TW201910259A

TW201910259A - 光學膜、光學膜組件及其製造方法

Info

Publication number: TW201910259A
Application number: TW106127096A
Authority: TW
Inventors: 陳昇暉; 詹世豪; 曾少澤; 廖博輝
Original assignee: 國立中央大學
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2019-03-16
Also published as: TWI663122B

Abstract

本發明提供一種光學膜、光學膜組件及其製造方法，該光學膜的材質為氮化矽，並滿足以下(I)至(III)之條件：(I) 該光學膜的密度介於2.7至4.2 g．cm^-3 之間；(II) 該光學膜的折射率介於1.6至2.1之間；以及(III) 該光學膜的硬度介於18 GPa至30 GPa之間。

Description

光學膜、光學膜組件及其製造方法

本發明為有關一種膜片，尤指一種具有高透光性、高硬度的光學膜，以及包括該光學膜的光學膜組件及其製造方法。

隨著薄膜技術日趨成熟，不僅可應用於民生、機械領域，也廣泛地應用在諸如半導體、光電、生醫及奈米科技等高科技產業中。

但為了提供更好的抗刮損、耐磨耗性能，或者希望在元件中添加如色彩等額外特性，在相關領域中也有許多研究團隊對於鍍膜方法或是薄膜本身特性進行研究。譬如，中國專利公開號CN105522789A揭示一種鍍膜玻璃，係使用磁控濺鍍法形成，包括玻璃基板以及結合在該玻璃基板至少一表面的膜層，該模層材料成分包括Al₂ O₃ ，且鍍膜後具有抗刮性能；或者如美國專利號US8,540,786揭示的用於製造物理氣相沉積塗層的方法及切削工具，主要在基底上透過高功率脈衝磁控濺射HIPIMS來沉積晶體金屬氧化物、氮化物、碳化物或其混合物，於該專利說明書所揭示的實施例中，所沉積的膜層材質為(Al_1-x Me_x )₂ O₃ 或尖晶石(Me)_x Al₂ O_3+x 的混合氧化物，其中0＜X≦1，且Me係一種或多種選自由Mg、Zn、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Cd、Cu、Cr及Sn的金屬。

光學薄膜製程技術乃左右光學儀器品質優劣的關鍵，故在光學產業中，鍍膜技術及光學膜的品質更顯重要。在業界對於品質要求日益提升的情況下，目前所使用的光學膜在硬度及透光率方面都還有改進的空間，亟需開發出品質更優良的光學膜以滿足市場需求。

本發明的主要目的，在於提升習知光學膜在硬度及透光率等光學特性。

為達上述目的，本發明提供一種具有高透光性、高硬度的光學膜，該光學膜的材質為氮化矽，且滿足以下(I)至(III)之條件：(I)該光學膜的密度介於2.7至4.2 g．cm^-3 之間；(II)該光學膜的折射率介於1.6至2.1之間；以及(III)該光學膜的硬度介於18 GPa至30 GPa之間。

本發明亦提供一種光學膜組件，包括：n層彼此堆疊之複合膜層，該複合膜層係包括一氮化矽層以及一氮氧化矽層，n為一正整數；以及一氮氧化矽層，係形成於該複合膜層之一最外側；其中，該氮化矽層滿足以下(I)至(III)之條件：(I)該氮化矽層的密度介於2.7至4.2 g．cm^-3 之間；(II)該氮化矽層的折射率介於1.6至2.1之間；以及(III)該氮化矽層的硬度介於18 GPa至30 GPa之間。

本發明更提供一種光學膜組件之製造方法，包括：提供一基材；以及提供一封閉式磁控濺鍍裝置，該封閉式磁控濺鍍裝置包括一真空腔體、一連接該真空腔體之高功率脈衝電漿源系統、以及至少兩組設置在該真空腔體內之濺鍍槍，該濺鍍槍內裝設有靶材，每一該靶材表面設有複數個以不平行磁極排列之磁性元件以使該濺鍍槍為一非平衡磁控濺鍍槍，該高功率脈衝電漿源系統提供一高功率脈衝電漿源予該濺鍍槍以於該基材之一表面形成一氮化矽層，其中，該氮化矽層滿足以下(I)至(III)之條件：(I) 該氮化矽層的密度介於2.7至4.2 g．cm^-3 之間；(II) 該氮化矽層的折射率介於1.6至2.1之間；且(III) 該氮化矽層的硬度介於18 GPa至30 GPa之間。

經實際測試，本發明的光學膜相較於習知技術而言，其緻密度與附著力均有改善，因此特別在折射率及硬度方面也有顯著的提升，為目前已知鍍膜系統所鍍製的成品中最佳，折射率介於1.6至2.1之間、硬度在18 GPa以上，甚至高達28 GPa至30 GPa，有利於應用在各種光學元件之中。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

第一實施例

本發明的第一實施例提供一種材質為氮化矽(Si₃ N₄ )的光學膜，並將該光學膜鍍在一基材上，參考以下步驟S1及S2：

S1：提供一基材，本實施例中，該基材可為一玻璃、一塑膠、或其他適用之基材。

S2：提供一封閉式磁控濺鍍裝置，該封閉式磁控濺鍍裝置包括一真空腔體、一連接該真空腔體之高功率脈衝電漿源系統、以及至少兩組設置在該真空腔體內之濺鍍槍。

該高功率脈衝電漿源系統包括一氣體供應器以及一脈衝控制器，並可使用一直流電源、一射頻、或一中頻與一高功率脈衝磁控濺鍍源搭配組合作為一濺鍍電源。

該濺鍍槍內則裝設有靶材，且每一該靶材表面設有複數個以不平行磁極排列之磁性元件以使該濺鍍槍為一非平衡磁控濺鍍槍，並於該靶材周圍設置氣體阻隔板使得濺鍍區域與反應區域得以區隔，且，本發明的封閉式磁控濺鍍裝置中，該些磁性元件的磁力線係為向外延伸至該基材的封閉曲線。

如此一來，將該基材放置於該封閉式磁控濺鍍裝置的一基材固定座之後，由該氣體供應器通入氧氣、氮氣、或者惰性氣體到該真空腔體中，經由該脈衝控制器控制鍍膜參數，並利用該高功率脈衝電漿源系統提供該濺鍍電源予該靶材，以於該基材之一表面鍍上一氮化矽層。

利用反射式電子繞射儀量測依上述方法製得的該光學膜件組，其密度為3.39 g．cm^-3 ，其硬度可達29 GPa。作為比較參考，材質為二氧化矽的一光學膜件組，以同樣的方法及儀器進行測試所測得的密度為2.65 g．cm^-3 。

另以利用光譜儀量測該光學膜之穿透率後，再透過擬合方法得到該光學膜件組之折射率，測得該光學膜的折射率約為2.0。此外，亦以相同方法量測該光學膜的消光係數，其消光係數係介於1×10^-4 至1×10^-3 之間。

第二實施例

本發明第二實施例的光學膜組件1包括第一實施例中的該氮化矽(Si₃ N₄ )光學膜。

請參考『圖1』，該光學膜組件1包括n層彼此堆疊之複合膜層10，且該光學膜組件1設置於一基材2上。本實施例中，該複合膜層10係由一氮化矽層102以及一氮氧化矽層101所組成，n為一正整數，於一較佳實施例中，n介於1至6之間，且在該複合膜層10之最外側為一氮氧化矽層101作為頂膜11以達到優異的抗反射效果，上述「該複合膜層10之最外側」，係指光線射入該光學膜組件1之該側。

第二實施例中，該光學膜組件的形成方式與第一實施例之方法相似，均是在一適當的基材2上，利用該封閉式磁控濺鍍裝置，以於該基材2之一表面依序鍍上該氮氧化矽層101、該氮化矽層102、該氮氧化矽層101、該氮化矽層102，依此類推，惟每層膜的厚度都會對不同波長的光產生影響，因此在第二實施例中，每一該氮氧化矽層101或該氮化矽層102的厚度範圍介於20 nm至200 nm之間。

同樣地，在第二實施例中，該光學膜組件的該氮化矽層102之密度約為3.39 g．cm^-3 ，其硬度可達29 GPa，此外，該氮化矽層的折射率介於約1.6至約2.1之間。

請續參考『圖2』，本發明第二實施例的光學膜組件在製造過程中因通入氧氣形成氮氧化矽所造成的折射率及硬度改變示意圖。由『圖2』結果可見，當通入的氧氣越多時折射率會越低，相對的硬度也會下降，顯見本發明的光學膜組件中，折射率越高則硬度越高。

『圖3A』至『圖3F』則為本發明第二實施例的光學膜組件的抗反射光譜圖，為該光學膜組件中具有3層(『圖3A』，n為1)、5層(『圖3B』，n為2)、7層(『圖3C』，n為3)、9層(『圖3D』，n為4)、11層(『圖3E』，n為5)、13層(『圖3F』，n為6)由基材2開始依序層疊該氮氧化矽層101及該氮化矽層102的情況。本次測試係利用光譜儀進行，波長為400~700nm，係為可見光的區段，中心波長為550nm。由『圖3B』可知，當該光學膜組件中包括有約5層(n為2) 由基材2開始依序層疊之該氮氧化矽層101及該氮化矽層102時，已可滿足一般可見光抗反射光譜的需求。

綜上所述，本發明的光學膜在折射率及硬度方面也有顯著的提升，為目前已知鍍膜系統所鍍製的成品中最佳，適合應用在各種光學元件之中。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

1‧‧‧光學膜組件

10‧‧‧複合膜層

101‧‧‧氮氧化矽層

102‧‧‧氮化矽層

11‧‧‧頂膜

2‧‧‧基材

n‧‧‧複合膜層的組數

『圖1』，係本發明第二實施例的光學膜組件結構示意圖。『圖2』係鍍製本發明第二實施例的光學膜組件過程中通入氧氣後形成氮氧化矽造成的折射率及硬度改變示意圖。『圖3A』至『圖3F』為本發明第二實施例的光學膜組件的抗反射光譜圖。

Claims

一種光學膜，其材質為氮化矽，該光學膜滿足以下(I)至(III)之條件： (I) 該光學膜的密度介於2.7至4.2 g．cm^-3 之間； (II) 該光學膜的折射率介於1.6至2.1之間；以及 (III) 該光學膜的硬度介於18 GPa至30 GPa之間。
如申請專利範圍第1項所述之光學膜，其中，該光學膜之消光係數介於1×10^-4 至1×10^-3 之間。
一種光學膜組件，包括： n層彼此堆疊之複合膜層，該複合膜層係包括一氮化矽層以及一氮氧化矽層，n為一正整數；以及一氮氧化矽層，係形成於該複合膜層之一最外側；其中，該氮化矽層滿足以下(I)至(III)之條件： (I) 該氮化矽層的密度介於2.7至4.2 g．cm^-3 之間； (II) 該氮化矽層的折射率介於1.6至2.1之間；以及 (III) 該氮化矽層的硬度介於18 GPa至30 GPa之間。
如申請專利範圍第3項所述之光學膜組件，其中，n為一介於2至6之正整數。
如申請專利範圍第3項所述之光學膜組件，其中，該氮化矽層之消光係數介於1×10^-4 至1×10^-3 之間。
如申請專利範圍第3項所述之光學膜組件，其中，每一該氮氧化矽層以及該氮化矽層之厚度係獨立地介於20 nm至200 nm之間。
一種光學膜組件之製造方法，包括：提供一基材；以及提供一封閉式磁控濺鍍裝置，該封閉式磁控濺鍍裝置包括一真空腔體、一連接該真空腔體之高功率脈衝電漿源系統、以及至少兩組設置在該真空腔體內之濺鍍槍，該濺鍍槍內裝設有靶材，每一該靶材表面設有複數個以不平行磁極排列之磁性元件以使該濺鍍槍為一非平衡磁控濺鍍槍，該高功率脈衝電漿源系統提供一高功率脈衝電漿源予該濺鍍槍以於該基材之一表面形成一氮化矽層，其中，該氮化矽層滿足以下(I)至(III)之條件： (I) 該氮化矽層的密度介於2.7至4.2 g．cm^-3 之間； (II) 該氮化矽層的折射率介於1.6至2.1之間；且 (III) 該氮化矽層的硬度介於18 GPa至30 GPa之間。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，該基材之材質係為一玻璃或一塑膠。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，在該基材之該表面形成該氮化矽層之前，先在該基材之該表面形成一氮氧化矽層。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，該磁性元件的磁力線係為一向外延伸至該基材的封閉曲線。