Controlling of the Titanium Doped on Hydrogenated Amorphous Carbon Film Deposited using Reactive High Power Impulse Magnetron Sputtering

Abstract

Using a feedback control technique, this thesis has developed a method for controlling the titanium doping concentration in diamond-like carbon films deposited by reactive high-power impulse magnetron sputtering. This method involves monitoring the average impulse current and adjusting the acetylene gas flow rate to maintain a constant average impulse current as specified. Consequently, the proportion of the titanium target surface not covered by a carbon layer can be controlled, facilitating precise regulation of the titanium content in the depositing films. The optical emission spectroscopy confirms a consistent correlation between the average current value, titanium content, and the titanium species in the emission spectrum.

Thin film characterization of the titanium-doped diamond-like carbon films revealed the versatility of the method, as the titanium concentration could be modulated within a wide range of 0.5 at.% to 80 at.%. Films containing more than 60 at.% titanium exhibited a columnar morphology with a density of approximately 4.7 g/cm³. Conversely, films with titanium concentrations ranging from 40-60 at.% showed the formation of titanium carbide crystals, exhibiting a hardness of approximately 13.33 ± 0.48 GPa. In addition, films with less than 40 at.% titanium, an amorphous structure was observed, characterized by a density of 1.64 g/cm³ and a hardness of about 5.58 ± 0.03 GPa. Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy analyses indicated that films with less than 40 at.% titanium exhibited an increased proportion of C-C sp³ bonds. Moreover, compositional analysis using Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES) demonstrated that the feedback control technique enabled constant titanium-to-carbon doping ratios throughout the film thickness.

งานวิจัยนี้ได้พัฒนาวิธีการควบคุมปริมาณการเจือไทเทเนียมในฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรที่เคลือบด้วยวิธีรีแอคทีฟไฮเพาเวอร์อิมพัลส์แมกนีตรอนสปัตเตอริงภายใต้การควบคุมป้อนกลับ ศึกษาสเปกตรัมทางแสงของพลาสมา และศึกษาอิทธิพลของปริมาณไทเทเนียมในฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรที่มีผลต่อโครงสร้างระดับจุลภาคฟิล์มบาง เทคนิคควบคุมป้อนกลับ ด้วยวิธีอ่านค่าเฉลี่ยของกระแสอิมพัลส์และปรับอัตราไหลแก๊สอะเซทิลีนเพื่อควบคุมค่าเฉลี่ยของกระแสอิมพัลส์ให้คงที่ตามที่กำหนด สามารถควบคุมสัดส่วนพื้นที่ผิวเป้าไทเทเนียมที่ไม่ถูกปกคลุมด้วยชั้นสารประกอบคาร์บอนได้อย่างมีเสถียรภาพ นำไปสู่การควบคุมปริมาณสารเจือไทเทเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากการวินิจฉัยด้วยเทคนิคการวัดสเปกตรัมทางแสงของพลาสมา พบว่าความสัมพันธ์ระหว่างค่ากระแสเฉลี่ย ปริมาณสารเจือไทเทเนียม และสเปกตรัมการปลดปล่อยแสงของไทเทเนียมในพลาสมามีความสอดคล้องกัน

ผลการวิเคราะห์โครงสร้างและสมบัติของฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรที่เจือไทเทเนียมพบว่า สามารถควบคุมปริมาณสารเจือไทเทเนียมในเนื้อฟิล์มได้ในช่วง 0.5 at.% ถึง 80 at.% ฟิล์มที่มีปริมาณไทเทเนียมมากกว่า 60 at.% จะมีลักษณะสัณฐานเป็นคอลัมนาร์ มีความหนาแน่นประมาณ 4.7 g/cm3 ในขณะที่ฟิล์มที่มีปริมาณไทเทเนียมอยู่ในช่วง 40-60 at.% เกิดการฟอร์มตัวของผลึกไทเทเนียมคาร์ไบด์ และมีความแข็งประมาณ 13.33 ± 0.48 GPa เมื่อปริมาณไทเทเนียมมีค่าน้อยกว่า 40 at.% ฟิล์มมีโครงสร้างแบบอสัณฐาน มีความหนาแน่นของฟิล์มประมาณ 1.64 g/cm3 และมีความแข็งประมาณ 5.58 ± 0.03 GPa การตรวจวัดด้วยเทคนิครามานสเปกโทรสโคปี และเทคนิคสเปคโตรสโคปีของอนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยด้วยรังสีเอกซ์ แสดงให้เห็นว่าฟิล์มที่มีปริมาณไทเทเนียมน้อยกว่า 40 at.% จะมีสัดส่วนพันธะ C-C sp3 เพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้ผลของการวิเคราะห์องค์ประกอบของฟิล์มด้วยเทคนิค GD-OES พบว่าเทคนิคควบคุมป้อนกลับ ทำให้ปริมาณสารเจือไทเทเนียมต่อปริมาณคาร์บอนมีค่าคงที่ตลอดความหนาของฟิล์ม