實驗系統與原理介紹 - 氬離子處理聚醯亞胺薄膜表面之液晶配向及預傾角調變機制與表面分析之研究

本論文著重在非接觸式的配向處理，以避免表面處理時產生不必要的靜電與微塵粒子。在本章節中將會介紹配向膜的配向方式、液晶樣品的參數量測方法以及表面分析方法。

2-1 配向方式

本實驗系統是使用日本Eiko 公司的離子覆膜機(Ion Coater)，如圖 2-1 所示。

圖2-1 離子覆膜機之照片

其上下電極間距為25mm 或 30mm，上電極與下電極的直徑分別為 50mm 及52mm。系統中所加的電壓為直流高電壓，可使真空腔體內的稀薄氣體產生崩潰效應(Gas Breakdown)，形成電漿(Plasma)狀態，其中電漿區域包含陰極輝光區域(Cathode Glow Region)、陰極暗區(Cathode Dark

真空腔體

Coat & Etch mode

樣品放置處

計時器

H.V. control

真空計大氣進氣閥

Ar進氣閥

Selector Flash EIKO

Ion current

Region)、負極輝光區(Negative Glow Region)、法拉第暗區(Faraday Dark Space)及正極光柱區(Positive Glow)，如圖 2-2 所示。但本系統上下電極距離過近，只能看到輝光區域(Glow Discharge Region)及陰極暗區。[1],[2]

圖2-2 直流輝光放電兩極間之狀態

1. 陰極輝光區：電子被加速並且游離中性氣體分子，產生帶正電的離子

Cathode (-)

Cathode Dark Region Cathode Glow

Region

Negative Glow Region

Faraday Dark Space

Positive Glow

Anode (+)

與低速電子，當低速電子又再次被外加電場加速後，並且游離出更多的中性氣體分子，引發氣體的崩潰效應進而產生大量的正離子和電子，電子加速時激發氣體分子而發出特有的光，稱為陰極輝光。

2. 陰極暗區：電子經碰撞後能量降低，無法激發其他的中性氣體分子，

又因為還沒有被電場加速到足夠能量且正離子的濃度太高，所以幾乎沒有游離化的發光現象，因此形成沒有亮度的區域。一般濺鍍就是依靠陰極暗區所產生的正離子撞擊靶材，使靶材的原子獲得能量脫離束縛，沉積在基板表面。

3. 負極輝光區：被加速的二次電子，因被電場加速到足夠的能量，並撞擊中間的氣體分子，使其游離化或被激發而產生放電現象，是最亮的區域；一般濺鍍的過程，基板就是被放在此區。

IB-2 可以任意切換兩種模式：Etch Mode【下電極為負(陰極)，上電極為正(陽極)】與 Coat Mode【下電極為正(陽極)，上電極為負(陰極)】。

2-1-1 離子轟擊配向

由IBM 團隊首先發表對於經摩刷的配向膜微觀表面配向模型的研究 [3]，進而針對離子束轟擊無機類鑽碳膜(Diamond-Like Carbon，DLC)的研究[4]-[6]，並利用精細結構軟 X 光吸收光譜(Near-Edge X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy，NEXAFS)來分析表面結構。而本論文所使用的配向劑膜是有機物含有大量的碳鍵結，尤其是苯環上的π 鍵，可看出 C=C 鍵結不同偏振角度的強度，得到苯環方向是順著摩刷方向，而離子束配向則是調變離子束入射方向破壞某個方向的鍵結，與摩刷方向有相同的效果；另外，σ 鍵也是會影響，其中 Sp3 的 σ 鍵屬於等向性(isotropic)，

Sp2 的 σ 鍵是屬於平面(planar)，Sp 的 σ 鍵則是軸向(axial)，但是 σ 鍵中

未飽和鍵的影響不比苯環上的π 鍵。因此即使是非晶形(Amorphous)的材料，只要含碳膜(Carbonaceous Surface)能夠產生方向秩序性(Orientation Order)，就可使液晶分子有方向性的排列。

本系統使用IB-2 的 Etch Mode，利用高真空及外加高電壓使通入腔體內微量的氣體產生輝光，本實驗使用的氣體為氬氣(Argon)，將樣品浸漬於陰極暗區，讓帶正電離子轟擊，如圖 2-3 所示，在實驗的過程中能調變的參數有：直流電壓 0V~1400V、電流值、離子束入射角度以及處理時間，

控制以上參數可以達到調變預傾角的實驗。

圖2-3 IB-2 離子束轟擊，離子分布示意圖

2-1-2 電漿束配向

在2001 年，另一種非接觸式配向技術「電漿束配向」被發展用來改進液晶對PI 薄膜的配向[7],[8]。電漿其實就是由一團帶電荷的氣體分子所組成，包含有未游離的中性氣體分子、帶正電的離子、電子及正處於激動狀態的中性氣體分子，由於電漿中的負電荷與正電荷數量其實大致相等，因此一般來說電漿是成電中性。而產生電漿態的多寡與電漿擁有的動能大

Cathode

Cathode Dark Space

Anode Negative Glow

Region Cathode Dark Space

Negative Glow Region

Ar⁺

θion

Cathode

e^一

小，取決於氣體種類、氣體壓力和外加電場的大小而定。我們所知道產生 (Glow Discharge Plasma)，因此將玻璃基板放置於下電極處，接收由正離子撞擊陰極而掉落的靶材原子，使其沉積於基板表面，如圖2-4 所示，在實驗的過程中能夠調變的參數有：直流電壓 0V~1400V、電流、電漿束入射角度及處理時間，控制以上參數可達到我們調變預傾角的實驗。 Negative Glow

Region Cathode Dark Space

Cathode

Negative Glow Region

Cathode

Ar⁺

Sputtered Atom

Primary Electrons Lost Ions

Electrom Induced Secondary Emission

Ion Induced Secondary Emission

2-2 液晶參數量測

2-2-1 預傾角(Pretilt Angle)量測

預傾角是指液晶在邊界表面處其方向子(Director)與表面的夾角。顯示器的好壞由玻璃基板的配向效果決定，而了解配向效果的好壞最直接的方式就是量測預傾角，若配向強度足夠讓液晶分子都朝一個特定方向排列，

如此將能夠避免光散射的缺陷，而預傾角的大小也是會影響驅動顯示器的反應時間，因此想要研究配向機制，精確地量測預傾角是必要的。

量測預傾角的方法有許多種，例如：晶體旋轉法(Crystal Rotation Method)[10]、電容法(Capacitive Method)、外加磁場(Magnetic Null Method)等，這些方法皆有其優缺點，唯有晶體旋轉法不需加任何的外場，但是液晶樣品會受限於旋轉的角度，根據以往的經驗僅能量測

-55°~55°之間的光強度變化，而本論文採用晶體旋轉法做量測，圖 2-5 為實驗裝置。

圖2-5 預傾角量測之實驗裝置示意圖

He-Ne Laser

Pinhole

Polarizer

Sample Analyzer Lens

Detector

Computer

Multi-meter

此種方法是利用液晶是一種具雙折射特性的物質，藉由旋轉液晶樣品來尋找穿透光入射液晶樣品產生相位移的兩道光，分別是尋常光(Ordinary Ray，o-ray)與非尋常光(Extraordinary Ray，e-ray)，d 為液晶樣品厚度，φ 為光的入射角，如圖 2-6 所示，然後由曲線的對稱點求得入射光角度反推其光程差(Optical Path Difference，OPD)為：

OPD=

OPL

_e₋_ray-

OPL

₀₋_ray

其中

n

_e、

n

_o分別為液晶對於e-ray 和 o-ray 的折射系數，其中

圖2-7 預傾角量測之光強度變化圖

Transmittance (a.u.)

φ (degree)

(2-16) 最後通過檢偏器(Analyzer)後

(2-17)

He-Ne Laser

Polarizer Analyzer Sample

Detector

Computer Multi-meter

⎟ ⎟

圖2-9 旋轉樣品量穿透率之光強度變化圖別定義為水平錨定能強度(Azimuthal Anchoring Strength)與極向錨定能強度(Polar Anchoring Strength)。使用的分析方法是由 Nastishin 等人在 1999 年所提出，利用在外加高電壓下量測液晶樣品的相位延遲(Phase

Y Director

Easy Direction

θ

Transmittance (a.u.)

θ (degree)

Retardation)來計算[14]。首先量測外加電場下液晶樣品所對應的穿透率 (T-V 圖)，裝置如圖 2-11 所示。

圖2-11 極向錨定能量測實驗之裝置示意圖

將樣品放在兩偏振方向夾90°的起偏器與檢偏器中間，液晶樣品長軸方向與兩偏振器各夾45°；斷波器(Chopper)與鎖相放大器(Lock-in Amplifier) 是用來改善系統的敏感度，訊號產生器(Function Generator)產生交流源與電源放大器輸出1kHz 方波的電壓給液晶樣品；為了要改善雷射造成的強度變化的誤差，在出光後加一個分光鏡(Beam Splitter)分成兩道光分別是測量光(Probe Beam)與參考光(Reference Beam)以修正強度為

I

_pro/

I

_ref

，接著將穿透率對電壓作圖轉換成向位延遲對電壓作圖(R-V 圖)，轉換

He-Ne Laser

BS Multi-meter

Detector

Detector Chopper Sample

Polarizer Analyzer Lock-in

AC Source Temp.

Controller

)

其中

2-3 表面分析量測

2-3-1 AFM 量測

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)，主要是利用懸臂 (Cantilever)上的探針直接接觸表面(Contact Mode)或是輕敲物體表面 (Tapping Mode)，因樣品表面的高低起伏，當探針尖端與樣品表面接觸時，由於懸臂的彈性係數與原子間的作用力相當，所以探針尖端的原子與樣品表面原子的作用力便會使懸臂在垂直方向上運動，加上偵測懸臂偏移量的機制、掃描系統及回饋電路，便可調整探針與樣品間的距離，而在掃描的過程中維持固定的原子力，如此就可以掃描出表面地形(Surface Morphology)，除了能直接顯示出影像外，還可使用程式 SPI3800N 計算出表面粗糙度(Roughness) [11]，如附錄一所示。

2-3-2 表面能的量測

當液體滴於固體表面時，在固體表面上會形成一個接觸角θ，如圖2-12 所示，由 Young Equation：

γ

_sv

− γ

_sl

= γ

_lv

cos θ

(2-22) 其中γ 、_sv

γ

_sl、

γ

_lv分別表示固體與氣體、固體與晶體、液體與氣體間的分子作用力。當液體間的分子作用力比液體大時，其介面會呈現球狀，也因此與固體表面會有接觸角。

圖2-12 水滴角表面能固體、液體極氣體之間作用力示意圖

γ lv

γ sl

γ sv

_θ

實驗中會使用具有極性的去離子水(DI Water)及非極性的二碘甲烷兩種液體的水滴角，計算其表面能，裝置如圖2-13 所示。

圖2-13 表面能量量測實驗裝置示意圖

計算表面能的分法有很多，本論文採用Owens-Wendt Method 來計算表面能，式子如下：

鏡頭拍攝畫面，再用程式擬合算出其水滴角，代入水

γ

l^D=21.8mJ/m²、

γ

l =51.0mJ/m²與二碘甲烷

γ

l^D=50.8mJ/m²、

γ

l^P =0 mJ/m²即可算出表面能 [13]。

2-3-3 SEM 量測

掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)具有高解析度的影像(最高解析度1nm)，放大倍率可輕易達一萬倍以上，用來觀察材料表面形貌上非常清楚而容易且試片製作容易，因此廣泛應用於業界及學術界。主要工作原理為電子槍透過熱游離或是場發射原理產生高能電子束，

經過電磁透鏡組後，可以將電子束聚焦至試片上，利用掃瞄線圈偏折電子束，在試片表面上做二度空間的掃瞄。當電子束與試片作用時，會產生各種不同的訊號，如二次電子、反射電子、吸收電子、歐傑電子等。在SEM 應用上主要為偵測二次電子及反射電子成像，這些訊號經過放大處理後即可成像觀察。對於試片的要求必須具備良好的導電性，以防止電荷累積在試片上影響訊號，而本論文的樣品為非導體，因此在操作前先鍍上一層白金，再進行掃描。

2-3-4 XPS 量測

X-ray 光電子能譜儀(X-ray Photoemission Spectroscopy，XPS)可以對試片表面做元素定性與定量分析：如表面化學組成、鍵結情況、深度分析，

為實用的表面分析工具。

其基本的原理為光電效應，利用X 光照射試片表面，可將原本束縛於原子能階中的電子轉換成光電子射出，測量光電子的動能進而推算其束縛能，由此便可判定原子的元素種類及化學組態。愛因斯坦的光電效應方程

式為：

. .E

K h

E

_B =

ν

− (2-25)

E

B為光電子動能、 ν

h

為X 光能量、K.E.為電子在原子內的束縛能，但在真實量測下，並不會完全遵守以上式子，必須考慮功函數φ ，修正如下： _sp

h K E

E

ν

− . .−

φ

(2-26) 本實驗室是使用國立清華大學貴儀中心的XPS，型號為 ESCA

PHI1600，其 X-ray 是搭配 Al/Mg 可變換雙陽極靶，靶材放出的能量為 1486.6/1253.6eV。儀器採用 10-360 半球型能量分析儀搭配 Multi-Channel Detector，ΔE/E 為 0.1~0.8%，其分析試片表面(<5nm)的元素，其束縛能 (Binding Energy)會因為表面鍵結的狀況不同，而產生化學位移(Chemical Shift)，化學位移在分析中是需要被考慮的，除了使用 Multipak 外，本實驗則搭配Peak Fit 程式來做分析，代入表面與碳(1s)所有鍵結的鍵能，包

在文檔中氬離子處理聚醯亞胺薄膜表面之液晶配向及預傾角調變機制與表面分析之研究 (頁 20-38)