TW201802277A

TW201802277A - 鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法

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Publication number: TW201802277A
Application number: TW105121174A
Authority: TW
Inventors: 廖博輝; 蕭健男; 蕭銘華; 陳昇暉; 陳日開
Original assignee: 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-16
Also published as: TWI615494B

Abstract

一種鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法，係藉由整合封閉式非平衡磁控濺鍍系統及高功率脈衝濺鍍技術，除了可降低反應溫度外，也可提高薄膜緻密度與附著力，使此裝置可應用於製鍍高透光性且高硬度之透明硬膜，經實驗證明此透明硬膜之折射率為所有鍍膜系統製鍍中最高者，且硬度亦為所有鍍膜系統製鍍中最高者，本發明中也藉由摻雜其他元素來提高穿透率，最後引進光學薄膜之理論，製鍍多層膜高透光硬膜，以應用於各種光學元件。

Description

鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法

本發明係有關於一種鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法，尤指涉及一種光學產業，特別係指鍍製無光學吸收之透明硬膜者。

目前薄膜技術已經廣泛應用於半導體、機械、民生、光電、能源、環保、生醫及奈米科技等產業，為了提供元件所需之特性如抗刮損、抗磨耗、耐腐蝕、抗氧化、提昇表面硬度、增添新色彩等優越性能，同時降低成本與提升產率，奈米尺度之硬質薄膜在現今之科技業越顯得重要。以往在奈米硬質薄膜之研究及應用中（如美國專利第2009173622、8,540,786號與中華民國專利第201315830號），多以過渡金屬之氮化物及碳化物為首選，以超高硬度、提昇表面硬度、耐腐蝕及增進抗磨耗與抗氧化作為取向，然而考量到不同應用需求，如蓬勃發展之光學產業，光學薄膜製程技術一直是光學產業中不可忽略重要基礎技術，而且品質要求也越來越高，例如液晶螢幕、高密度光碟、數位相機光學系統、投影技術、光纖通訊、微影技術及發光二極體等等皆大量需要光學薄膜製程技術，其中氟化物具有較寬之能帶，光可直接通過而不被吸收，因此係非常重要之光學材料。傳統上氟化物之鍍法可分為熱蒸鍍與濺鍍，且這兩種鍍膜方法之起始材料通常係昂貴之氟化物，熱蒸鍍所鍍出之膜雖有較小之光學吸收，但由於蒸鍍堆積密度低，因此對於環境影響明顯較差且機械性質普遍不好；若製程改以濺鍍，雖成膜能量較高，可以增加堆積密度，但對於光學吸收卻大幅度增加。有些研究表示在製程中添加氟氣可有效的改善膜質之吸收，但由於深具危險因此不予推崇，除此之外若以金屬為靶材進行反應濺鍍時，通入反應性氣體會毒化靶材造成電漿不穩、鍍率變慢，或反應不完全造成薄膜吸收等缺點。因此，實有必要發展一種可用於光學產業之無光學吸收之透明硬膜。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種整合可增加鍍膜速率及薄膜反應能力，也可維持電漿之穩定性；以及可降低基材之溫度外，也可提高薄膜緻密度與附著力等二項進步點之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法。本發明之次要目的係在於，提供一種可改進反應濺鍍化合物薄膜時反應不完全所造成之吸收之具有高機械及光學品質之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法。本發明之另一目的係在於，提供一種鍍製之光學硬膜可引進光學薄膜理論設計多層膜濾光片使觸控螢幕擁有高硬度及高可見光穿透率之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法。為達以上之目的，本發明係一種鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法，該封閉式高能磁控濺鍍裝置係包括：一真空腔體，其內設置有一基材固定座（substrate holder），該基材固定座上設置有一基材；一封閉式電漿系統，係包含至少兩組以上設置於該真空腔體內之濺鍍槍，該些濺鍍槍分別裝設有高純度之金屬靶材（target），該些金屬靶材分別對應該基材，其中，每一金屬靶材表面設有數個以不平行磁極排列之磁性元件以形成非平衡磁控濺鍍槍，而該金屬靶材係以廉價之高純度金屬作為起始材料，且為鈦（Ti）、鋁（Al）、鉭（Ta）、鋯（Zr）、鈮（Nb）、鉿（Hf）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、錫（Sn）、矽（Si）金屬或其組合；以及一高功率脈衝電漿源系統，其與該真空腔體連接，係包含一氣體供應器及一脈衝控制器，由該氣體供應器通入氧氣或氮氣或氮氧不同比例之氣體至該真空腔體，於室溫或低於600°C溫度下，經由該脈衝控制器調整鍍膜參數，提供高功率密度脈衝電源於該金屬靶材，對沉積中之薄膜進行離子轟擊，俾以製鍍高透光性、高硬度且厚度≤10μm之透明硬膜，其中該製鍍出之硬膜消光係數小於1×10^-3 且硬度大於莫氏硬度9（13Gpa）。於本發明上述實施例中，該磁性元件之磁力線係向外延伸至該基材之封閉曲線。於本發明上述實施例中，該高功率脈衝電漿源系統係用一直流電源（DC power）、一射頻（Radio Frequency, RF）、或一中頻（Medium Frequency, MF）與一高功率脈衝磁控濺鍍源（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS）搭配組合，以提供高功率密度脈衝電源至該金屬靶材。於本發明上述實施例中，該脈衝控制器調整之鍍膜參數，係包含調控脈衝電源之中斷時間（off time）佔工作週率（duty cycle）範圍為低於10%及脈衝頻率範圍為低於10 kHz。於本發明上述實施例中，該基材背面係設置有一加熱源，該加熱源係設置於該真空腔體內，從該基材背面提供加熱並控制其在所需溫度範圍。於本發明上述實施例中，該加熱源係為鹵素燈管或電阻式加熱器。於本發明上述實施例中，該透明硬膜係為氮化矽（Si₃ N₄ ）、氮氧化矽（Si_3-2x O_2x N_4(1-x) (0≤X≤1)）、氮化鋁（AlN）、氮氧化鋁（Al_3-x O_3x N_3(1-x) (0≤X≤1)）、氮化矽鋁（AlSiN）、氮氧化矽鋁（AlSiON）、氧化矽（SiO₂ ）、氧化鈦（TiO₂ ）、氧化鋯（ZrO₂ ）、氧化鋁（Al₂ O₃ ）、或氧化鉭（Ta₂ O₅ ）。於本發明上述實施例中，該透明硬膜可進一步應用光學薄膜理論製鍍為抗反射膜、帶通濾光片、截止濾光片、窄帶濾光片、或高反射鏡。於本發明上述實施例中，該封閉式電漿系統係在該些金屬靶材周圍設置氣體阻隔板，以將濺鍍區域與反應區域作隔離。

請參閱『第１圖～第７圖』所示，係分別為本發明之非平衡磁力線示意圖、本發明之濺鍍區域與反應區域隔離示意圖、本發明之封閉式高能磁控濺鍍裝置示意圖、本發明之高功率脈衝電漿源系統之脈衝電源配置示意圖、本發明之穿透率測試圖、本發明之硬度測試圖、及本發明之多層抗反射膜穿透率測試圖。如圖所示：本發明係一種鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法，該封閉式高能磁控濺鍍裝置係用來鍍製光學硬膜，其包括一真空腔體１、一封閉式電漿系統２、以及一高功率脈衝電漿源系統３所構成。上述所提之真空腔體１內設置有一基材固定座（substrate holder）１１，該基材固定座１１上設置有一基材４，該基材４背面更設置有一加熱源１２，該加熱源１２係設置於該真空腔體１內，從該基材４背面提供加熱並控制其在所需溫度範圍，其中，該加熱源１２係為鹵素燈管或電阻式加熱器。該封閉式電漿系統２包含至少兩組以上設置於該真空腔體１內之濺鍍槍２１，該些濺鍍槍２１分別裝設有高純度之金屬靶材（target）２２，該些金屬靶材２２分別對應該基材４，其中，每一金屬靶材２２表面設有數個以不平行磁極排列之磁性元件２３以形成非平衡磁控濺鍍槍。該高功率脈衝電漿源系統３係與該真空腔體１連接，係包含一氣體供應器３１及一脈衝控制器３２，並使用一直流電源（DC power）３３、一射頻（Radio Frequency, RF）３４、或一中頻（Medium Frequency, MF）與一高功率脈衝磁控濺鍍源（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS）３５搭配組合作為濺鍍電源，以提供高功率密度脈衝至該金屬靶材２２。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之封閉式高能磁控濺鍍裝置。上述裝置更包括一質量監控器５連接於該真空腔體１內，靠近被濺鍍之基材４。該質量監控器５如一石英晶體微量天平（Quartz Crystal Microbalance, QCM）可被用於測量基材上濺鍍薄膜之品質。上述封閉式電漿系統２中每一濺鍍槍２１之磁性元件２３（例如磁鐵）皆為非平衡系統，其磁力線可向外延伸，經適當濺鍍槍組合，其磁力線會是向外延伸至該基材之一封閉曲線。如第１圖所示，其可使本裝置產生a、b、c及d四個電漿區，因此基材、濺鍍出之靶材粒子及反應氣體都會在電漿籠罩中，可藉此增加鍍膜速率及薄膜與反應氣體之化合能力，也可維持電漿之穩定性。此外，本裝置亦可如第２圖所示，該封閉式電漿系統２可在該些金屬靶材周圍設置氣體阻隔板２４，以將濺鍍區域與反應區域作隔離，使此系統擁有高濺鍍率及高電漿穩定性。上述高功率脈衝電漿源３如第３、４圖所示，此於原本之直流濺鍍系統之直流電源３３上加裝脈衝控制器３２，在數百微秒內提供高功率密度脈衝電源（kW/cm² ）於該金屬靶材２２，該基材４上產生之離子電流密度可高出直流磁控濺鍍（direct current magnetron sputtering, dcMS）兩個數量級，藉由該脈衝控制器３２調整鍍膜參數，包含調控脈衝電源之中斷時間（off time），於低工作週率（duty cycle）運作（＜10%）及低脈衝頻率（＜10 kHz）使平均功率密度遠低於峰值功率密度，近似於一般dcMS（~W/cm² ），而電漿密度則提昇至10¹⁸ /m³ 以上，相較dcMS之電漿密度（10¹⁴ ～10¹⁶ /m³ ）約高出100～10000倍左右，其金屬靶材２２之游離率更高達70%以上。藉由此高功率密度脈衝電源對沉積中之薄膜進行離子轟擊，除了可降低基材４之溫度外，也可提高薄膜緻密度與附著力，本裝置非常適合應用於高品質之光學膜及硬膜。本發明整合此封閉式電漿系統２、及高功率脈衝電漿源系統３二種技術，並使用較廉價之高純度金屬作為起始材料，如鈦（Ti）、鋁（Al）、鉭（Ta）、鋯（Zr）、鈮（Nb）、鉿（Hf）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、錫（Sn）、矽（Si）金屬或其組合等，由該氣體供應器３１通入氧氣或氮氣或氮氧不同比例之氣體至該真空腔體１，於室溫或低於600°C溫度下，經由該脈衝控制器３２調整鍍膜參數，提供高功率密度脈衝電源於該金屬靶材２２，對沉積中之薄膜進行離子轟擊，俾以製鍍高透光性、高硬度且厚度≤10μm之透明硬膜，如氮化矽（Si₃ N₄ ）、氮氧化矽（Si_3-2x O_2x N_4(1-x) (0≤X≤1)）、氮化鋁（AlN）、氮氧化鋁（Al_3-x O_3x N_3(1-x) (0≤X≤1)）、氮化矽鋁（AlSiN）、氮氧化矽鋁（AlSiON）、氧化矽（SiO₂ ）、氧化鈦（TiO₂ ）、氧化鋯（ZrO₂ ）、氧化鋁（Al₂ O₃ ）、或氧化鉭（Ta₂ O₅ ）等，其中該製鍍出之硬膜消光係數小於1×10^-3 且硬度大於莫氏硬度9（13Gpa）。最後，該可應用光學薄膜理論，製鍍多層膜高透光硬膜，以應用於各種光學元件，如抗反射膜、帶通濾光片、截止濾光片、窄帶濾光片、或高反射鏡等。本發明藉由整合封閉式非平衡磁控濺鍍系統及高功率脈衝濺鍍技術，除了可降低反應溫度外，也可提高薄膜緻密度與附著力，使此裝置可應用於製鍍高透光性且高硬度之透明硬膜。如第５～７圖及表一所示，經實驗證明此透明硬膜之折射率為所有鍍膜系統製鍍中最高者，且硬度亦為所有鍍膜系統製鍍中最高者，本發明中也藉由摻雜其他元素來提高穿透率，最後引進光學薄膜之理論，製鍍多層膜高透光硬膜，以應用於各種光學元件。表一

藉此，本發明具有下列兩項進步點： 1. 本裝置可增加鍍膜速率及薄膜反應能力，也可維持電漿之穩定性。 2. 本裝置可降低基材之溫度外，也可提高薄膜緻密度與附著力。綜上所述，本發明係一種鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置及其製造方法，可有效改善習用之種種缺點，透過整合上述二項進步點，使本裝置可改進反應濺鍍化合物薄膜時反應不完全所造成之吸收，本裝置也可增加成膜能量以提高薄膜緻密度，進而提出一具有高機械及光學品質之新型濺鍍裝置及其製造方法，並應用此新型濺鍍技術鍍製透明硬膜材料，最後引進光學薄膜理論設計多層膜濾光片使觸控螢幕擁有高硬度及高可見光穿透率，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

（本發明部分）
１‧‧‧真空腔體
１１‧‧‧基材固定座
１２‧‧‧加熱源
２‧‧‧封閉式電漿系統
２１‧‧‧濺鍍槍
２２‧‧‧金屬靶材
２３‧‧‧磁性元件
２４‧‧‧氣體阻隔板
３‧‧‧高功率脈衝電漿源系統
３１‧‧‧氣體供應器
３２‧‧‧脈衝控制器
３３‧‧‧直流電源
３４‧‧‧射頻
３５‧‧‧高功率脈衝磁控濺鍍源
４‧‧‧基材
５‧‧‧質量監控器

第１圖，係本發明之非平衡磁力線示意圖。第２圖，係本發明之濺鍍區域與反應區域隔離示意圖。第３圖，係本發明之封閉式高能磁控濺鍍裝置示意圖。第４圖，係本發明之高功率脈衝電漿源系統之脈衝電源配置示意圖。第５圖，係本發明之穿透率測試圖。第６圖，係本發明之硬度測試圖。第７圖，係本發明之多層抗反射膜穿透率測試圖。

1‧‧‧真空腔體

11‧‧‧基材固定座

12‧‧‧加熱源

2‧‧‧封閉式電漿系統

21‧‧‧濺鍍槍

22‧‧‧金屬靶材

23‧‧‧磁性元件

3‧‧‧高功率脈衝電漿源系統

31‧‧‧氣體供應器

32‧‧‧脈衝控制器

33‧‧‧直流電源

34‧‧‧射頻

35‧‧‧高功率脈衝磁控濺鍍源

4‧‧‧基材

5‧‧‧質量監控器

Claims

一種鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，係包括：一真空腔體，其內設置有一基材固定座（substrate holder），該基材固定座上設置有一基材；一封閉式電漿系統，係包含至少兩組以上設置於該真空腔體內之濺鍍槍，該些濺鍍槍分別裝設有高純度之金屬靶材（target），該些金屬靶材分別對應該基材，其中，每一金屬靶材表面設有數個以不平行磁極排列之磁性元件以形成非平衡磁控濺鍍槍，而該金屬靶材係以廉價之高純度金屬作為起始材料，且為鈦（Ti）、鋁（Al）、鉭（Ta）、鋯（Zr）、鈮（Nb）、鉿（Hf）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、錫（Sn）、矽（Si）金屬或其組合；以及一高功率脈衝電漿源系統，其與該真空腔體連接，係包含一氣體供應器及一脈衝控制器，由該氣體供應器通入氧氣或氮氣或氮氧不同比例之氣體至該真空腔體，於室溫或低於600°C溫度下，經由該脈衝控制器調整鍍膜參數，提供高功率密度脈衝電源於該金屬靶材，對沉積中之薄膜進行離子轟擊，俾以製鍍高透光性、高硬度且厚度≤10μm之透明硬膜，其中該製鍍出之硬膜消光係數小於1×10^-3 且硬度大於莫氏硬度9（13Gpa）。
依申請專利範圍第１項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該磁性元件之磁力線係向外延伸至該基材之封閉曲線。
依申請專利範圍第１項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該高功率脈衝電漿源系統係用一直流電源（DC power）、一射頻（Radio Frequency, RF）、或一中頻（Medium Frequency, MF）與一高功率脈衝磁控濺鍍源（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS）搭配組合，以提供高功率密度脈衝電源至該金屬靶材。
依申請專利範圍第１項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該脈衝控制器調整之鍍膜參數，係包含調控脈衝電源之中斷時間（off time）佔工作週率（duty cycle）範圍為低於10%及脈衝頻率範圍為低於10 kHz。
依申請專利範圍第１項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該基材背面係設置有一加熱源，該加熱源係設置於該真空腔體內，從該基材背面提供加熱並控制其在所需溫度範圍。
依申請專利範圍第５項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該加熱源係為鹵素燈管或電阻式加熱器。
依申請專利範圍第１項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該透明硬膜係為氮化矽（Si₃ N₄ ）、氮氧化矽（Si_3-2x O_2x N_4(1-x) (0≤X≤1)）、氮化鋁（AlN）、氮氧化鋁（Al_3-x O_3x N_3(1-x) (0≤X≤1)）、氮化矽鋁（AlSiN）、氮氧化矽鋁（AlSiON）、氧化矽（SiO₂ ）、氧化鈦（TiO₂ ）、氧化鋯（ZrO₂ ）、氧化鋁（Al₂ O₃ ）、或氧化鉭（Ta₂ O₅ ）。
依申請專利範圍第１項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該透明硬膜可進一步應用光學薄膜理論製鍍為抗反射膜、帶通濾光片、截止濾光片、窄帶濾光片、或高反射鏡。
依申請專利範圍第１項所述之鍍製光學硬膜之封閉式高能磁控濺鍍裝置，其中，該封閉式電漿系統係在該些金屬靶材周圍設置氣體阻隔板，以將濺鍍區域與反應區域作隔離。