 致 沉 積 區 鍍 膜, dopants 參 入 不 均 勻, 氣 體 回 流, 污 染 及 鍍 膜 速 率 減 緩. 應 僅 量 避 免. 使 用 氫, 氦 密 度 小 為 輸 送 氣 體, 不 易 發 生 自 然 對 流, 使 用 氮, 氬 密 度 大 為 輸 送 氣 體, 易 生 自 然 對 流, 因 反 應 室 特 性 長 度 較 小, 2-10 cm, 故 反 應 室 Gr 數 多 小 於 臨 界 值 (10 6 ). Ra=Gr x Pr, CVD 反 應 室 Pr 為 0.7, 故 Gr, Ra 數 可 通 用. 在 水 平 冷 牆 式 CVD 反 應 室 內 自 然 對 流 與 強 制 對 流 互 為 垂 直 依 Ra, Re 數 不 同 而 畫 為 四 個 象 限 : 在 Ra<Ra cr, 反 應 室 內 流 相 穩 定, 鍍 膜 均 勻, Ra>Ra cr, 反 應 室 內 流 相 不 穩 定, 鍍 膜 不 均 勻, 特 別 是 在 左 上 象 限, Re 數 小, Ra 大, 即 強 制 對 流 弱, 而 自 然 對 流 強, 是 為 對 鍍 膜 極 不 利 的 逆 流 區 (return flow). 此 時, 因 氣 體 受 熱 膨 脹 甚 至 足 以 抵 消 輸 入 氣 流, 使 鍍 膜 速 率 減 緩. 自 然 對 流 氣 胞 (cell) 的 發 展 與 Gr/Ra β 是 否 超 過 臨 界 值 有 關, 在 Re 小 時, β=1, 在 Re 大 時, β=2 由 Gr, Ra 因 次 分 析 發 現, 影 響 自 然 對 流 最 大 者 為 反 應 室 內 高 度 (spacing, L), Gr 與 L 3 成 正 比, 故 設 法 降 低 反 應 室 內 高 度 為 抑 制 自 然 對 流 之 主 要 方 法, 亦 可 增 加 氣 體 流 速, 更 換 黏 度 較 低 之 輸 送 氣 體. 降 低 壓 力, 降 低 壓 力, 亦 可 抑 制 自 然. 在 垂 直 冷 牆 式 CVD 反 應 室 內 其 影 響 因 素 有 : a. 自 上 向 下 導 入 之 輸 送 氣 體 流 速, 方 向 朝 下 98

99 b. 為 求 鍍 膜 均 勻 使 用 之 承 載 器 自 轉 速, 方 向 朝 水 平 c. 因 反 應 室 內 上 冷 下 熱 造 成 之 自 然 對 流, 方 向 朝 上 使 自 然 對 流 與 強 制 對 流 反 向, 且 流 相 複 雜. Evans (1987) 曾 指 出 可 以 Gr/Re 3/2 為 判 斷 流 相 是 否 穩 定 之 依 據. 若 Gr/Re 3/2 < 6, 則 流 相 為 穩 定. 在 垂 直 冷 牆 式 CVD 反 應 室, Fotiads (1990) 曾 提 出 可 藉 改 變 反 應 室 幾 何 參 數 如 形 狀 及 尺 寸, 達 到 抑 制 自 然 對 流. 其 中 Gr 與 L 3 成 正 比, 縮 減 輸 送 氣 體 入 口 噴 嘴 至 基 板 距 離 (L) 被 視 為 最 有 效 方 式. 但 此 方 法 亦 受 限 於 以 下 條 件 : 1) 若 噴 嘴 至 基 板 距 離 太 近, 可 能 導 致 噴 嘴 溫 度 過 高, 因 此 發 生 提 前 沉 積 2) 加 大 噴 嘴 寬 度, 使 反 應 物 蒸 氣 可 以 更 均 勻 被 噴 灑 至 基 板 表 面 各 處, 此 亦 有 助 鍍 膜 均 勻, 但 也 可 能 使 氣 流 速 減 慢, Re 變 小, 使 強 制 對 流 相 對 於 自 然 對 流 之 強 度 下 降. 3) 適 度 地 在 反 應 室 內 安 裝 檔 板, 可 有 助 鍍 膜 均 勻, 但 要 注 意 可 能 使 流 相 複 雜 且 氣 體 滯 留 時 間 增 長 4) 將 基 座 上 下 顛 倒, 懸 置 於 反 應 室 頂, 可 使 自 然 對 流 與 強 制 對 流 同 相, 有 助 流 相 穩 定, 鍍 膜 均 勻 冷 牆 式 CVD 反 應 室 欲 得 鍍 膜 均 勻, 就 必 需 提 高 通 氣 速 率, 造 成 價 昂 之 先 驅 物 利 用 率 低, 在 品 質 與 成 本 兩 難 間, 亦 可 藉 由 基 座 旋 轉 (500rpm) 可 使 外 緣 下 游 氣 流 加 速, 邊 界 層 變 薄, 質 傳 加 速, 以 補 償 反 應 物 耗 竭 因 此 : 1) 不 需 增 加 氣 流 速, 即 使 強 制 對 流 增 強, 抑 制 自 然 對 流 2) 提 高 鍍 膜 效 率, 穩 定 軸 對 稱 流 3) 但 旋 轉 速 不 宜 過 快, 以 免 發 生 pumping effect, 反 造 成 迴 流 漩 渦 e) Da 數 (Damkohler 數 ) Da 數 是 用 於 評 估 CVD 反 應 為 質 傳 控 制, 抑 表 面 反 應 控 制 之 指 標. 若 表 面 Da 數 ( 亦 稱 CVD 數 ) 大, 則 CVD 反 應 為 自 氣 相 至 表 面 之 質 傳 控 制, 若 Da 數 小, 則 CVD 為 表 面 反 應 控 制. 若 氣 相 Da 數 大, 則 CVD 反 應 室 滯 留 時 間 為 控 制 因 子. 影 響 的 沉 積 參 數 受 限 於 稀 少 磁 性 半 導 體 材 料 的 特 性, 反 應 器 操 作 條 件 有 以 下 限 制 : 1) 高 溫 稀 少 磁 性 半 導 體 材 料 如 元 素 矽 或 III-V, II-VI 等 化 合 物 半 導 體, 均 似 陶 瓷 材 料, 原 子 以 共 價 或 離 子 鍵 結, 熔 點 沸 點 高, 且 為 求 元 件 耐 用, 亦 傾 向 選 高 機 械 強 度 者, 致 需 較 高 形 成 ( 沉 積 ) 溫 度. 但 高 溫 亦 限 制 反 應 室 需 用 耐 高 溫 材 料, 特 別 是 抗 熱 性 不 佳 之 真 空 密 封 材 料 如 o ring 需 做 好 冷 卻 設 計. 2) 低 壓 為 求 高 純 度, 反 應 多 於 低 壓 執 行, 且 在 半 導 體 產 業, 多 習 用 低 壓 化 學 氣 相 沉 積 (LPCVD) 長 多 晶 矽, 及 介 電 材 料 等 非 磊 晶 態, 不 需 高 溫, 在 較 低 溫 之 表 面 反 應 控 制 區 操 作, 將 系 統 壓 力 降 低, 使 質 傳 速 率 大 增, 則 膜 厚 均 勻 度 僅 與 表 面 反 應 速 率 及 表 面 沉 積 溫 度 有 關. 只 要 表 面 溫 度 精 確 控 制, 即 可 膜 厚 均 勻. 但 在 沈 積 化 合 物 半 導 體 的 MOVPE 磊 晶 製 程, 因 需 長 高 品 質 單 晶 的 要 求, 多 在 高 溫 的 質 傳 區 操 作, 但 低 壓 亦 有 如 下 好 處 : 1) 低 壓 可 避 免 先 驅 物 寄 生 (parasitic) 反 應, 如 三 乙 基 (triethyl) 金 屬 錯 合 物 在 常 壓 寄 生 反 應 十 分 99

100 嚴 重, 如 MOCVD InP, GaInAs, 當 三 乙 基 銦 (TEIn) 與 砷 烷 (AsH 3 ) 與 磷 烷 (PH 3 ) 即 易 在 常 壓 提 前 於 氣 相 反 應, 於 器 壁 產 生 高 分 子, 降 低 反 應 效 率. 2) 低 壓 可 促 使 反 應 傾 向 以 表 面 反 應 進 行, 如 以 DMZn 與 H 2 S 成 長 ZnS 之 反 應 3) 低 壓 可 促 使 選 擇 反 應 發 生, 當 壓 力 維 持 1 torr 時, III 族 先 驅 物 較 不 易 均 相 熱 解, 也 不 易 吸 附 至 介 電 材 料 阻 罩 (mask) 上, 而 僅 大 量 吸 附 及 成 核 於 GaAs 上. 4) torr 操 作 GaAs MOVPE 可 降 低 氫 吸 附 至 表 面, 提 高 薄 膜 品 質, 降 低 磊 晶 溫 度. 低 壓 MOCVD 亦 有 缺 點 : 1) 由 於 在 低 壓, 氣 體 分 子 碰 撞 頻 率 低, V 族 氫 化 物 不 易 熱 解, 需 通 入 高 V/III 比 率 2) 在 低 壓, 因 氫 氣 通 入 少, 先 驅 物 熱 解 不 完 全, 易 發 生 碳 污 染 3) 真 空 系 統 更 複 雜 因 為 化 學 氣 相 沈 積 有 很 多 個 參 數 會 影 響 沈 積 作 用, 如 反 應 溫 度 壓 力 反 應 物 流 量 晶 片 擺 置 的 位 置 和 反 應 物 的 混 合 比 例 都 是 對 是 否 能 沈 積 出 高 品 質 的 薄 膜 非 常 重 要 的 因 素 薄 膜 以 XRD, SEM, AES, ESCA, NMR 鑑 視 薄 膜 成 份, 結 構 的 控 制 及 各 元 素 在 膜 中 聚 集 與 分 散 狀 態 XRD X 射 線 繞 射 鑑 定 膜 結 晶 結 構, 晶 粒 擇 優 指 向, 平 均 粒 徑 ( 由 FWHM 知 ) AFM, SEM 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 觀 測 膜 表 面 紋 路 (surface morphology), 晶 粒 形 狀, 膜 斷 面 結 構 與 退 火 後 二 次 結 晶 與 晶 粒 成 長 現 象 AES & Depth Profiling AES(DPA) 俄 歇 電 子 光 譜 與 深 度 解 析 俄 歇 電 子 光 譜 量 測 膜 內 金 屬 元 素 與 氧 組 成 量 與 深 度 分 布 ESCA 電 子 光 譜 化 學 分 析 測 定 膜 內 過 渡 金 屬 2p 電 子 束 縛 能 波 峰 位 置 與 波 形, 化 學 位 移, 分 析 元 素 鍵 結 態, 價 電 子 環 境 與 價 位 四 極 電 阻 測 試 膜 電 性 Mn doped ZnO MOCVD 反 應 動 力 學 研 究 在 蒸 鍍 薄 膜 時, 分 析 反 應 條 件 如 : 蒸 鍍 系 統 總 壓, 輸 送 氣 體 流 量 ( 與 反 應 物 滯 流 時 間 有 關 ), 蒸 鍍 溫 度 (deposition temperature), 氧 氣 分 壓, 及 先 驅 物 乙 醯 丙 酮 族 化 鋅 蒸 氣 壓, 對 於 鍍 稀 少 磁 性 半 導 體 膜 速 率 之 影 響 以 建 立 初 級 動 力 學 模 型, 計 算 反 應 活 化 能, 尋 找 關 鍵 反 應 參 數, 並 確 定 速 率 控 制 步 驟 本 年 度 主 要 重 點 為 藉 由 緩 衝 層 對 成 長 單 晶 膜 應 用 於 Mn doped ZnO II-VI 族 膜 MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy, 有 機 金 屬 化 學 氣 相 磊 晶 ) 機 台 為 一 種 具 有 可 氣 相 沉 積 多 金 屬 元 素 氧 化 物 晶 體 的 反 應 裝 置, 可 在 沉 積 參 數 如 沉 積 溫 度, 腔 體 壓 力, 反 應 物 蒸 氣 流 量, 載 流 氣 體 流 量 上 調 整, 此 反 應 裝 置 可 以 電 阻 抗 接 觸 加 熱 或 紅 外 線 輻 射 非 接 觸 加 熱 等 方 式 向 被 鍍 基 材 傳 送 能 量, 引 發 附 著 於 基 材 表 面 之 有 機 金 屬 分 子 化 學 反 應. 沉 積 溫 度 可 藉 基 座 內 含 之 熱 電 偶 或 腔 外 紅 外 線 感 測 器 隨 時 量 測, 監 控 結 果 配 合 電 腦, 加 熱 能 量 輸 入 裝 置 形 成 封 閉 迴 路 控 制. 其 功 能 包 括 對 量 測 處 理 速 度 快 準 確 度 高 節 省 勞 力 及 系 統 整 合 之 優 點, 已 使 量 測 工 作 達 到 自 動 化 的 層 次 也 將 提 供 產 學 合 作 案 及 對 外 服 務 能 量, 應 用 效 益 十 分 寬 廣 且 配 合 本 校 新 近 成 立 之 電 漿 中 心 現 有 射 頻 電 漿 化 學 氣 相 沉 積 及 微 波 電 漿 化 學 氣 相 沉 積 系 統 ( 聚 昌 科 100

101 技 AST) 各 一 台, 貴 儀 中 心 現 有 X 射 線 繞 射 XRD (Rigaku D/Max 3000), 場 效 式 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 Field emission SEM/EDX (Jeol) 各 一 台, 進 行 協 同 研 究, 本 系 新 添 置 之 高 真 空 射 頻 濺 鍍 ( 如 圖 所 示 ) 形 成 微 米 級 ZnO 層, 以 上 所 得 各 結 構 均 以 AFM, FESEM 分 析 表 面 結 構, 配 合 UV-VIS 光 譜 儀 等 分 析 透 光 率, 反 射 率, 及 量 子 效 率 等. (a) target cleaning (b) Ar sputtering ZnO target High vacuum sputtering with plasma ignied, over 2 gun driven by rf power 五 預 期 完 成 之 工 作 項 目 及 成 果 本 計 畫 在 於 執 行 光 電 產 業 材 料 技 術 之 發 展, 建 立 光 電 材 料 製 程 之 基 本 能 量 協 助 產 業 界 建 立 自 給 自 足 之 設 計 與 製 程 能 力, 若 有 完 整 的 成 品 產 出, 將 可 不 必 再 受 限 於 日 本 同 時 可 與 產 業 界 合 作 技 術 移 轉 至 國 內 ( 一 ) 完 成 氣 相 沉 積 ZnO 膜, 尋 找 優 良 的 膜 製 程 窗 口. 對 製 程 參 數 與 ZnO 膜 能 隙 (Band gap ) 功 函 數 (work Function) 之 關 係, 及 基 礎 物 性 化 性 研 究, ( 二 ) 完 成 MOCVD 反 應 器, 濺 鍍 機 台 組 裝 及 測 試 ( 三 ) 完 成 薄 膜 蒸 鍍 並 取 得 最 適 製 程 條 件 ( 四 ) 薄 膜 成 份, 結 構, 光 學 電 學 性 質 之 測 試 ( 五 ) 對 鍍 ZnO 薄 膜 的 MOCVD 製 程, 執 行 基 礎 反 應 過 程 調 查 MOCVD 反 應 動 力 學 研 究 瞭 解 反 應 條 件 對 薄 膜 速 率 之 影 響, 進 行 分 析, 以 建 立 初 級 動 力 學 模 型, 尋 找 關 鍵 參 數 與 並 確 定 速 率 控 制 步 驟 ( 六 ) 開 發 LPCVD 技 術 與 裝 置 ( 七 ) 參 與 研 究 工 作 同 學 數 名, 使 其 具 備 化 學 氣 相 沉 積 相 關 知 識 與 實 驗 技 能 探 討 氧 化 物 CVD 製 程 中, 反 應 機 構, 先 驅 物 乙 醯 丙 酮 化 鋅 特 性 對 金 屬 元 素 含 量 之 影 響, 取 得 完 整 之 MOCVD 蒸 鍍 資 料 系 統, 做 為 未 來 開 發 相 關 元 件 技 術 參 考, 支 援 供 應 國 內 電 子 產 業 與 光 電,LED 等 中 下 游 相 關 產 業 現 與 北 部 研 究 機 構 及 半 導 體 / 光 電 廠 商 積 極 協 力 開 發 新 製 程, 設 計 具 新 功 能 之 電 漿 沉 積 及 表 面 改 質 反 應 器 探 討 MOCVD 製 程 中, 反 應 機 構, 先 驅 物 對 金 屬 元 素 含 量 之 影 響, 取 得 完 整 之 MOCVD 蒸 鍍 資 料 系 統, 做 為 未 來 開 發 相 關 元 件 技 術 參 考, 支 援 供 應 國 內 光 電 中 下 游 相 關 產 業 101

102 六 參 考 文 獻 1. Hitchman, M.L., and Jensen, K.F., Chemical vapor deposition, principles and applications, Academic press (1993). 2. Stringfellow, G.B., Organometallic vapor-phase-epitaxy: theory and practice, 2 nd ed, Academic press (1999). 3. Fotiadis, D.I., and Jensen, K.F., J. Cryst.Grow, 102, 743 (1990) 4. Fotiadis, D.I., and Jensen, K.F., J. Cryst.Grow, 100, 577 (1990) 5. Fotiadis, D.I., and Jensen, K.F., J. Cryst.Grow, 102, 441 (1990) 6. Moffat, H.K., and Jensen, K.F., J. Cryst.Grow, 77, 108 (1986) 7. Moffat, H.K., and Jensen, K.F., J. Cryst.Grow, 93, 594 (1988) 102

103 子 計 劃 六 : 以 微 弧 電 漿 技 術 進 行 鎂 鋰 合 金 防 蝕 之 研 究 ( 配 合 發 展 主 軸 五 : 金 屬 防 蝕 及 水 下 銲 接 之 應 用 ) 主 持 人 : 李 九 龍 103

104 一 近 五 年 內 主 持 人 主 要 研 究 成 果 說 明 (Journal paper) 1. 柯 世 宗. 葛 明 德. 胡 文 華. 李 九 龍 脈 衝 電 鑄 條 件 對 Ni-P 合 金 中 P 含 量 及 硬 度 之 影 響 ", 材 料 科 學 與 工 程 第 34 卷 第 4 期 第 267~271 頁 柯 世 宗. 李 九 龍. 葛 明 德. 胡 文 華 脈 衝 電 鍍 參 數 對 Ni-P 合 金 耐 蝕 性 之 研 究 防 蝕 工 程, 第 18 卷 第 3 期 第 267~272 頁 李 九 龍. 葛 明 德. 王 多 美. 詹 仕 源. 李 仁 智 電 鑄 條 件 鎳 鎢 合 金 性 質 影 響 之 研 究 " 材 料 科 學 與 工 程 第 36 卷 第 1 期 第 48~52 頁 李 九 龍. 鄭 吉 良 低 污 染 性 無 電 鍍 銅 可 行 性 之 研 究 " 龍 華 科 技 大 學 學 報 第 17 期 第 1~6 頁 Jeou-Long Lee, Chung-Ming Liu, etc. The Modification of Carbon Included Polyethylene Surface by Plasma Treatment for Metallizing Using a Low Pressure RF Discharge Plasma, Journal of Advanced Oxidation Technologies Vol. 8, No (SCI) (Conference paper) 1. 蕭 瑞 昌. 李 九 龍 以 超 過 濾 法 測 定 溶 液 中 金 屬 離 子 與 幾 丁 聚 醣 錯 合 平 衡 之 研 究 ", 2001 年 幾 丁 質 幾 丁 聚 醣 研 討 會, 第 頁 2001( 台 北 ) 2. 柯 世 宗. 葛 明 德. 胡 文 華. 李 九 龍 脈 衝 電 鑄 條 件 對 Ni-P 合 金 中 P 含 量 及 硬 度 之 影 響 ", 中 國 材 料 科 學 學 會 2001 年 材 料 年 會,P11-28( 台 中 中 興 大 學 ) 李 九 龍. 葛 明 德. 王 多 美. 詹 仕 源. 李 仁 智 電 鑄 條 件 鎳 鎢 合 金 性 質 影 響 之 研 究 ", 中 國 材 料 科 學 學 會 2001 年 材 料 年 會,P11-43( 台 中 中 興 大 學 ) 范 雲 智. 葛 明 德. 宋 鈺. 李 九 龍 以 非 均 溫 式 反 應 器 對 無 電 鍍 銅 鍍 速 之 研 究 ", 2002 年 化 工 年 會 與 國 科 會 化 工 學 門 研 究 成 果 發 表 會,( 嘉 義 中 正 大 學 ) 柯 世 宗. 葛 明 德. 王 樂 民. 胡 文 華. 李 九 龍 熱 處 理 條 件 Ni-P 合 金 的 硬 度 與 顯 微 結 構 之 影 響 ", 中 國 材 料 科 學 學 會 2002 年 材 料 年 會,PB-42( 台 北 台 灣 大 學 ) 李 九 龍. 程 偉 堃. 王 多 美. 林 柏 在. 宋 鈺 無 電 電 鍍 高 分 子 微 粒 之 研 究 ", 中 國 材 料 科 學 學 會 2002 年 材 料 年 會,PK-36( 台 北 台 灣 大 學 ) 李 九 龍. 鄭 吉 良. 范 雲 智. 葛 明 德. 宋 鈺 乙 醛 酸 無 電 鍍 銅 析 鍍 特 性 研 究 ", 中 國 材 料 科 學 學 會 2002 年 材 料 年 會,PK-31( 台 北 台 灣 大 學 ) 柯 世 宗. 王 樂 民. 李 九 龍. 林 振 裕. 葛 明 德 電 沉 積 Ni-W 合 金 之 耐 蝕 性 研 究 ", 中 國 防 蝕 工 程 學 會 論 文 發 表 會 B6 ( 墾 丁 ) 柯 世 宗. 李 九 龍. 王 多 美. 葛 明 德. 胡 文 華 脈 衝 電 鍍 參 數 對 Ni-P 合 金 耐 蝕 性 之 研 究, 中 國 防 蝕 工 程 學 會 論 文 發 表 會 B8( 墾 丁 ) 張 進 龍. 宋 鈺. 李 九 龍. 葛 明 德. 柏 宏 基. 吳 貞 欽 鎂 合 金 AZ31 矽 酸 鹽 陽 極 處 理 防 蝕 性 能 之 研 究, 中 國 防 蝕 工 程 學 會 論 文 發 表 會 C20( 墾 丁 )

105 11. 李 九 龍. 黃 再 志. 嚴 國 能. 王 多 美 化 學 還 原 法 製 備 鈷 微 粒 之 研 究, 中 國 材 料 科 學 學 會 2003 年 材 料 年 會 PG-011( 台 南 崑 山 科 大 ) 林 振 裕. 李 九 龍. 葛 明 德. 宋 鈺. 吳 俊 華. 陳 致 男. 戴 瑞 均 鈷 磷 合 金 微 粒 製 備 之 研 究, 中 國 材 料 科 學 學 會 2003 年 材 料 年 會 PH-109( 台 南 崑 山 科 大 ) 柯 世 宗. 李 九 龍. 侯 光 煦. 葛 明 德. 胡 文 華 Ni-P-SiC 複 合 電 鍍 之 研 究, 中 國 材 料 科 學 學 會 2003 年 材 料 年 會 PI-040( 台 南 崑 山 科 大 ) 程 偉 堃. 李 九 龍. 楊 光 絢. 張 進 龍. 宋 鈺. 葛 明 德 前 處 理 對 鎂 合 金 化 成 處 理 之 研 究, 中 國 材 料 科 學 學 會 2003 年 材 料 年 會 PI-044( 台 南 崑 山 科 大 ) 15. Lin, Y.-H. ; J.L Lee, M.D. Ger Conversion of high density polyethylene to hydrocarbons over MCM-41and cracking catalysts in a fluidized bed reactor 年 化 工 年 會 與 國 科 會 化 工 學 門 成 果 發 表 會,8-43 ( 台 北 ) 范 雲 智. 李 九 龍. 郭 隆. 葛 明 德. 宋 鈺 化 學 鍍 銅 在 非 均 溫 系 統 中 之 析 鍍 行 為 " 2003 年 化 工 年 會 與 國 科 會 化 工 學 門 成 果 發 表 會,2-21 ( 台 北 ) J.L. Lee, C.M. Liu, etc. Plasma treatment of polyethylene surface for metallizing by using an atmospheric pressure corona torch" The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology,pp ( 桃 園 龍 華 ) J.L. Lee, C.M. Liu, etc. The modification of polyethylene surface by plasma treatment for metallizing using a low pressure RF discharge plasma" The Third Asia-Pacific International Symposium on the Basic and Application of Plasma Technology,pp ( 桃 園 龍 華 ) 林 振 裕. 李 九 龍. 葛 明 德 以 氧 化 還 原 法 製 備 具 催 化 活 性 之 奈 米 鈷 磷 微 粒 第 22 屆 台 灣 區 觸 媒 與 反 應 工 程 研 討 會 第 58~63 頁 ( 大 溪 ) 程 偉 堃. 李 九 龍. 葛 明 德. 楊 光 絢. 李 訓 清 水 性 PU 強 化 鎂 合 金 耐 蝕 性 之 研 究 第 四 屆 海 峽 兩 岸 材 料 與 防 護 研 討 會 ( 南 投 ) 程 偉 堃. 劉 沖 明. 李 九 龍. 葛 明 德. 楊 光 絢 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 陽 極 處 理 之 研 究 第 四 屆 海 峽 兩 岸 材 料 與 防 護 研 討 會 ( 南 投 ) 程 偉 堃. 李 九 龍. 劉 沖 明. 王 建 義. 葛 明 德 鎂 鋰 合 金 LZ91 脈 衝 陽 極 處 理 電 化 學 腐 蝕 特 性 之 分 析 中 國 材 料 科 學 學 會 2004 年 材 料 年 會 PA4-012( 新 竹 ) 鄭 吉 良. 李 九 龍. 宋 鈺. 葛 明 德 化 學 添 加 劑 對 深 次 微 米 銅 導 線 填 孔 之 影 響 2004 年 化 工 年 會 與 國 科 會 化 工 學 門 成 果 發 表 會 02-04( 台 南 南 台 科 大 ) 李 逢 春. 胡 文 華. 李 九 龍. 宋 鈺. 葛 明 德 以 電 漿 表 面 PVC 表 面 改 質 提 昇 材 料 黏 著 性 之 研 究 2004 化 工 年 會 與 國 科 會 化 工 學 門 成 果 發 表 會 01-41( 台 南 南 台 科 大 )2004 ( 專 題 研 究 計 畫 ) 1. 李 九 龍, 高 分 子 正 溫 度 係 數 熱 敏 件 金 屬 化 製 成 開 發, 龍 華 科 技 大 學 李 九 龍, 桃 園 縣 南 崁 溪 流 域 汙 染 整 治 具 體 措 施 研 擬 與 管 制 計 畫 案 - 分 項 調 查 計 畫, 中 鼎 公 司 李 九 龍, 排 放 管 道 中 NOx SOx 等 汙 染 物 離 子 層 析 儀 分 析 之 可 行 性 之 研 究, 行 政 院 環 保 105

106 署 環 境 檢 驗 所 李 九 龍, 高 分 子 聚 苯 乙 烯 微 粒 鍍 鎳 金 屬 化 研 究, 龍 華 科 技 大 學 李 九 龍, 利 用 聚 電 解 質 以 薄 膜 過 濾 法 提 升 除 鹽 效 率 之 研 究, 行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 李 九 龍, 脈 衝 電 流 對 氨 基 磺 酸 鎳 電 鍍 內 應 力 影 響 之 研 究, 龍 華 科 技 大 學 李 九 龍, 電 鍍 條 件 對 鎳 鎢 合 金 電 鑄 影 響 之 研 究, 龍 華 科 技 大 學 2001 二 研 究 計 畫 之 背 景 及 目 的 最 近 十 幾 年 來, 全 球 資 訊 及 通 訊 業 的 迅 速 成 長,3C(Computer Communication Consumer Electronic Products) 產 品 具 有 可 攜 性, 因 此 輕 量 化 材 料 的 需 求 日 漸 增 加 1990 年 後, 能 源 與 環 保 方 面 的 考 量 逐 漸 為 人 們 所 重 視, 歐 美 日 甚 至 立 法 規 定, 要 求 能 源 耗 用 效 率 及 環 保 回 收 性 早 期 以 鋁 合 金 和 工 程 塑 膠 做 為 輕 量 化 的 主 要 材 料, 然 而 為 求 更 具 輕 量 化 及 環 保 可 回 收 性, 鎂 合 金 已 是 眾 所 期 待 的 焦 點 鎂 合 金 是 目 前 實 用 金 屬 材 料 中 最 輕 者, 具 有 下 列 特 性 [1]: (1). 質 量 輕 : 鎂 合 金 比 重 約 為 1.7, 為 鋅 的 1/4 鋼 的 1/5 鋁 合 金 的 2/3; (2). 比 強 度 高 : 將 可 取 代 傳 統 上 運 用 在 鋼 鑄 鐵 鋅 合 金 甚 至 鋁 合 金 的 地 方 ; (3). 散 熱 性 吸 震 性 佳 : 相 較 於 工 程 塑 膠 具 極 佳 之 吸 震 性 較 佳 的 機 械 強 度 及 抗 衝 擊 性 ; (4). 抗 電 磁 波 : 鎂 合 金 為 非 磁 性 金 屬, 本 身 具 防 電 磁 波 干 擾 特 性, 不 須 做 特 別 處 理 ; (5). 可 回 收 性 : 鎂 為 地 球 中 蘊 藏 第 8 多 的 元 素, 也 是 海 水 中 第 3 多 的 元 素, 來 源 不 虞 匱 乏, 回 收 之 鎂 合 金 於 650 左 右 可 熔 解, 再 生 所 須 之 能 量 低, 且 不 會 產 生 如 戴 奧 辛 般 之 污 染 物, 符 合 環 保 意 識 鎂 合 金 之 結 構 性 用 途 主 要 在 利 用 其 輕 量 化 特 點, 由 於 具 有 耐 熱 吸 震 質 輕 比 強 度 佳 加 工 及 回 收 容 易, 且 可 阻 隔 電 磁 波 干 擾 等 優 點, 因 此 在 工 業 產 品 上 漸 漸 被 廣 泛 應 用, 特 別 在 航 太 軍 事 與 電 子 設 備 之 應 用 目 前 鎂 合 金 的 應 用 產 業 以 汽 車 零 組 件 為 主, 其 次 為 3C 產 業, 其 他 像 自 行 車 器 材 工 具 運 動 用 品 及 航 太 國 防 也 都 在 其 應 用 範 圍 之 內, 如 表 1.1 所 示 此 外 手 工 具 亦 為 鎂 合 金 輕 質 特 性 之 另 一 廣 大 市 場 國 際 間 尤 其 是 歐 美 國 家, 主 要 將 鎂 合 金 應 用 在 汽 車 航 太 等 工 業, 而 我 國 為 3C 產 業 的 重 要 生 產 國, 鎂 合 金 則 多 應 用 於 3C 產 業 隨 著 國 內 筆 記 型 電 腦 全 球 佔 有 率 達 六 成 以 上, 有 機 會 成 為 鎂 合 金 筆 記 型 電 腦 機 殼 最 大 供 應 廠 商, 我 國 投 入 鎂 合 金 產 業 的 速 度 相 當 驚 人, 相 信 鎂 合 金 在 未 來 工 業 及 電 子 產 業 上, 將 會 佔 有 更 重 要 的 地 位 此 外, 輕 量 化 是 軍 品 性 能 要 求 重 點 項 目 之 一, 目 前 已 有 許 多 先 進 國 家 開 始 將 部 份 軍 品 載 具 更 換 為 鎂 鋁 合 金, 以 達 減 重 的 目 的, 而 國 軍 目 前 許 多 裝 備 以 鋁 合 金 及 鋼 材 為 主, 隨 著 鎂 合 金 的 不 斷 發 展, 預 估 將 會 逐 步 導 入 國 軍 各 項 研 發 之 產 品 上, 因 此, 其 成 形 後 之 表 面 處 理 技 術, 應 及 早 密 切 瞭 解 其 發 展 狀 況 與 趨 勢 表 1.1 鎂 合 金 應 用 領 琙 應 用 產 業 應 用 產 品 汽 車 零 件 車 座 支 架 儀 表 板 電 動 窗 馬 達 殼 體 油 門 踏 板 音 響 殼 體 後 視 鏡 架 電 子 通 訊 筆 記 型 腦 外 殼 MD 外 殼 行 動 電 話 外 殼 投 影 機 外 殼 數 位 相 機 VCD DVD 外 殼 PDPTV 外 殼 106

107 自 行 車 零 件 航 太 國 防 運 動 用 品 器 材 工 具 避 震 器 零 件 車 架 輪 圈 煞 車 手 把 航 空 用 通 信 器 和 雷 達 機 殼 飛 機 起 落 架 輪 殼 網 球 拍 滑 雪 板 固 定 器 球 棒 射 弓 之 中 段 與 把 手 手 提 電 動 鋸 機 殼 魚 釣 自 動 收 線 匣 相 機 機 殼 攝 錄 放 影 機 機 殼 鎂 的 標 準 還 原 電 位 爲 一 2.34V( 相 對 於 標 準 氫 電 極 ), 是 所 有 工 業 合 金 中 化 學 活 潑 性 最 高 的 金 屬, 即 使 在 室 溫 下 也 會 發 生 氧 化, 生 成 的 氧 化 膜 雖 對 基 材 有 一 定 的 保 護 作 用, 但 鎂 的 氧 化 膜 疏 鬆 多 孔, 鎂 及 鎂 合 金 會 呈 現 出 很 高 的 化 學 和 電 化 學 活 性 耐 蝕 性 差 成 爲 抑 制 其 發 揮 結 構 性 能 優 勢 的 一 個 主 要 因 素 因 此, 進 行 適 當 的 表 面 處 理, 增 強 其 耐 蝕 性 有 著 重 要 的 意 義 在 鎂 金 屬 中 添 加 比 重 較 輕 之 鋰 (Li) 元 素, 所 形 成 的 鎂 鋰 合 金, 其 比 重 約 只 有 鋁 合 金 的 1/2 由 於 鋰 的 添 加, 伴 隨 體 心 立 方 晶 (BCC) β 相 (Mg 固 溶 體 ) 的 產 生, 塑 性 加 工 性 可 大 幅 提 昇 [2] 而 最 密 六 方 晶 (HCP) 之 α 相 (Mg 固 溶 體 ) 內 之 晶 軸 比 (c/a ratio) 隨 之 減 少, 因 而 增 加 滑 移 能 力 [3~4], 且 由 於 體 心 立 方 晶 (BCC) β 相 (Li 固 溶 體 ) 的 出 現, 大 幅 增 加 合 金 之 冷 加 工 能 力 在 50 年 代 NASA 為 航 空 太 空 發 展 之 應 用, 開 發 了 以 LAl41 為 主 之 Mg-Li-Al 一 系 列 合 金 然 而 由 於 Li 價 昂 且 耐 蝕 性 欠 佳, 使 得 其 後 Mg-Li 合 金 之 發 展 停 滯 最 近 因 為 鎂 合 金 成 形 製 造 技 術 之 精 進, 以 及 3C 產 品 應 用 潛 力, 使 得 Mg-Li 合 金 再 度 受 到 矚 目 [5] 其 他 合 金 研 究 包 括 鎂 鋰 合 金 中 鈣 鈧 釔 金 屬 間 化 合 物 相 的 産 生, 可 以 提 高 熱 強 度 性 能 由 於 鎂 鋰 合 金 良 好 的 高 溫 性 能 剛 性 和 摩 擦 性 能, 它 將 以 新 的 纖 維 和 顆 粒 增 強 複 合 材 料 應 用 於 高 應 力 領 域 鎂 鋰 合 金 比 傳 統 鎂 合 金 擁 有 更 多 特 性, 舉 例 說 明 如 下 :[1~4] (1). 高 強 度.. 目 前 已 開 發 出 強 度 150Mpa 等 級 之 合 金, 為 傳 統 AZ31 鎂 合 金 之 1.5 倍, 若 換 算 成 比 強 度 則 高 達 1.9 倍 (2). 高 延 展 性 : 鎂 鋰 合 金 之 伸 長 率 高 達 40%, 為 傳 統 AZ31 鎂 合 金 之 4 倍, 可 輥 軋 薄 板 成 捲, 在 深 抽 成 形 (Deep Drawing) 的 過 程 中, 完 全 展 現 出 絕 佳 的 成 形 性 (3). 質 地 超 輕 : 因 為 鋰 的 添 加 緣 故, 比 重 僅 1.4~1.5, 約 為 傳 統 鎂 合 金 的 80% 及 鋁 合 金 之 半, 是 追 求 輕 薄 短 小 產 品 之 最 佳 選 擇 (4). 抗 震 能 力 強 : 由 於 鎂 鋰 合 金 是 一 種 雙 相 組 織 的 合 金 (Dual-Phase Alloy), 震 能 將 於 雙 相 組 織 間 的 不 完 全 傳 遞 而 逐 步 耗 盡, 更 因 此 加 強 了 鎂 合 金 的 吸 震 能 力 (5). 熱 傳 佳 : 由 於 鋰 原 子 本 身 之 擴 散 速 率 極 快, 它 的 添 加 自 然 提 高 了 鎂 合 金 的 熱 傳 導 率 (6). 比 熱 大.. 鋰 之 比 熱 為 僅 次 於 氫 之 元 素, 在 合 金 中 添 加 了 鋰, 勢 必 提 高 合 金 的 比 熱, 意 味 著 在 有 限 熱 量 挹 注 下 之 升 溫 將 相 對 和 緩 (7). 耐 蝕 性 : 鎂 鋰 合 金 及 傳 統 鎂 合 金 的 表 面 耐 蝕 性 均 不 甚 佳, 須 作 表 面 防 護 措 施, 以 提 升 壽 命 和 美 觀 由 上 所 述, 鎂 合 金 雖 擁 有 許 多 不 錯 的 物 理 特 性, 但 其 化 性 極 為 活 潑, 易 發 生 腐 蝕 現 象, 而 鎂 鋰 合 金 比 一 般 的 鎂 合 金 更 為 活 潑, 耐 蝕 性 更 差 此 特 性 限 制 了 鎂 合 金 的 廣 泛 應 用, 而 耐 磨 和 耐 蝕 性 能 的 提 高 主 要 決 定 於 表 面, 所 以 如 何 提 高 鎂 合 金 表 面 的 性 能, 一 直 為 國 內 外 學 者 研 究 的 焦 點 然 而 鎂 合 金 表 面 處 理 之 技 術 並 未 隨 鎂 合 金 在 市 場 上 之 蓬 勃 發 展 而 有 更 大 之 突 破 早 期 含 鉻 的 表 面 處 理 技 術 已 無 法 符 合 環 保 及 性 能 上 的 需 求 為 提 升 鎂 合 金 使 用 價 值 且 兼 具 環 保 觀 念, 非 鉻 系 處 理 腐 蝕 保 護 具 耐 磨 耗 及 基 於 美 觀 裝 飾 之 表 面 處 理, 皆 為 目 前 與 未 來 亟 待 發 107

108 展 及 解 決 之 問 題 目 前 鎂 合 金 的 表 面 處 理 技 術 主 要 有 化 成 處 理 陽 極 處 理 電 鍍 無 電 鍍 電 子 束 合 金 化 雷 射 合 金 化 物 理 氣 相 沉 積 和 熔 射 技 術 等 [6~7.] 有 關 鎂 合 金 表 面 處 理 技 術 發 展 及 相 關 之 文 獻 分 述 如 下 : 化 成 處 理 乃 利 用 金 屬 與 溶 液 間 之 化 學 反 應, 在 表 面 產 生 不 溶 解 無 機 鹽 之 表 面 薄 膜, 使 其 較 原 始 基 材 具 更 佳 之 防 蝕 性, 並 可 提 高 塗 裝 之 附 著 性 鎂 合 金 之 化 成 處 理 包 括 鉻 酸 鹽 磷 酸 鹽 錳 酸 鹽 及 釩 酸 鹽 等 早 期 化 成 處 理 以 鉻 系 為 主 [8~10], 但 近 年 來 環 境 保 育 觀 念 日 漸 增 加 和 法 規 的 制 定, 嚴 格 限 制 具 有 毒 性 的 六 價 鉻 的 使 用 因 此 鎂 合 金 非 鉻 系 化 成 處 理 [11~14] 勢 必 成 為 未 來 發 展 的 主 流 另 外 主 持 人 等 [15~16] 以 釩 酸 鹽 溶 液 對 鎂 合 金 AZ31 進 行 化 成 處 理, 並 利 用 水 性 PU 進 行 化 成 膜 的 封 孔 來 探 討 對 鎂 合 金 耐 蝕 性 的 影 響, 由 實 驗 中 結 果 發 現, 陽 離 子 型 水 性 PU 擁 有 良 好 的 附 著 性, 可 保 護 鎂 合 金 底 材 有 效 達 到 封 孔 的 效 果 此 外, 最 近 亦 有 人 利 用 鈰 镧 镨 等 稀 土 元 素 進 行 化 成 處 理 研 究 [17], 亦 有 不 錯 的 效 果 電 子 束 合 金 化 處 理 [18] 是 藉 由 電 子 束 能 量 產 生 非 常 小 的 熔 池, 而 使 噴 覆 層 和 基 材 混 合 反 應 生 成 介 金 屬 化 合 物 雷 射 合 金 化 [19] 是 雷 射 加 工 應 用 之 一, 是 將 雷 射 能 量 變 換 為 熱 能 而 加 工, 當 雷 射 功 率 密 度 高 時 溫 度 升 高 恰 足 以 熔 融 噴 覆 材 料 和 基 材 物 理 氣 相 沉 積 [20] 屬 於 離 子 加 工 方 式 之 一, 主 要 是 利 用 離 子 束 衝 擊 固 體 表 面, 侵 入 固 體 中 的 離 子 因 衝 撞 而 從 表 面 敲 出 靶 原 子 而 引 起 濺 散 (Sputtering) 現 象 熔 射 技 術 [21] 是 將 材 料 加 溫 熔 融 後 以 高 壓 氣 體 使 成 細 霧 狀, 噴 覆 於 基 材 表 面 電 鍍 [22] 的 主 要 目 的 在 改 變 基 材 的 表 面 性 質, 提 高 硬 度 耐 磨 耗 性 耐 腐 蝕 性 光 澤 美 觀 及 工 程 零 件 之 尺 寸 修 補 用 途 無 電 鍍 表 面 處 理 [23] 乃 不 需 提 供 電 源 於 含 有 欲 鍍 金 屬 離 子 之 水 溶 液 中, 於 適 當 控 制 之 操 作 條 件 下, 利 用 催 化 現 象 與 還 原 劑 及 水 溶 液 之 金 屬 離 子 經 化 學 反 應 還 原 為 金 屬, 所 進 行 之 一 種 連 續 性 自 身 催 化 性 之 表 面 處 理 法, 其 鍍 層 均 勻, 不 易 產 生 銳 邊 及 角 節 狀 鍍 層, 鍍 層 孔 隙 率 較 低 且 耐 蝕 性 優 於 電 鍍 鍍 層 然 而 為 兼 顧 處 理 成 本 與 耐 蝕 性 能, 陽 極 處 理 為 鎂 合 金 最 有 發 展 的 表 面 處 理 法, 目 前 在 工 業 上 扮 演 極 重 要 角 色, 其 技 術 仍 是 各 國 進 行 研 發 的 方 向 和 主 題 陽 極 處 理 是 以 工 件 為 陽 極, 在 外 加 電 壓 的 作 用 下, 於 一 定 溫 度 的 溶 液 中 進 行 電 化 學 反 應, 在 工 件 表 面 產 生 氧 化 膜, 此 膜 具 有 耐 蝕 絕 緣 耐 磨 及 裝 飾 等 特 性 早 期 商 業 陽 極 處 理 液, 大 多 為 鉻 酸 系 之 陽 極 處 理 液, 例 如 Dow9 及 Dow17, 但 六 價 鉻 及 鉻 酸 鹽 不 但 對 人 體 有 害, 並 且 對 環 境 的 污 染 也 非 常 嚴 重 歐 盟 已 制 定 相 關 法 規,ROHs(Restriction of the use of certain hazardous substance in electrical and electronic equipment) 公 佈 2006 年 應 完 成 六 價 鉻 的 取 代, 並 獲 得 美 國 與 日 本 兩 工 業 國 同 意, 更 提 出 LCA(Life Cycle Assessment) 觀 點, 亦 即 ; 從 製 品 的 製 造 過 程 內 必 須 排 除 含 有 六 價 鉻 的 有 害 物 質 因 此, 國 內 外 許 多 學 者 開 始 使 用 污 染 性 較 低 之 磷 酸 鹽 鋁 酸 鹽 及 矽 酸 鹽 等 金 屬 鹽 類 做 為 研 究 對 象 [24~32] Kobayashi 等 人 [33] 使 用 矽 酸 碳 酸 氫 氧 化 鈉 為 主, 添 加 硼 酸 鈉 氟 化 鈉 磷 酸 鹽 或 鉻 酸, 得 到 比 Dow17 更 好 抗 蝕 性 之 白 色 及 灰 綠 色 陽 極 膜 Schmeling 等 人 [34] 以 氟 酸 磷 酸 硼 酸 陽 極 液 並 以 氫 氧 化 銨 調 整 ph 值 為 弱 鹼 性, 並 以 交 流 電 進 行 陽 極 處 理, 可 得 到 磷 酸 鎂 氟 化 鎂 氯 化 鎂 或 少 量 鋁 酸 鎂 之 陽 極 膜 Barton 等 人 [35] 以 氫 氧 化 鈉 為 主, 添 加 不 同 鹽 類, 如 鋁 酸 鹽 磷 酸 鹽 氟 化 物 等, 觀 察 陽 極 膜 的 變 化 及 耐 蝕 性 Suzuki Mitsuo 等 人 [36] 以 磷 酸 鹽 鋁 酸 鹽 及 過 氧 化 有 機 安 定 劑 為 溶 液, 進 行 陽 極 處 理 Mizuno Suaumu 等 人 [37] 以 Silicate Carboxylic Acid 鹼 金 屬 化 合 物 及 氟 化 物, 陽 極 處 理 後 可 得 無 色 或 有 色 陽 極 膜 Zhang 等 人 [38] 以 矽 酸 鈉 氫 氧 化 鈉 硼 砂 及 碳 酸 鈉 所 配 製 的 溶 液, 強 調 該 溶 液 具 有 低 污 染 且 陽 極 膜 具 良 好 的 耐 蝕 性 Bonilla 等 人 [39] 在 鹼 性 磷 酸 鹽 溶 液 中, 探 討 陽 極 膜 的 生 長 機 制, 發 現 陽 極 膜 隨 電 壓 增 加, 表 面 由 細 緻 變 108

109 粗 糙, 孔 徑 由 小 逐 漸 變 大 張 永 君 等 人 [40~42] 採 用 鹼 性 電 解 液, 以 矽 酸 鹽 硼 酸 鹽 碳 酸 鹽 等 物 質 爲 添 加 劑 對 AZ91D 鎂 合 金 進 行 了 陽 極 氧 化 處 理 該 方 法 得 到 的 氧 化 膜 呈 銀 灰 色 均 勻 光 滑, 可 以 進 行 著 色 封 孔 及 有 機 物 雖 然 如 上 述 有 眾 多 研 究 成 果 發 表, 但 目 前 非 鉻 酸 陽 極 膜 其 耐 蝕 性 及 可 靠 性 仍 難 以 與 鉻 酸 系 陽 極 處 理 膜 相 比, 因 此 技 術 尚 未 普 及 目 前 市 場 上 能 使 用 的 不 多, 主 要 被 提 出 的 有 : Magoxid-Coat 製 程 Among 製 程 HAE 法 及 Tagnite8200 法 等 三 種 商 業 化 製 程 [29~30,43~44] 因 傳 統 的 化 學 氧 化 和 陽 極 氧 化 之 氧 化 膜 較 薄 硬 度 低 耐 蝕 性 差 及 污 染 環 境 等 問 題, 而 難 以 滿 足 耐 蝕 和 環 保 的 要 求, 於 是 近 年 來 世 界 先 進 國 家 開 始 重 視 微 弧 電 漿 技 術 的 研 究 微 弧 電 漿 電 化 學 表 面 處 理 技 術 (Micro-Arc Plasmo-Electrolytic Treatment (MAPET)) 以 下 簡 稱 微 弧 電 漿 技 術, 是 一 獨 特 的 新 興 處 理 技 術 技 術 特 點 主 要 是 1. 微 弧 氧 化 陽 極 處 理 乃 將 Al Mg Ti Zr 等 金 屬 或 合 金 置 於 電 解 液 中, 於 強 電 場 作 用 下, 陽 極 出 現 放 電 (spark) 及 微 弧 (Micro-Arc) 現 象, 微 弧 區 瞬 間 高 溫 燒 結 作 用 導 致 金 屬 表 面 陶 瓷 相 之 氧 化 物 形 成 2. 微 弧 氧 化 將 傳 統 陽 極 處 理 氧 化 之 電 壓 由 幾 十 伏 特 提 升 到 近 千 伏 特, 使 工 件 表 面 出 現 火 花 放 電 及 微 弧 放 電 現 象, 對 工 件 表 面 氧 化 層 進 行 電 漿 (Plasma) 之 高 溫 高 壓 處 理, 使 非 結 晶 氧 化 層 發 生 相 位 結 構 轉 變, 形 成 陶 瓷 狀 氧 化 膜 這 個 過 程 也 被 人 稱 為 Micro-Arc Oxidation,MAO, Plasma Electrolytic Oxidation(PEO) Microarc Discharge Oxidation(MDO) Microplasmic Process ANOF-process (Anodischen Oxidation Unter Funkenentladung) Spark Discharge Oxidation[45] 等 雖 然 有 不 同 技 術 名 稱, 但 是 微 弧 電 漿 技 術 基 本 應 用 原 理 是 相 同 的, 皆 是 在 具 有 形 成 高 介 電 值 之 金 屬 表 面 上 產 生 電 漿 效 應, 利 用 直 流 或 交 流 電 壓 控 制, 對 於 處 於 陽 極 之 工 件 進 行 水 溶 液 電 漿 處 理 在 控 制 電 流 條 件 下 進 行 微 電 弧 電 漿 氧 化 過 程, 基 本 上, 工 件 表 面 將 會 經 歷 四 個 不 同 之 氧 化 階 段 ( 圖 一 )[46] (1). 在 固 定 電 流 控 制 下, 工 件 初 期 電 壓 會 快 速 上 升, 如 同 傳 統 陽 極 處 理, 絕 大 部 份 電 流 皆 消 秏 在 表 面 氧 化 膜 的 形 成 (2). 電 壓 上 升 趨 勢 逐 漸 減 緩, 表 面 開 始 出 現 氣 泡, 同 時 可 發 現 白 色 光 點 在 工 件 表 面 閃 爍 (3). 電 壓 又 重 現 逐 步 上 升 趨 勢, 氧 化 速 率 慢 慢 升 高, 氧 化 膜 結 構 出 現 再 結 晶 跡 象 在 高 電 壓 影 響 下, 局 部 區 域 開 始 發 生 穿 隧 離 化 現 象 (Tunneling Ionization) (4). 當 電 壓 再 進 一 步 上 升, 達 到 表 面 介 電 層 崩 潰 電 壓, 穿 隧 離 子 化 效 應 慢 慢 發 展 為 熱 離 子 化 效 應 (Thermal Ionization) 工 件 底 材 表 面 原 子 或 電 解 溶 液 分 子 或 離 子 經 高 壓 加 速 之 電 子 撞 擊 釋 放 出 更 多 電 子, 再 繼 續 進 行 撞 擊 其 它 分 子, 此 所 謂 Cascading 快 速 加 成 現 象, 導 致 局 部 高 熱 ( 可 達 數 千 ) 及 微 電 弧 放 電 之 電 漿 反 應, 在 表 面 同 時 可 觀 察 到 大 量 氧 氣 氣 泡 釋 出 ( 圖 二 ) [46] 經 高 溫 熱 熔 之 金 屬 底 材 溢 向 電 解 溶 液, 與 溶 液 成 份 反 應, 形 成 表 面 氧 化 膜 109

110 圖 一. 微 弧 電 漿 電 化 學 處 理 過 程 電 壓 隨 時 間 變 化 趨 勢 及 表 面 膜 變 化 狀 況 圖 二. 電 解 液 中 金 屬 表 面 發 生 電 漿 反 應 示 意 圖 微 弧 電 漿 氧 化 處 理 技 術 其 主 要 優 勢 就 是 整 個 流 程 相 當 簡 單, 工 件 毋 需 酸 洗 或 去 脂 前 處 理 或 封 孔 電 著 等 後 處 理 步 驟 由 於 處 理 步 驟 簡 化, 只 需 電 解 槽 及 水 洗 潤 濕 槽, 所 以 佔 地 面 積 將 可 降 低 ; 同 時 製 程 使 用 之 水 量 可 大 幅 減 少, 後 續 排 放 處 理 成 本 也 可 相 對 降 低 電 解 液 主 要 成 分 為 鹼 液 及 矽 酸 鹽 等 無 毒 性 溶 液, 進 料 成 本 低 溶 液 不 具 腐 蝕 性, 且 配 置 及 維 護 容 易, 最 重 要 的 是 對 環 境 不 會 造 成 傷 害, 只 需 中 和 後 即 可 排 放 微 弧 電 漿 氧 化 處 理 技 術 的 主 要 特 點 有 [47]: (1). 孔 隙 率 低, 膜 層 有 良 好 的 耐 蝕 性 能 ; (2). 微 弧 電 漿 氧 化 直 接 把 基 材 金 屬 氧 化 燒 結 成 氧 化 物 陶 瓷 膜, 與 基 材 緊 密 結 合, 不 易 脫 落 ; (3). 對 材 料 的 適 應 性 寬, 除 鋁 合 金 外, 還 能 在 鎂 鈦 Zr Ta 及 Nb 等 金 屬 及 其 合 金 表 面 生 長 陶 瓷 層 (4). 能 在 內 外 表 面 生 成 均 勻 膜 層, 擴 大 了 微 弧 電 漿 氧 化 的 適 用 範 圍 ; 110

111 (5). 陶 瓷 層 厚 度 易 於 控 制, 最 大 厚 度 可 達 200~300µm; 早 在 一 百 年 前, 水 溶 液 中 的 放 電 現 象 即 已 為 人 所 觀 察 知 悉 [48], 之 後 雖 有 零 星 研 究 與 專 利 [49~51], 但 直 至 八 十 年 代 才 被 大 量 嘗 試 應 用 在 工 業 的 金 屬 表 面 處 理 上 八 十 年 代 在 俄 國 與 德 國 開 始 分 別 獨 立 進 行 研 究, 俄 國 以 Markov[52] 為 代 表, 德 國 則 以 Kurze[53] 為 代 表, 另 外 美 國 及 大 陸 均 有 學 者 投 入 這 方 面 研 究 [54~57], 大 陸 的 研 究 者 如 張 欣 宇 [58~60] 薛 文 斌 [61~63] 及 蔣 百 靈 [64~67] 等 對 微 弧 電 漿 技 術 均 有 相 當 的 研 究 成 果 但 目 前 大 部 分 研 究 均 集 中 在 鋁 合 金 上 [68~71], 而 對 鎂 合 金 研 究 較 少, 並 且 以 現 象 和 結 果 分 析 為 主, 其 結 論 大 同 小 異, 關 於 陽 極 氧 化 過 程 中 電 擊 穿 理 論 的 研 究 極 少 Zozulin 等 [72] 以 KF,K 2 SO 4 等 為 溶 液, 在 340V 電 壓 下, 對 AZ91Dr 及 ZE41D 進 行 微 弧 電 漿 氧 化 表 面 處 理, 研 究 結 果 顯 示 鎂 合 金 陽 極 火 花 沈 積 膜 具 有 較 高 耐 蝕 性, 並 可 使 耐 磨 絕 緣 等 性 能 都 得 到 提 高, 是 一 種 很 有 前 途 的 鎂 合 金 表 面 處 理 技 術 薛 文 斌 等 人 [61~63]J 在 NaAlO 2 溶 液 中, 對 MB15 鎂 合 金 進 行 了 微 弧 電 漿 氧 化 處 理, 得 到 了 緻 密 的 氧 化 膜 層, 同 基 體 結 合 良 好, 膜 層 的 主 要 組 成 爲 立 方 結 構 的 Mg0 和 MgAl 2 O 4, 蔣 百 靈 等 人 [64~67] 採 用 以 矽 酸 鈉 爲 主 的 電 解 液 體 系 對 MB8 鎂 合 金 進 行 了 微 弧 電 漿 氧 化 處 理, 利 用 SEM,XRD 等 分 析 手 段, 研 究 了 微 弧 電 漿 氧 化 陶 瓷 層 的 生 長 規 律, 分 析 了 微 弧 電 漿 氧 化 條 件 下 氧 化 鎂 膜 層 緻 密 性 和 相 結 構 與 處 理 時 間 的 關 係 結 果 顯 示 膜 層 主 要 由 MgO,MgSiO 3,MgA1 2 O 4, 和 無 定 形 相 組 成 國 內 工 研 院 材 料 所 亦 有 相 關 研 究 [46,73], 研 究 結 果 顯 示 : 在 微 電 弧 氧 化 處 理 的 溶 液 中, 加 入 鋁 的 磷 酸 鹽 或 硫 酸 鹽 與 鎂 共 同 氧 化 形 成 Mg-Al-O 化 合 物 覆 膜 由 於 微 電 弧 氧 化 過 程 所 產 生 之 高 活 性 電 漿 與 高 溫 共 同 作 用, 使 得 鎂 表 面 形 成 一 層 陶 瓷 結 構 的 氧 化 膜, 具 備 極 佳 的 耐 蝕 性 與 硬 度 ( Hv) 主 持 人 長 期 與 國 防 大 學 中 正 理 工 學 院 中 山 科 學 研 究 院 進 行 合 作 研 究, 在 鎂 合 金 之 化 成 處 理 及 陽 極 處 理 上 已 有 相 當 之 成 果 [15~16,74~76], 主 持 人 等 曾 針 對 鎂 合 金 AZ31 作 陽 極 處 理 [74], 探 討 陽 極 處 理 液 中 改 變 偏 矽 酸 鹽 檸 檬 酸 鹽 氫 氧 化 鈉 及 磷 酸 鹽 等 濃 度 對 鎂 合 金 防 蝕 效 果 的 影 響 結 果 顯 示, 偏 矽 酸 鈉 檸 檬 酸 鉀 及 氫 氧 化 鈉 含 量 愈 高 對 阻 抗 愈 好, 且 檸 檬 酸 鉀 及 氫 氧 化 鈉 的 濃 度 對 皮 膜 耐 蝕 性 影 響 最 為 顯 著 另 外 主 持 人 等 以 釩 酸 鹽 溶 液 對 鎂 合 金 AZ31 進 行 化 成 處 理 [15~16], 並 利 用 水 性 PU 進 行 化 成 膜 的 封 孔 來 探 討 對 鎂 合 金 耐 蝕 性 的 影 響, 由 實 驗 中 結 果 發 現, 陽 離 子 型 水 性 PU 擁 有 良 好 的 附 著 性, 可 保 護 鎂 合 金 底 材 有 效 達 到 封 孔 的 效 果 最 近 一 年, 主 持 人 將 研 究 重 心 置 於 鎂 鋰 合 金 上, 由 於 鎂 鋰 合 金 之 耐 蝕 性 為 所 有 鎂 合 金 中 最 差, 且 有 關 提 昇 鎂 鋰 合 金 耐 蝕 性 之 研 究, 文 獻 發 表 相 當 少 見, 十 分 值 得 學 校 投 入 精 力 研 發 與 深 入 探 討 由 於 微 弧 電 漿 氧 化 具 有 上 述 優 點, 故 本 計 畫 乃 利 用 微 弧 電 漿 氧 化 來 探 討 對 鎂 鋰 合 金 之 表 面 處 理, 以 期 待 獲 得 較 佳 之 結 果 因 此 可 預 期 在 提 高 電 壓 至 微 弧 電 漿 氧 化 狀 態 下, 應 會 產 生 較 佳 之 耐 蝕 性 而 在 微 弧 電 漿 狀 態 下 產 生 之 電 漿 現 象 方 面, 亦 為 主 持 人 專 長 研 究 之 領 域, 故 本 計 畫 在 執 行 結 果 上 預 期 應 有 良 好 之 成 效 綜 觀 上 述, 微 弧 電 漿 氧 化 表 面 處 理 在 輕 金 屬 的 應 用 上 是 一 極 具 潛 力 的 新 興 技 術, 由 於 其 優 異 的 抗 蝕 性 及 硬 度, 使 得 輕 金 屬 在 講 求 輕 量 化 的 設 計 中 能 開 拓 更 寬 廣 的 用 途 然 而 本 研 究 因 受 限 於 儀 器 設 備, 初 步 之 操 作 條 件 僅 能 侷 限 於 100V 以 內, 再 加 上 投 入 十 分 有 限, 雖 有 初 步 成 果, 也 發 現 操 作 條 件 對 氧 化 膜 成 長 機 制 影 響 很 大, 但 相 關 研 究 未 臻 理 想, 改 善 空 間 仍 很 寬 廣 本 系 預 計 在 今 年 度 將 添 購 高 電 壓 之 脈 衝 電 源 供 應 器 (450V), 可 預 期 在 提 高 電 壓 至 微 弧 電 漿 氧 化 狀 態 下, 應 會 產 生 較 佳 之 耐 蝕 性 而 在 微 弧 電 漿 狀 態 下 產 生 之 電 漿 現 象 方 面, 亦 為 111

112 主 持 人 專 長 研 究 之 領 域, 故 本 計 畫 未 來 在 執 行 結 果 上 預 期 應 有 良 好 之 成 效 因 此 本 計 畫 利 用 微 弧 電 漿 氧 化 法 進 行 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 表 面 處 理, 以 實 驗 計 畫 法 探 討 直 流 交 流 或 脈 衝 電 源 條 件 下, 改 變 不 同 成 分 電 流 密 度 電 壓 時 間 溫 度 負 載 循 環 及 頻 率 等 變 數, 對 陽 極 膜 各 項 性 質 之 影 響, 並 利 用 SEM FSEM-EDS EPMA TEM 及 XRD 觀 察 與 分 析 表 面 型 態 化 學 組 成 成 長 機 制 微 結 構 及 相 結 構, 再 利 用 鹽 霧 試 驗 及 電 化 學 阻 抗 頻 譜 (EIS) 來 分 析 氧 化 膜 耐 蝕 之 效 果, 以 獲 得 微 弧 電 漿 氧 化 處 理 鎂 鋰 合 金 材 料 最 適 化 之 操 作 條 件 三 目 前 已 有 與 計 畫 相 關 之 基 礎 與 成 果 3.1 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 論 文 發 表 1. 張 進 龍. 宋 鈺. 李 九 龍. 葛 明 德. 柏 宏 基. 吳 貞 欽 鎂 合 金 AZ31 矽 酸 鹽 陽 極 處 理 防 蝕 性 能 之 研 究, 中 國 防 蝕 工 程 學 會 論 文 發 表 會 C20( 墾 丁 ) 程 偉 堃. 李 九 龍. 楊 光 絢. 張 進 龍. 宋 鈺. 葛 明 德 前 處 理 對 鎂 合 金 化 成 處 理 之 研 究, 中 國 材 料 科 學 學 會 2003 年 材 料 年 會 PI-044( 台 南 崑 山 科 大 ) 3. 程 偉 堃. 李 九 龍. 葛 明 德. 楊 光 絢. 李 訓 清 水 性 PU 強 化 鎂 合 金 耐 蝕 性 之 研 究 第 四 屆 海 峽 兩 岸 材 料 與 防 護 研 討 會 ( 南 投 ) 程 偉 堃. 劉 沖 明. 李 九 龍. 葛 明 德. 楊 光 絢 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 陽 極 處 理 之 研 究 第 四 屆 海 峽 兩 岸 材 料 與 防 護 研 討 會 ( 南 投 ) 程 偉 堃. 李 九 龍. 劉 沖 明. 王 建 義. 葛 明 德 鎂 鋰 合 金 LZ91 脈 衝 陽 極 處 理 電 化 學 腐 蝕 特 性 之 分 析 中 國 材 料 科 學 學 會 2004 年 材 料 料 年 會 PA4-012( 新 竹 ) 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 設 備 (1). 鹽 水 噴 霧 試 驗 機 : 利 寶 展,ST-BZ-7 (2). 矽 控 整 流 器 : 國 橋,PRD (3). 恆 溫 冷 凍 循 環 水 浴 器 : Julabo,F20-HC (4). 膜 厚 計 : KARL DEUTSCH,LEPTOSKOP 2040 (5). 交 流 阻 抗 測 試 系 統 : 恆 電 位 儀 (Potentiostat, EG&G PARC, Model 263,U.S.A.) 配 合 頻 率 響 應 分 析 儀 (Frequency Response Analyzer, EG&G PARC, Model 1025, U.S.A.) (6). 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (FESEM): JEOL-6500F (7). 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (TEM): JEOL JEM-4000FX (8).X 光 繞 射 儀 (XRD): Philips PW1830 搭 配 PW1820 及 PW1710 四 研 究 方 法 進 行 步 驟 及 執 行 進 度 第 一 年 (1). 在 直 流 / 交 流 電 源 條 件 下, 配 製 各 種 不 同 成 份, 包 含 鋁 酸 鹽 矽 酸 鹽 磷 酸 鹽 及 檸 檬 酸 鹽 處 理 溶 液 進 行 微 弧 電 漿 氧 化 實 驗, 以 選 擇 適 當 組 成 112

113 (2). 以 選 擇 適 當 組 成 溶 液 濃 度 為 參 數, 探 討 各 成 分 對 陽 極 膜 耐 蝕 之 影 響 (3). 以 溫 度 電 流 密 度 時 間 及 電 壓 參 數, 進 行 各 操 作 因 素 的 探 討 (4) 依 據 ASTM-B117 之 規 範 進 行 皮 膜 鹽 霧 試 驗 (5) 以 電 化 學 阻 抗 頻 譜 (EIS) 量 測 皮 膜 之 腐 蝕 阻 抗 值 (R p ) 第 二 年 (1) 在 脈 衝 電 源 條 件 下, 以 選 擇 適 當 組 成 溶 液 濃 度 為 參 數, 探 討 各 成 分 對 陽 極 膜 耐 蝕 之 影 響 (2) 以 溫 度 電 流 密 度 時 間 電 壓 負 載 循 環 及 頻 率 為 參 數, 進 行 各 操 作 因 素 的 探 討 (3) 依 據 ASTM-B117 之 規 範 進 行 皮 膜 鹽 霧 試 驗 (4) 以 電 化 學 阻 抗 頻 譜 (EIS) 量 測 皮 膜 之 腐 蝕 阻 抗 值 (R p ) 第 三 年 (1) 以 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 及 X-Ray 繞 射 儀 (XRD) 進 行 陽 極 膜 表 面 形 貌 觀 察 及 組 成 分 析 (2). 以 電 子 微 探 儀 (EPMA) 化 學 分 析 影 像 能 譜 儀 (ESCA) 及 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (TEM) 進 行 化 學 組 成 成 長 機 制 微 結 構 之 分 析 五 預 期 完 成 之 工 作 項 目 及 成 果 6.1 預 期 完 成 之 工 作 項 目 第 一 年 (1). 完 成 微 弧 電 漿 氧 化 處 理 系 統 及 相 關 設 備 之 建 立 (2). 完 成 在 直 流 / 交 流 電 源 條 件 下, 不 同 操 作 條 件 下 各 參 數 對 鎂 鋰 合 金 陽 極 膜 之 分 析 (3). 完 成 鎂 鋰 合 金 陽 極 膜 之 腐 蝕 阻 抗 值 (R p ) 量 測 (4). 完 成 鎂 鋰 合 金 陽 極 膜 之 鹽 霧 試 驗 (5). 完 成 數 據 整 理 及 分 析 比 較 (6). 完 成 研 究 報 告 及 成 果 發 表 第 二 年 (1). 完 成 在 脈 衝 電 源 條 件 下, 以 適 當 組 成 溶 液 濃 度 為 參 數 對 陽 極 膜 耐 蝕 之 影 響 (2). 完 成 鎂 鋰 合 金 陽 極 膜 之 腐 蝕 阻 抗 值 (R p ) 量 測 (3). 完 成 鎂 鋰 合 金 陽 極 膜 之 鹽 霧 試 驗 (4). 完 成 不 同 封 孔 處 理 對 陽 極 膜 之 影 響 (5). 完 成 數 據 整 理 及 分 析 比 較 (6). 完 成 研 究 報 告 及 成 果 發 表 第 三 年 (1). 完 成 鎂 鋰 合 金 陽 極 膜 表 面 形 貌 觀 察 微 觀 結 構 及 組 成 分 析 (2). 完 成 鎂 鋰 合 金 陽 極 膜 表 面 化 學 組 成 成 長 機 制 微 結 構 之 分 析 (3). 完 成 數 據 整 理 及 分 析 比 較 (4). 完 成 研 究 報 告 及 成 果 發 表 113

114 6.2 預 期 成 果 本 計 畫 完 成 後, 應 可 獲 得 下 列 之 成 果 : (1). 獲 得 微 弧 電 漿 氧 化 處 理 配 方 及 操 作 條 件 對 陽 極 膜 之 影 響 (2). 獲 得 陽 極 膜 之 表 面 形 態 對 耐 蝕 性 能 之 影 響 (3). 封 孔 處 理 對 陽 極 膜 結 構 耐 蝕 性 及 塗 裝 附 著 性 之 影 響 (4). 製 程 最 適 化 條 件 之 獲 得 (5). 相 關 工 作 人 員 可 獲 得 完 整 之 研 發 訓 練 七 所 需 設 備 及 預 算 第 一 年 1. 微 弧 電 漿 系 統 : 微 弧 電 漿 反 應 器 用 50 萬 2. 脈 衝 電 源 供 應 器 系 統 : 微 弧 電 漿 反 應 器 電 源 用 100 萬 第 二 年 1. 離 子 減 薄 機 系 統 : TEM 前 處 理 系 統 用 280 萬 第 三 年 3. 奈 米 微 硬 度 儀 系 統 : 材 料 表 面 分 析 用 250 萬 六 參 考 文 獻 1. Chapman, B. N., Glow Discharge Process Sputtering and Plasma Etching, Wiley; New York, 經 濟 部 八 十 八 年 度 科 技 研 究 發 展 專 案 計 畫 執 行 成 果 鎂 合 金 壓 鑄 製 程 與 模 具 技 術 開 發 - 鎂 合 金 壓 鑄 製 程 技 術 子 項 計 畫 技 術 報 告 鎂 合 金 特 性 及 其 應 用 金 屬 工 業 研 究 發 展 中 心 2. S.Kamado and Y.Kojima Metallurgical Science and Technology, 16, F.H.Harbstein and B.L.Averbach;Acta Met, 414, R.S. Busk;Trans. AIME, 188,,1460, Jian-Yih Wang,Wei-pan Hong:Material Science Forum Vols 經 濟 部 八 十 八 年 度 科 技 研 究 發 展 專 案 計 畫 執 行 成 果 鎂 合 金 壓 鑄 製 程 與 模 具 技 術 開 發 - 鎂 合 金 壓 鑄 製 程 技 術 子 項 計 畫 技 術 報 告 鎂 合 金 之 表 面 處 理 金 屬 工 業 研 究 發 展 中 心 7. H.Alves, and Koster, U., Improved Corrosion and Oxidation Resistance of AM and AZ Alloys by Ca and RE Additions Magnesium Alloys and Their Application, edited by K.U. Kainer, Wiley-VHC, pp , F. Bonilla, etc., Oxide Films formed on magnesium and magnesium alloys by anodizing and chemical conversion coating Corrosion Reviews, Vol.16, pp , 楊 金 瑞 葉 信 宏, 鎂 合 金 表 面 處 理 簡 介 工 業 材 料 雜 誌, 第 152 期, 第 頁, 李 青, 鎂 的 表 面 處 理 功 能 材 料, 第 27 期, 第 頁, Gonzalez-Nunez, M. A., Skeldon, P., Thompson, G. E., Karimzadeh, H., Kinetics of the development of a nonchromate conversion coating for magnesium alloys and magnesium-based 114

115 metal matrix composites Corrosion, Vol.55, No.12, pp , H.Umehara, Takaya, M., Terauchi, S., Chrome-free surface treatments for magnesium alloy Surface & coatings Technology, Vol , pp , Kwo, Z. C., Teng, S. S., Conversion-coating treatment for magnesium alloys by a permanganate-phosphate solution Materials chemistry and Physic, Vol.80, pp , D.Hawke, Lalbright, D., A phosphate-permanganate conversion coating for magnesium Metal Finishing, Vol.10, pp ,, 程 偉 堃. 李 九 龍. 楊 光 絢. 張 進 龍. 宋 鈺. 葛 明 德 前 處 理 對 鎂 合 金 化 成 處 理 之 研 究, 中 國 材 料 科 學 學 會 2003 年 材 料 料 年 會 PI-044( 台 南 崑 山 科 大 ) 程 偉 堃. 李 九 龍. 葛 明 德. 楊 光 絢. 李 訓 清 水 性 PU 強 化 鎂 合 金 耐 蝕 性 之 研 究 第 四 屆 海 峽 兩 岸 材 料 與 防 護 研 討 會 ( 南 投 ) L. R. Amy, Carmel, B. B, Mansfeld, F., The corrosion protection afforded by rare earth conversion coatings applied to magnesium Corrosion science, Vol.42, pp , B.Wielage, Fleisaher, K., Zenker, R., and Schammer, S., Electron Beam Alloying of Magnesium Materials Magnesium Alloys and Their Application, edited by B.L. Mordike and K.U. Kainer, MAT INFO, pp , R.Galun, Weisheit, A., and Mordike, B. L., Properties of laser alloyed surface layers on magnesium base alloys Magnesium Alloys and Their Application, edited by B.L. Mordike and K.U. Kainer, MAT INFO, pp , F.Stippich, etc., Enhanced corrosion protection of magnesium oxide coatings on magnesium deposited by ion beam-assisted evaporation Surface and Coatings Technology, Vol , pp , 林 信 安 等 人, 熱 壓 處 理 對 鋁 電 弧 噴 覆 AZ31 鎂 合 金 特 性 之 研 究, 中 國 材 料 科 學 學 會 2002 年 年 會 論 文 摘 要 集, 台 北, 第 20 頁, Jun Kawaguchi, Surface Treatment for magnesium alloys WO , W. A.Fairweather, Electroless nickel plating of magnesium Trans. IMF., Vol.75, pp , 錢 建 剛 等, 鎂 合 金 環 保 型 陽 極 氧 化 成 膜 工 藝 材 料 保 護, 第 11 期, 第 頁, 陳 秋 榮 等, 鎂 合 金 微 弧 電 漿 氧 化 膜 的 微 觀 結 構 及 耐 蝕 性 研 究 材 料 保 護, 第 10 期, 第 頁, 張 永 君 等, 鎂 及 鎂 合 金 環 保 型 陽 極 氧 化 電 解 液 及 其 工 藝 材 料 保 護, 第 3 期, 第 頁, 姚 美 意 周 邦 新, 鎂 合 金 耐 蝕 表 面 處 理 的 研 究 發 展 材 料 保 護, 第 10 期, 第 頁, Y. Mizutain, S. J. Kim,R. Ichino,M.Okdio, Surf. Coat Technol. Vol pp.143~146, T. F. Barton, Macculloch, J. A., Ross, P. N., Anodizing of magnesium and magnesium base alloys US Patent , 倪 小 平, 鎂 合 金 及 其 壓 鋳 件 的 表 面 處 理 材 料 保 護, 第 9 期, 第 頁, 馬 寧 元, 鎂 合 金 表 面 處 理 簡 介, 鍛 造, 第 1 期, 第 頁, A. J. Zozulin, Bartak, D. E., Anodized coatings for Magnesium Alloys, Metal Finishing, 115

116 Vol.3,pp , Kobayashi, Anodizing solution for anodic oxidation of magnesium or its alloys US Patent , E. L. Schmeling, Roschenbleck, B., Weidemann, M. H., Method of producing protective coatings that are resistant to corrosion and wear on magnesium and magnesium alloy US Patent , T. F. Barton,, Johnson, C.B., The Effect of Electrolyte on the Anodized Finish of a Magnesium Alloy Plating&Surface Finishing, Vol.5, pp , Suzuki Mitsuo et al., Corrosion resistance, magnesium-base product exhibiting luster of base metal and method for producing the same US Patent Mizuno Suaumu et al., Anodizing solution of magnesium or its alloy JP , Y. Zhang, Yan, C., Wang, F., Lou, H., Cao, C., Study on the environmentally friendly anodizing of AZ91D magnesium alloy Surface & coatings Technology, Vol.161, pp , F. A. Bonilla, etc., Formation of Anodic Film on Magnesium Alloys in an Alkaline Phosphate Electrolyte Journal of the Electrochemical Society, Vol.149, pp. B4-B13, 2002, 40. 張 永 君 等 人, 鎂 及 鎂 合 金 環 保 型 阻 級 氧 化 電 解 液 及 其 工 藝 材 料 保 護, 第 3 期, 第 頁, 張 永 君 等 人, 壓 鑄 鎂 合 金 AZ91D 環 保 阻 級 氧 化 電 解 液 配 方 研 究 腐 蝕 與 防 護, 第 4 期, 第 148~151 頁, Y. Zhang, etc., Study on the environmentally friendly anodizing of AZ91D magnesium alloy Surface & coatings Technology, Vol.161, pp , 李 寶 東, 鎂 合 金 鋳 件 表 面 處 理 技 術 現 狀 材 料 保 護, 第 4 期, 第 1-3 頁, 朱 祖 芳, 鎂 合 金 部 件 ( 制 品 ) 的 表 面 保 護 和 裝 飾 工 藝 材 料 保 護, 第 6 期, 第 4-5 頁, A.L.Yerokhin, Plasma electrolysis for surface engineering -review Surface and Coatings Technology 122 (1999) 馮 克 林, 輕 金 屬 微 電 弧 電 化 學 技 術 工 業 雜 誌, 第 211 期, 第 頁 王 鵬 等, 鋁 鎂 合 金 微 弧 氧 化 處 理 的 研 究 概 述 特 種 鑄 造 暨 有 色 合 金 2003 增 刊 N.P. Sluginov, J. Russ. Phys. Chem. Soc., Phys.Vol.193, A. Gunterschultze, H. Betz, Electrolytkondensatoren, Krayn, Berlin, W. McNiell, G.F. Nordbloom, US Patent , W. McNiell, L.L. Gruss, US Patent , G.A. Markov, G.V. Markova, USSR Patent , Bul. Inv. 32, P. Kurze, W. Krysmann, G. Marx, Z. Wiss, Tech. Hochsch.Karl-Marx-Stadt 24, 139, R.J. Gradkovsky, S.N. Bayles, US Patent , May 11, S.D. Brown, K.J. Kuna, T.B. Van, J. Am. Ceram. Soc. Vol. 54, p. 384, T.B. Van, S.D. Brown, G.P. Wirtz, Am. Ceram. Soc. Bull. Vol. 56, p. 563, W. Xue, Z. Deng, Y. Lai, R. Chen, J. Am. Ceram. Soc. Vol.81, p. 1365, 張 欣 宇 等, 電 解 液 參 數 對 鋁 合 金 微 弧 氧 化 的 影 響 材 料 保 護, 第 8 期, 第 頁, 張 欣 宇 等, 微 弧 氧 化 陶 瓷 膜 的 性 能 研 究 電 鍍 与 涂 飾, 第 6 期, 第 1-4,37 頁, 張 欣 宇 等, 氫 氧 化 鈉 電 解 液 中 鋁 合 金 的 微 弧 氧 化 新 技 術 新 工 藝 第 8 期, 第 4-5 頁,

117 61. 薛 文 斌 等, 鑄 造 鎂 合 金 微 弧 氧 化 機 理 稀 有 金 屬 材 料 與 工 程, 第 6 期, 第 353~356 頁, 薛 文 斌 等, 鎂 合 金 微 等 離 子 體 氧 化 膜 的 特 性 材 料 科 學 與 工 藝, 第 2 期, 第 89~92 頁, 薛 文 斌 等, ZM5 鎂 合 金 氧 化 膜 的 生 長 規 律 金 屬 熱 處 理 學 報, 第 3 期, 第 42~45 頁, 蔣 百 靈 等, 鋁 合 金 鎂 合 金 微 弧 氧 化 陶 瓷 層 的 形 成 機 理 及 性 能 西 安 理 工 大 學 學 報, 第 4 期, 第 頁, 蔣 百 靈 等, 鎂 合 金 微 弧 氧 化 陶 瓷 層 顯 微 缺 陷 與 相 組 成 及 其 耐 蝕 性 中 國 有 色 金 屬 學 報, 第 3 期, 第 頁 蔣 百 靈 等, 鎂 合 金 微 弧 氧 化 陶 瓷 層 耐 蝕 性 的 研 究 中 國 腐 蝕 與 防 護 學 報, 第 5 期, 第 頁, 蔣 百 靈 等, 鎂 合 金 微 弧 氧 化 陶 瓷 層 生 長 過 程 及 微 觀 結 構 的 研 究 材 料 熱 處 理 學 報, 第 1 期, 第 5-8 頁, Yang, G., The effects of current density on the phase composition and microstructure properties of micro-arc oxidation coating J. of Analytical and Applied Pyrolysis, Vol. 345, pp , S.V. Gnedenkov, Composition and adhesion of protective coatings on aluminum Surface and Coatings Technology Vol.145, pp , G. Sundararajan, Mechanisms underlying the formation of thick alumina coatings through the MAO coating technology, Surface and Coatings Technology Vol.167, pp , P.I. Butyagin, Microplasma systems for creating coatings on aluminum alloys Materials Letters Vol.57, pp , Zozulin A J. Anodizing Coating for Magnesium Mg-Al Alloys J. Metal Finishing, Vol.92, pp. 34~44, 鍾 時 俊 等, 微 電 弧 氧 化 表 面 處 理 原 理 與 應 用 工 業 雜 誌, 第 194 期, 第 頁, 張 進 龍. 宋 鈺. 李 九 龍. 葛 明 德. 柏 宏 基. 吳 貞 欽 鎂 合 金 AZ31 矽 酸 鹽 陽 極 處 理 防 蝕 性 能 之 研 究, 中 國 防 蝕 工 程 學 會 論 文 發 表 會 C20( 墾 丁 ) 程 偉 堃. 劉 沖 明. 李 九 龍. 葛 明 德. 楊 光 絢 鎂 鋰 合 金 (LZ91) 陽 極 處 理 之 研 究 第 四 屆 海 峽 兩 岸 材 料 與 防 護 研 討 會 ( 南 投 ) 程 偉 堃. 李 九 龍. 劉 沖 明. 王 建 義. 葛 明 德 鎂 鋰 合 金 LZ91 脈 衝 陽 極 處 理 電 化 學 腐 蝕 特 性 之 分 析 中 國 材 料 科 學 學 會 2004 年 材 料 料 年 會 PA4-012( 新 竹 )

118 子 計 劃 七 : 水 下 電 漿 銲 接 及 分 析 技 術 之 研 究 ( 配 合 發 展 主 軸 五 : 金 屬 防 蝕 及 水 下 銲 接 之 應 用 ) 主 持 人 : 陳 志 文 118

119 一 近 五 年 內 主 持 人 主 要 研 究 成 果 說 明 ( 國 科 會 研 究 計 畫 ) 1. 藍 寶 石 晶 圓 磨 削 及 研 光 加 工 參 數 之 研 究 (2003.8~2004.7) 二 研 究 計 畫 之 背 景 及 目 的 水 下 電 漿 銲 接 及 分 析 技 術 之 研 究 核 能 發 電 是 人 類 在 原 子 能 應 用 的 偉 大 發 明, 但 在 應 用 的 過 程 中, 出 現 兩 次 重 大 事 故, 一 次 是 美 國 的 三 哩 島 事 故, 另 一 次 是 前 蘇 聯 的 車 諾 比 事 故, 由 於 這 二 次 嚴 重 的 核 能 電 廠 事 故, 讓 全 世 界 每 個 角 落 的 人 們 在 享 受 核 能 發 電 帶 來 方 便 的 同 時, 意 識 到 核 電 安 全 的 重 要 性 當 然 有 關 於 核 能 電 廠 之 安 全 與 可 靠 度, 則 必 須 仰 賴 有 效 及 細 心 的 維 修 保 養 國 內 核 電 廠 所 用 之 沸 水 式 反 應 器 (BWR) 以 清 水 為 主 要 冷 卻 劑, 主 要 的 特 性 在 於 其 主 冷 卻 水 在 反 應 器 內 直 接 沸 騰 成 水 蒸 氣, 因 此 主 冷 卻 系 統 的 壓 力 比 較 低, 故 BWR 反 應 器 壓 力 槽 壁 厚 可 較 薄 目 前 沸 水 式 反 應 器 (BWR) 之 製 造 商 主 要 有 美 國 奇 異 公 司, 日 本 東 芝 公 司, 日 本 日 立 公 司, 瑞 典 ABB 原 子 公 司 四 家, 核 二 廠 之 反 應 器 則 為 美 國 奇 異 公 司 第 六 代 沸 水 式 反 應 器 (BWR/6), 其 組 件 及 相 對 位 置, 如 圖 1 2 所 示 1 核 電 廠 之 建 構 材 料, 最 早 是 以 沃 斯 田 鐵 型 不 銹 鋼 為 主 ( 如 ), 後 來 發 現 這 類 材 料 容 易 造 成 敏 化 的 問 題, 為 避 免 此 一 現 象, 最 有 效 的 方 法 就 是 降 低 含 碳 量, 於 是 改 用 304L 與 316L, 但 較 低 的 含 碳 量 將 會 降 低 材 料 本 身 的 強 度, 為 了 兼 顧 強 度 及 耐 蝕 性, 乃 使 用 鎳 基 600 等 合 金, 但 構 件 劣 化 的 問 題 依 舊 存 在 圖 1 核 二 廠 (BWR/6) 爐 心 組 件 1 119

120 圖 2 BWR/6 爐 心 底 板 組 件 及 部 份 銲 道 1 根 據 學 者 對 國 內 核 電 廠 沸 水 式 反 應 器 (BWR) 組 件 劣 化 問 題 調 查 顯 示 2, 構 件 在 銲 道 處 之 龜 裂 現 象 佔 有 相 當 多 的 比 例, 其 原 因 除 了 少 數 是 因 為 運 轉 時 低 頻 震 動 造 成 的 疲 勞 破 壞 外, 主 要 劣 化 原 因 多 半 是 銲 接 性 能 無 法 達 到 環 境 或 負 載 上 的 需 求, 其 中 有 甚 多 事 例 顯 示, 由 沿 晶 應 力 腐 蝕 裂 縫 (Intergranular Stress Corrosion Cracking, IGSCC) 是 引 起 劣 化 的 重 大 原 因 ; 此 種 裂 紋 的 形 成 與 金 屬 材 料 受 到 長 時 間 高 劑 量 的 輻 射 有 關, 而 在 金 屬 基 底 中 形 成 氦 氣 的 過 飽 和 狀 態, 因 此 銲 接 過 程 中 氦 氣 經 由 快 速 的 擴 散 而 在 熱 影 響 區 晶 界 集 中, 所 形 成 微 小 的 氣 泡 促 使 晶 界 處 於 高 張 力 狀 態, 進 而 導 致 熱 影 響 區 發 生 裂 紋 3 因 此 改 善 之 道, 除 了 由 腐 蝕 環 境 之 改 善 ( 如 改 善 爐 水 之 PH 值 ) 外, 構 件 材 料 的 選 用 以 及 銲 接 性 的 提 昇 亦 被 視 為 是 治 本 方 法 之 一 過 去 數 年 之 間, 全 世 界 各 國 的 核 電 廠 中 普 遍 發 現 一 種 與 材 料 老 化 相 關 的 銲 接 缺 陷, 當 金 屬 結 構 物 ( 如 不 銹 鋼 鎳 基 合 金 等 ) 長 時 間 暴 露 於 較 高 輻 射 環 境 後, 一 旦 在 進 行 銲 補 維 修 時 經 常 發 生 熱 影 響 區 沿 晶 裂 紋, 此 種 裂 紋 的 形 成 與 金 屬 材 料 受 到 長 時 間 高 劑 量 的 輻 射 有 關, 而 在 金 屬 基 底 中 形 成 氦 氣 的 過 飽 和 狀 態, 因 此 銲 接 過 程 中 氦 氣 經 由 快 速 的 擴 散 而 在 熱 影 響 區 晶 界 集 中, 所 形 成 微 小 的 氣 泡 促 使 晶 界 處 於 高 張 力 狀 態, 進 而 可 能 導 致 熱 影 響 區 發 生 裂 紋 此 種 裂 紋 不 同 於 一 般 常 見 的 熱 影 響 區 熔 析 ( 液 化 ) 裂 紋, 而 通 常 僅 發 生 於 長 時 間 暴 露 於 高 輻 射 環 境 的 金 屬 銲 補 銲 道, 尤 其 是 在 材 料 老 化 情 形 嚴 重 的 狀 態 目 前 文 獻 報 告 仍 多 集 中 於 探 討 裂 紋 的 發 生 機 制, 而 少 數 銲 補 研 究 提 出 的 裂 紋 防 制 方 法 則 缺 乏 現 場 施 工 的 可 行 性 解 決 銲 道 熱 影 響 區 裂 紋 的 最 主 要 方 法 通 常 由 材 料 與 力 學 觀 點 著 手, 前 者 經 由 材 料 選 擇 或 熱 處 理 等 方 式, 以 排 除 容 易 發 生 裂 紋 的 冶 金 因 素, 但 是 這 種 方 法 並 不 適 用 於 核 電 廠 結 構 件 的 銲 補 維 修 以 力 學 觀 點 解 決 銲 道 熱 影 響 區 裂 紋 的 方 法, 主 要 是 控 制 銲 接 過 程 中 來 自 於 銲 道 / 熱 影 響 區 升 溫 / 降 溫 所 產 生 的 熱 應 力 與 熱 應 變, 避 免 在 降 溫 過 程 中 於 熱 影 響 區 形 成 過 高 的 拉 伸 應 力 與 應 變, 進 而 達 到 控 制 裂 紋 發 生 的 目 的 此 種 方 法 雖 然 受 到 銲 接 製 程 工 件 形 狀 施 工 120

121 條 件 等 因 素 的 影 響 而 較 為 複 雜, 卻 是 解 決 本 研 究 主 題 最 具 可 行 性 的 方 式 目 前 文 獻 報 告 仍 多 集 中 於 探 討 裂 紋 的 發 生 機 制, 而 少 數 銲 補 研 究 提 出 的 裂 紋 防 制 方 法 則 缺 乏 現 場 施 工 的 可 行 性, 因 此, 本 研 究 將 因 應 未 來 核 電 廠 高 輻 射 區 工 件 的 銲 補 維 修 特 性, 採 用 水 下 電 漿 銲 接 方 法 進 行 相 關 之 銲 補 研 究 選 取 本 方 法 做 為 研 究 對 象 的 原 因 包 括 :(1) 水 下 銲 接 可 避 免 發 生 空 浮 性 輻 射 污 染 粒 子, 可 有 效 降 低 發 生 輻 射 污 染 的 機 會 ;(2) 水 下 電 漿 銲 接 由 於 強 制 水 冷 的 快 速 冷 卻 效 應 與 銲 道 較 高 的 深 - 寬 比 (depth-to-width ratio), 可 有 效 降 低 銲 道 / 熱 影 響 區 拉 伸 殘 留 應 力 ;(3) 氦 原 子 的 擴 散 / 集 中 現 象 可 以 因 為 銲 件 的 快 速 冷 卻 而 受 到 抑 制, 進 而 降 低 發 生 裂 紋 的 機 會 綜 合 以 上 三 項 因 素, 應 可 推 斷 利 用 水 下 電 漿 銲 接 以 避 免 發 生 熱 影 響 區 裂 紋 具 有 極 高 的 可 行 性 本 研 究 之 目 的 乃 因 應 未 來 核 電 廠 高 輻 射 區 工 件 的 銲 補 維 修 特 性, 開 發 水 下 電 漿 銲 接 之 創 新 方 法 進 行 相 關 銲 補 技 術, 透 過 銲 接 設 備 設 計 修 改 銲 補 參 數 與 銲 件 束 縛 條 件 的 控 制 銲 接 溫 度 場 / 應 力 之 量 測 等 方 法, 嚴 格 控 制 傳 入 熱 影 響 區 與 母 材 之 銲 接 熱 量, 配 合 銲 件 治 具 的 設 計 使 用, 以 期 達 到 降 低 銲 接 熱 應 力 與 殘 留 應 力 的 效 果, 進 而 避 免 熱 影 響 區 裂 紋 的 發 生, 使 銲 補 維 修 之 品 質 與 成 功 率 大 幅 提 昇, 並 建 立 相 關 參 數 資 料 庫 提 供 銲 補 技 術 人 員 參 考 依 據, 此 技 術 除 了 為 核 能 安 全 盡 一 份 心 力 之 外, 更 可 應 用 到 經 常 傳 出 公 安 事 故 的 高 壓 鍋 爐 化 學 油 槽 等, 產 業 界 急 需 解 決 的 銲 補 問 題 三 目 前 已 有 與 計 畫 相 關 之 基 礎 與 成 果 目 前 已 有 與 本 計 畫 相 關 之 研 究 設 備 1. plasma 自 動 焊 接 系 統 2. 整 合 式 自 動 焊 接 十 字 臂 3. 自 行 研 發 之 水 下 焊 接 槍 頭 機 構 四 研 究 方 法 進 行 步 驟 及 執 行 進 度 1. 建 構 一 套 銲 槍 可 於 水 下 操 作 的 水 下 電 漿 銲 接 系 統, 提 供 模 擬 分 析 與 實 體 銲 接 實 驗 研 究 之 用 2. 分 析 各 種 銲 接 條 件 ( 包 括 銲 接 製 程 銲 接 參 數 環 境 溫 度 冷 卻 條 件 等 ) 對 於 銲 接 缺 陷 殘 留 應 力 與 銲 接 品 質 的 影 響 3. 利 用 熱 電 偶 法 等 技 術 實 際 量 測 各 種 銲 接 條 件 下, 不 同 的 銲 道 / 熱 影 響 區 溫 度 場 分 佈 與 變 化 的 情 形, 做 為 後 續 CAE 輔 助 分 析 的 依 據 4. 利 用 盲 孔 法 等 技 術 實 際 量 測 各 種 銲 接 條 件 下, 不 同 的 銲 道 / 熱 影 響 區 殘 留 應 力 分 佈 情 形 5. 利 用 CAE 輔 助 分 析 各 種 銲 接 條 件 下, 不 同 的 銲 道 / 熱 影 響 區 殘 留 應 力 分 佈 情 形, 並 與 實 際 量 測 值 進 行 比 較 6. 進 行 銲 件 的 顯 微 硬 度 拉 伸 衝 擊 等 機 械 性 能 測 試, 做 為 分 析 銲 件 品 質 的 重 要 依 據 7. 對 於 拉 伸 衝 擊 等 機 械 性 能 測 試 試 片 進 行 破 斷 面 分 析, 比 較 不 同 銲 接 製 程 121

122 / 條 件 所 製 作 銲 件 破 壞 的 模 式 氦 氣 氣 泡 集 中 於 熱 影 響 區 晶 界 時 會 造 成 的 沿 晶 而 裂 的 裂 紋 型 態, 銲 件 破 壞 的 模 式 將 會 呈 現 脆 性 破 裂, 因 此 由 破 斷 面 分 析 可 判 斷 是 否 存 在 熱 影 響 區 裂 紋 8. 彙 整 相 關 實 驗 數 據, 以 獲 得 最 佳 化 製 程 參 數 資 料 來 解 決 該 銲 補 維 修 問 題, 試 驗 規 範 文 獻 資 料 蒐 集 實 驗 方 法 設 計 ( 銲 接 條 件 材 料 尺 寸 夾 具 ) 建 構 水 下 電 漿 銲 接 系 統 銲 接 參 數 測 試 與 實 體 銲 件 製 作 溫 度 場 量 測 數 值 分 析 數 據 蒐 集 ( 參 數 拘 束 條 件 ) 殘 留 應 力 量 測 CAE 輔 助 分 析 不 符 合 結 果 比 較 符 合 金 相 組 織 觀 察 機 械 性 能 測 試 缺 陷 分 析 HAZ 結 構 觀 察 資 料 分 析 比 較 及 結 論 圖 3 研 究 工 作 流 程 圖 122

123 執 行 進 度 第 一 年 : 月 次 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 第 12 月 備 註 工 作 項 目 相 關 文 獻 研 究 實 驗 方 法 設 計 水 下 電 漿 銲 接 系 統 設 計 製 作 水 下 電 漿 銲 接 系 統 測 試 銲 接 溫 度 場 與 殘 留 應 力 量 測 分 析 測 試 銲 件 與 銲 接 參 數 測 試 撰 寫 第 一 年 報 告 預 定 進 度 累 計 百 分 比

124 第 二 年 : 月 次 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 第 12 月 備 註 工 作 項 目 水 下 電 漿 銲 接 實 體 制 作 即 時 殘 留 應 力 與 溫 度 場 量 測 分 析 完 成 參 數 對 殘 留 應 力 的 影 響 評 估 顯 微 組 織 觀 察 分 析 夾 治 具 之 設 計 製 作 與 測 試 CAE 輔 助 分 析 並 與 實 體 銲 件 比 較 測 試 撰 寫 第 二 年 報 告 預 定 進 度 累 計 百 分 比

125 第 三 年 : 月 次 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 第 12 月 備 註 工 作 項 目 分 析 取 得 製 程 最 佳 化 參 數 由 最 佳 化 製 程 做 實 體 銲 件 測 試, 完 成 驗 證 最 佳 化 製 程 銲 道 之 測 試 分 析 CAE 輔 助 分 析 模 型 對 照 建 立 銲 補 參 數 與 技 術 文 獻 資 料 庫 撰 寫 結 案 報 告 預 定 進 度 累 計 百 分 比

126 五 預 期 完 成 之 工 作 項 目 及 成 果 5.1 第 一 年 預 期 完 成 之 工 作 項 目 1. 相 關 文 獻 研 究 實 驗 方 法 設 計 2. 水 下 電 漿 銲 接 系 統 設 計 製 造 與 測 試 3. 溫 度 場 與 殘 留 應 力 量 測 分 析 測 試 4. 銲 件 與 銲 接 參 數 測 試 5. 水 下 銲 接 槍 頭 設 計 測 試 6. 撰 寫 第 一 年 報 告 5.2 第 二 年 預 期 完 成 之 工 作 項 目 1. 水 下 電 漿 銲 接 實 體 制 作 2. 即 時 殘 留 應 力 與 溫 度 場 量 測 分 析 3. 完 成 參 數 對 殘 留 應 力 的 影 響 評 估 4. 顯 微 組 織 觀 察 分 析 5. 夾 治 具 之 設 計 製 作 與 測 試 6.CAE 輔 助 分 析 並 與 實 體 銲 件 比 較 測 試 7. 撰 寫 第 二 年 報 告 5.3 第 三 年 預 期 完 成 之 工 作 項 目 1. 分 析 取 得 製 程 最 佳 化 參 數 2. 由 最 佳 化 製 程 做 實 體 銲 件 測 試, 完 成 驗 證 3. 最 佳 化 製 程 銲 道 之 測 試 分 析 4.CAE 輔 助 分 析 模 型 對 照 5. 建 立 銲 補 參 數 與 技 術 文 獻 資 料 庫 6. 寫 結 案 報 告 5.4 預 期 成 果 國 內 的 核 能 電 廠 在 完 全 除 役 前 仍 須 運 轉 數 十 年, 金 屬 材 料 老 化 將 隨 時 間 的 延 長 而 益 趨 嚴 重, 銲 補 維 修 作 無 可 避 免 地 將 遭 遇 到 熱 影 響 區 裂 紋 問 題, 對 此 嚴 重 影 響 核 能 安 全 且 大 幅 增 加 運 轉 成 本 的 問 題, 應 儘 速 研 發 創 新 可 行 的 銲 補 技 術 以 期 徹 底 解 決, 而 研 究 成 果 未 來 亦 可 更 廣 泛 地 應 用 於 其 他 工 業 領 域, 在 提 昇 工 業 安 全 與 銲 件 品 質 的 同 時, 創 造 出 更 高 的 經 濟 效 益 完 成 後, 應 可 獲 得 下 列 之 成 果 : 1. 建 構 一 套 銲 槍 可 於 水 下 操 作 的 水 下 電 漿 銲 接 系 統 2. 專 用 夾 治 具 之 設 計 製 作 3. 製 程 最 佳 化 參 數 之 取 得 4. 完 成 CAE 輔 助 分 析 模 型 對 照 5. 建 立 銲 補 參 數 與 技 術 文 獻 資 料 庫 6. 建 立 即 時 殘 留 應 力 與 溫 度 場 量 測 分 析 技 術 7. 大 幅 提 升 銲 補 品 質 與 耐 用 度 126

127 8. 可 供 未 來 核 電 廠 及 其 他 工 業 銲 補 參 考 六 參 考 文 獻 1. 游 家 旂, 核 能 電 廠 爐 心 底 板 與 噴 水 管 路 之 可 靠 度 研 究, 國 立 台 灣 大 學 機 械 工 程 研 究 所 碩 士 論 文, 民 國 八 十 九 年 六 月 2. 葉 宗 洸, 余 明 昇, 國 內 外 沸 水 式 反 應 器 壓 力 槽 內 部 組 件 的 劣 化 問 題, 核 研 季 刊, 第 二 十 二 期,pp.49-69, 小 藪 健, 淺 野 恭 -, 高 橋 英 則, Weldability of Neutron-Irradiated Stainless Steel and Nickel-Base Alloy, 溶 接 學 會 論 文 集, NO.4,vol.18,Nov, Z.Feng, R.A White, Willis, and H.D.Solomon, Development of Compressive Residual Stresses in Underwater PTA Welds, GE Research & Development Center, August K. Nakate, S. Kasahara, H. Tekeda and M. Oishi, Development of Repair-Welding Technology for Irradiated Material of LWR, Newport Beach, CA. USA, August H.T Lin, M.L. Grossbeck, B.A. Chin, Cavity Microstructure and Kinetics during Gas Tungsten Arc welding of Helium-Containing Stainless Steel, Metallurgical Transactions, A 21, pp.2585~2596, September S. Kawano, R. Sumiya, Simulation of helium bubble behavior in neutron-irradiated stainless steel during welding, Journal of Nuclear Material, pp. 248~263, T. Hashimoto and M. Mochizuki, Moderling of helium bubble formation during welding of irradiated stainless steels, ASTM STP 1366, The Lincoln Electric Company Cleveland, Ohio The Procedure Handbook of Arc Welding, 3 th edition, 1994, pp ~5.4-6, pp ~5.5-5, pp ~ Selection of Wrought Duplex Stainless Steels, ASM Handbook, vol. 6, 1993, pp.471~ S. Murugan, Sanjai K. Rain, P.V. Kumar, T. Jayakumar, Baldev Raj, M.S.C Bose, Temperature distribution and residual stresses due to multipass welding in type 304 stainless steel and low carbon steel weld pads, International Journal of Pressure Vessels and Piping 78, pp , 林 健 宏, 銲 接 熱 應 力 殘 留 應 力 與 變 形 之 原 理 簡 介, 銲 接 與 切 割 第 10 卷, 第 五 期, pp.25-31, 2000 年 9 月 13. W.H. Kearns, Welding Handbook, 7 th edition, Vol. 2, pp , S. Kou, Welding Metallurgy, 2 nd edition, pp.37-64, E. M. Beaney and E. Procter, Strain, Journal of BSSM, 10(1), pp. 7-14, M. Flaman, Experimental Mechanics, 22(1), pp , A. Ajovalasit, J. of Stain Analysis, 14(4), pp , N. J. Rendler and I.Vigness, Experiment Mechanics, 6(12), pp , 多 如 公 司, Measurement of Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain Gage Method. 20. 蔡 曜 隆, 銲 接 溫 度 與 應 力 分 析 實 驗, 交 通 大 學 碩 士 論 文, 2001,pp.13~20 127