4-1 離子束與電漿束系統對預傾角的影響
4-1-1 改變離子束轟擊時間對預傾角之效應
利用離子束轟擊鍍上聚醯亞胺薄膜之玻璃基板，將能量分別固定於 420V、560V，並且改變其離子轟擊時間，分別為 30 分鐘、20 分鐘、15 分鐘、10 分鐘、5 分鐘、3 分鐘、2 分鐘、1 分鐘。在正交偏光片下其液 晶樣品照片如圖4-1-1 與圖 4-1-2 所示，在不同能量轟擊下，離子轟擊時 間在 2 分鐘以上的液晶樣品都能達到良好的配向效果，而在 1 分鐘的液晶 樣品缺陷很多且沒有配向效果，另外，能量560V 轟擊 15 分鐘以上的液 晶樣品在長邊的缺陷有越來越多的趨勢。推測 1 分鐘樣品的缺陷造成是因 為轟擊時間太短，配向膜上的鍵結還未打斷，無法影響液晶分子排列；而 能量560V 轟擊 15 分鐘以上產生的缺陷，推測是因為基板在離子覆膜機 腔體內轟擊時，沉浸在陰極輝光區時間太長，陰極輝光區電場較大被加速 的氬離子撞擊力道較強，在長時間轟擊下易對表面造成破壞產生缺陷。
針對上述的液晶樣品進行預傾角之量測，並將量測之預傾角與離子轟 擊時間作圖，如圖4-1-3 與圖 4-1-4 所示。由圖可知在兩種不同能量轟擊 下，隨著轟擊時間的增長，預傾角有變大的趨勢。圖 4-1-5 是將兩種不同 能量之結果合併作圖，可以看出最大預傾角都是到達約6.5°，但在轟擊 20 分鐘以下兩者預傾角有不同的增加趨勢，推測因為能量的不同轟擊的 速率也不同，所造成表面地貌不同而影響預傾角，而轟擊20 分鐘以上基 板會因為下電極被打出鐵元素，使得基板上有鐵元素出現，產生大的預傾 角，在後面章節會再加以說明。
此外圖4-1-6 為固定能量 420V、離子轟擊時間 5 分鐘及固定能量
560V、離子轟擊時間 5 分鐘其預傾角的穩定度量測。由圖可知經離子轟擊 後的液晶樣品，放置三個月之後其預傾角沒有太大的變化。
30min 20min 15min 10min
5min 4min 3min 2min
1min
圖4-1-1 固定能量 420V、改變離子轟擊時間，液晶樣品在正交偏振片下的照片
30min 20min 15min 10min
5min 4min 3min 2min
1min
圖4-1-2 固定能量 560V、改變離子轟擊時間，液晶樣品在正交偏振片下的照片
圖4-1-3 固定能量 420V、改變離子轟擊時間對預傾角之關係圖
圖4-1-4 固定能量 560V、改變離子轟擊時間對預傾角之關係圖
0 5 10 15 20 25 30
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Pretilt Angle (degree)
Bombarding Time (min)
0 5 10 15 20 25 30
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Pretilt Angle (degree)
Bombarding Time (min)
圖4-1-5 兩種不同能量、改變離子轟擊時間對預傾角之關係圖
圖4-1-6 固定能量 420V 及 560V、離子轟擊時間 5 分鐘其預傾角之穩定度量測
0 5 10 15 20 25 30
0 1 2 3 4 5 6 7 8
560V 420V
Pretilt Angle (degree)
Bombarding Time (min)
0 20 40 60 80 100
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
420V 5min 560V 5min
Pretilt Angle (degree)
Time (day)
4-1-2 改變離子束能量對預傾角之效應
改變離子束的能量由 420V 至 1400V，每 140V 為一間距，並固定離子 轟擊時間5 分鐘，液晶樣品在正交偏光片下照片如圖 4-1-8 所示。由圖中 可看出，在離子束能量為420V 與 560V 的液晶樣品配向效果效其他能量 的好，而700V 到 900V 的液晶樣品在長邊有很嚴重的缺陷，且缺陷面積 有越來越大的趨勢，與長時間轟擊有同樣的情況。在改變離子能量的同 時，兩電極間的輝光區域大小也隨之改變，離子的能量越強陰極輝光區域 也越大，因此玻璃基板沉浸在此區域的面積也越來越大，推測缺陷產生的 面積大小與玻璃基板沉浸在陰極輝光區的面積大小有關聯性。在高能量 900V 以上的樣品配向效果卻比 700V 到 900V 的樣品好，推測高能量的離 子轟擊會將鐵離子打出沉積在基板表面，雖然氬離子破壞基板表面但鐵離 子的沉積反而使樣品的缺陷不見了。
固定離子轟擊時間 5 分鐘，改變能量對預傾角作圖，如圖 4-1-9 所示。
經過上述條件處理過的液晶樣品，其預傾角隨著能量的增加有越來越小的 趨勢，並在840V 以上液晶分子有趨於完全躺平在基板上，可調變的範圍 在2°以內。推測這些現象可能因為離子束能量太大將基板表面的地貌破 壞，因此在之後章節會加以詳述。
420V 560V 700V 840V
980V 1120V 1260V 1400V
圖4-1-8 固定離子轟擊時間 5 分鐘、改變能量，液晶樣品在正交偏振片下的照片
圖4-1-9 固定離子轟擊時間 5 分鐘、改變能量對預傾角之關係圖
400 600 800 1000 1200 1400
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Pretilt Angle (degree)
Bombarding Energy (V)
4-1-3 改變電漿處理時間對預傾角之效應
利用電漿處理鍍上聚醯亞胺薄膜之玻璃基板，將能量分別固定於 420V、560V，並且改變其離子轟擊時間，分別為 40 分鐘、20 分鐘、10 分鐘、5 分鐘。在正交偏光片下其液晶樣品照片如圖 4-1-11 與圖 4-1-12 所示，由圖可知在兩種不同能量處理下，皆能達到良好的配向效果；由於 先前的經驗，可以推測處理時間低於 2 分鐘的樣品，因為氧化鐵顆粒在玻 璃基板表面累積的量不夠無法影響液晶分子排列，造成缺陷很多，甚至沒 有配向效果，因此未在此探討。
針對上述的液晶樣品進行預傾角之量測，並將量測之預傾角與電漿處 理時間作圖，如圖4-1-13 與圖 4-1-14 所示。由圖可知在不同的能量處理 下，隨著電漿處理時間的增長，預傾角有越來越大的趨勢。圖4-1-14 為 將上述兩種能量之結果合併作圖，在電漿處理20 分鐘以下樣品的預傾角 差不到1°，但在處理 40 分鐘則是能量較大者其預傾角也比較大，最大預 傾角可高達15°。因此猜測能量的增加會使氧化鐵的沉積量越多，玻璃基 板表面的地貌也會隨著改變，影響預傾角的變化。
此外圖4-1-16 為固定能量 420V、電漿處理時間 10 分鐘及固定能量 560V、電漿處理時間 20 分鐘其預傾角的穩定度量測。由圖可知經電漿處 理後的液晶樣品，能量420V 放置八個月之後其預傾角大概有 1°的變化；
能量560V 放置八個月之後其預傾角沒有太大的變化，但樣品內的不同區 域中預傾角變化有越來越大的趨勢。
40min 20min 10min 5min
圖4-1-11 固定能量 420V、改變電漿處理時間，液晶樣品在正交偏振片下的照片
40min 20min 10min 5min
圖4-1-12 固定能量 560V、改變電漿處理時間，液晶樣品在正交偏振片下的照片
圖4-1-13 固定能量 420V、改變電漿處理時間對預傾角之關係圖
圖4-1-14 固定能量 560V、改變電漿處理時間對預傾角之關係圖
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Pretilt Angle (degree)
Treating Time (min)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Pretilt Angle (degree)
Treating Time (min)
圖4-1-15 兩種不同能量、改變電漿處理時間對預傾角之關係圖
Pretilt Angle (degree)
Treating Time (min)
0 50 100 150 200 250
420V 10min 560V 20min
Pretilt Angle (degree)
Time (day)
4-1-4 改變電漿能量對預傾角之效應
改變電漿束的能量由 420V 至 1400V，每 140V 為一間距，並固定電漿 處理時間10 分鐘，液晶樣品在正交偏光片下照片如圖 4-1-18 所示。由圖 看出樣品配向效果都很好，但在製作過程中需要注意一些事情，例如：在 灌入液晶時，必須先將液晶加熱至透明液態，同時也要加熱空樣品，以毛 細現象滲入液晶空盒中。主要是降低液晶的黏滯性，使基板不容易被破 壞；另一方面是為了使液晶樣品慢慢回溫，能夠重新排列。根據以往的經 驗，上述需注意的事情是因為在低能量的電漿處理下，表面沉積的氧化鐵 顆粒較大，故在灌入液晶時比較不容易沖毀表面顆粒；隨著能量增大，其 表面成績的氧化鐵顆粒越來越小，表面顆粒較容易沖毀。
固定電漿處理時間 10 分鐘，改變能量對預傾角作圖，如圖 4-1-19 所 示。在低能量420V~700V 電漿處理下，預傾角有增加的趨勢，最大預傾 角約4°；在高能量 840V 以上電漿處理的部分，預傾角則是沒有趨勢。由 其在電漿能量840V 的預傾角會突然掉到很小，猜測這些現象可能與表面 地貌或顆粒大小有關係，因此之後會進行表面分析，此部分在後面章節會 加以詳述。
420V 560V 700V 840V
980V 1120V 1260V 1400V
圖4-1-18 固定電漿處理時間 10 分鐘、改變能量，液晶樣品在正交偏振片下的照片
圖4-1-19 固定電漿處理時間 10 分鐘、改變能量對預傾角之關係圖
400 600 800 1000 1200 1400
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Pretilt Angle (degree)
Treating Energy (Volt)
4-2 離子束系統轟擊後的表面分析
4-2-1 AFM 與 SEM 表面分析
利用離子束轟擊過的基板表面會因為轟擊的條件使表面地貌改變，而 液晶樣品的配向效果或許與表面粗糙度有關，因此將經過離子束處理過的 玻璃基板進行AFM 掃描分析，附錄二為固定能量 560V、改變離子轟擊 時間之AFM 俯視圖。圖 4-2-1 為固定能量 560V、改變離子轟擊時間之 AFM 圖片，其中未經離子轟擊的聚醯亞胺表面相當平坦；隨著離子轟擊 的時間增長，表面已有被離子轟擊的痕跡，但轟擊10 分鐘以上的表面已 經產生顆粒越來越大的現象，推測表面已有鐵元素的產生，並且表面厚度 也越來越厚，更證明了經過長時間的離子轟擊厚度不減則增，是因為鐵沉 積的速度已大於離子轟擊的速度。
將上述條件的樣品做 SEM 掃描，圖 4-2-2 為固定能量 560V、改變離 子轟擊時間之SEM 照片，由圖可見未經過離子轟擊的表面地貌沒有任何 起伏，大致是平坦一片；由於經過離子轟擊表面的照片放大倍率都固定在 10 萬倍，因此可以明顯看出隨著離子轟擊的時間增長，表面的地貌有所 改變，經過轟擊5 分鐘已經有顆粒產生，顆粒的大小隨著轟擊的時間增長 而變大，甚至有互相聚集的現象，顆粒之間的縫隙也越大；直觀的思考會 認為轟擊的時間越久應當會將表面上的聚醯亞胺薄膜破壞並且厚度會變 薄，但事實並不如此，轟擊超過10 分鐘已經有沉積物開始堆積，並且堆 積速度已大於蝕刻速度。
附錄三為固定離子轟擊時間 5 分鐘、改變能量之 AFM 俯視圖。圖 2-4-3 為固定離子轟擊時間5 分鐘、改變離子束能量之 AFM 圖片，由圖可見在 固定離子轟擊時間下，離子束能量越大表面的破壞程度越大，；圖2-4-4 為固定離子轟擊時間5 分鐘、改變離子束能量之 SEM 圖片，與 AFM 結
果大致相同，在高能量980V~1400V 的表面又長出一根一根類似鐵的柱狀 物，此部分必須仰賴表面化學結構分析才能確定，在之後章節會再對此部 分加以說明。
利用 AFM 的掃描圖片計算表面粗糙度與氧化鐵的顆粒大小，及分析 軟體為SPI3800N Analysis，附錄一為其計算表面粗糙度與顆粒大小之結 果。圖4-2-5 為固定能量 560V、改變離子轟擊時間之表面粗糙度，由圖 可知，隨著離子轟擊時間的增加樣品表面粗糙度也隨著增加，其中在轟擊 10 分鐘到 20 分鐘之間的表面粗糙度有急劇增加的現象，推測在這段時間
利用 AFM 的掃描圖片計算表面粗糙度與氧化鐵的顆粒大小，及分析 軟體為SPI3800N Analysis，附錄一為其計算表面粗糙度與顆粒大小之結 果。圖4-2-5 為固定能量 560V、改變離子轟擊時間之表面粗糙度，由圖 可知，隨著離子轟擊時間的增加樣品表面粗糙度也隨著增加，其中在轟擊 10 分鐘到 20 分鐘之間的表面粗糙度有急劇增加的現象，推測在這段時間