TWI698540B - 彩色薄膜及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種彩色薄膜及其形成方法。在一些實施例此方法使用單一純鈦靶材，藉由調整氮氣通入量、工作壓力、濺射功率以及濺射時間，改變氮氧化鈦層中的氮氧莫耳比值，以獲得具有不同呈色及厚度的單層氮氧化鈦彩色薄膜。此彩色薄膜具有良好的附著性、平坦表面及金屬光澤。

Description

彩色薄膜及其形成方法

本發明是有關於一種彩色薄膜的形成方法，且特別是有關於一種單層彩色薄膜的形成方法，其係藉由調整濺射功率、工作壓力、氮氣通入量及/或濺射時間而達成。上述形成方法可進一步包含控制上述參數，以決定彩色薄膜的呈色。

裝飾性彩色薄膜目前被廣泛地應用於各種領域中，如：汽車工業、珠寶、家具、建材、電子產品等。做為裝飾性彩色薄膜，需具有良好的附著性，且較佳可具有金屬光澤。所述金屬光澤又受彩色薄膜的表面平坦度所影響。

目前已知有一技術藉由分別濺鍍氮氧化鈦薄膜、二氧化鈦薄膜、氮化矽薄膜以及二氧化矽薄膜之堆疊於基材上，以呈現特定的顏色。在此方法中，需分別使用鈦靶材與矽靶材，並分別通入氧氣、氮氣和惰性氣體，才能製得所述堆疊。因此，製程成本較高且技術複雜。此外，此方法並未提供何以調整顏色的依據。

尚有一技術係沉積彩色氮化矽薄膜於基材上。 此技術僅通入氮氣，並根據不同流量的氮氣獲得金黃色、藍色、紫色等顏色的彩色氮化矽薄膜。此方法雖然揭露使用較大流量的氮氣可使彩色氮化鈦薄膜由金黃色轉變為藍色、紫色，然而大量通入氮氣會使氮氣在靶材表面上反應，造成鍍率低的缺點。

鑒於上述的種種缺點，目前亟需提出一種彩色薄膜及其製造方法，其可藉由調整製程參數而獲得具有預定呈色的單層彩色薄膜，並簡化現有製程。此外，所製得的彩色薄膜可具有良好的附著性、平坦的表面與金屬光澤。

本發明的一個態樣在於提供一種彩色薄膜的形成方法。在一些實施例中，此方法包含：首先，提供金屬基材。接下來，對金屬基材進行濺鍍操作，以形成具有預定呈色的單層氮氧化鈦薄膜於金屬基材上。所述濺鍍操作包含使用150W至350W之濺射功率，以惰性氣體與氮氣的混合氣體，濺射鈦靶材。所述氮氣佔混合氣體之體積的1.5%至35%。

依據本發明的一實施例，所述濺射操作係進行10分鐘至40分鐘。

依據本發明的一實施例，所述濺射操作係於35℃至45℃的溫度下進行。

依據本發明的一實施例，所述濺射操作之一工作壓力為3mtorr至5mtorr。

依據本發明的一實施例，所述濺射操作係於反應腔體中進行，且進行濺射操作前，反應腔體之背景壓力為5×10^-6torr至8×10^-6torr。

依據本發明的一實施例，當濺鍍功率越小時，所述預定呈色趨向CIELAB色空間的第一象限和第二象限。

依據本發明的一實施例，當濺鍍功率越大時，預定呈色趨向CIELAB色空間的第三象限和第四象限。

本發明的另一個態樣在於提供一種彩色薄膜，其係使用如上述之彩色薄膜的製造方法而形成於基材上。所述彩色薄膜為單層氮氧化鈦薄膜。

依據本發明的一實施例，所述單層氮氧化鈦薄膜的一厚度為160nm至250nm。

依據本發明的一實施例，所述單層氮氧化鈦薄膜的氮氧莫耳比值為0.03至0.2。

100‧‧‧方法

110‧‧‧提供金屬基材

120‧‧‧進行清洗步驟

130‧‧‧進行預濺鍍步驟

140‧‧‧降低反應腔體中的背景壓力至預定值

150‧‧‧進行濺鍍步驟

201‧‧‧反應腔體

202‧‧‧清洗步驟

203‧‧‧第一氣體通入口

204‧‧‧濺鍍步驟

205‧‧‧第二氣體通入口

207‧‧‧氣體抽出口

210‧‧‧金屬基材

220‧‧‧純鈦靶材

230‧‧‧單層氮氧化鈦薄膜

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

[圖1]為根據本發明的一些實施例所述之彩色薄膜的形成方法之示意流程圖。

[圖2A]至[圖2D]為根據本發明的一些實施例所述之彩色薄膜的形成方法之多個製程階段的示意剖面圖。

[圖3]為本發明實施例1至5之設置於鋁基材上的單層氮氧化鈦薄膜之呈色照片。

[圖4]為本發明實施例1至5之設置於鋁基材上的單層氮氧化鈦薄膜，利用紫外光-可見光光譜儀測得之在可見光波長範圍的反射率。

[圖5]為本發明實施例1至5之設置於鋁基材上的單層氮氧化鈦薄膜之呈色的CIELAB色空間圖。

[圖6A]至[圖6C]為本發明實施例2至4的表面粗糙度之電子顯微鏡圖。

[圖7]為本發明實施例1至4的單層氮氧化鈦薄膜之氮氧莫耳比值之折線圖。

[圖8A]和[圖8B]分別為實施例6和實施例7之單層氮氧化鈦薄膜的呈色之CIELAB色空間圖。

[圖9]為實施例6之單層氮氧化鈦薄膜的氮氧莫耳比值之折線圖。

本發明的一個態樣在於提供一種彩色薄膜的形成方法。在一些實施例中，此方法使用單一純鈦靶材，藉由調整氮氣通入量、工作壓力、濺射功率以及濺射時間，改變氮氧化鈦層中的氮氧莫耳比值，以獲得具有不同預定呈色及厚度的單層氮氧化鈦(TiN_xO_y)彩色薄膜。此彩色薄膜具有良好的附著性、平坦表面及金屬光澤。

請參考圖1及圖2A至圖2D。圖1為根據本發明的一些實施例所述之彩色薄膜的形成方法之示意流程圖。需特別說明的是，在如圖1所示的各步驟前、中或後可加入其他步驟，且如圖1所示的各步驟可根據需求而調整或省略。圖2A至圖2D為根據本發明的一些實施例所述之彩色薄膜的形成方法之多個製程階段的示意剖面圖。

在步驟110中，提供金屬基材210，如圖2A所示。在一些實施例中，所述金屬基材210可例如為鋁、不鏽鋼或鈦。在一些實施例中，此金屬基材210可經過事先拋光，以平坦化其表面並增加金屬光澤。

選擇性地，如步驟120所示，對金屬基材210進行清洗步驟202，如圖2A所示。在一些實施例中，清洗步驟202包括使用一或多種的有機溶劑清洗金屬基材210的表面，並接著以水清洗後，再進行烘乾。在一些例子中，所述有機溶劑可包括丙酮或乙醇等。在一例子中，此清洗步驟202係使用丙酮去除金屬基材210表面的汙染物，接著將金屬基材210浸泡於乙醇中，以增加金屬基材210表面的親水性。然後，以水清洗後烘乾此金屬基材210。在一些實施例中，將清洗後的金屬基材210置入反應腔體201中。

選擇性地，如步驟130所示，對反應腔體201進行預濺鍍步驟。此預濺鍍步驟係從第一氣體通入口203，將惰性氣體通入至反應腔體201，並藉由與氣體抽出口207連通的真空幫浦(未繪示)，抽出此惰性氣體及原本存在於反應腔體201中的其他雜質，藉以減少反應腔體201的汙染源。在一些實施例中，此惰性氣體可為氬氣。

選擇性地，如步驟140所示，藉由上述之真空幫浦降低反應腔體201中的背景壓力至預定值。在一些實施例中，上述背景壓力的預定值為5×10^-6torr至8×10^-6torr。此背景壓力影響反應腔體201中的氧含量。由於本發明之彩色薄膜的形成方法排除額外通入氧氣，故控制此背景壓力相當於控制所形成的氮氧化鈦彩色薄膜的氮氧莫耳比值。倘若上述背景壓力大於8×10^-6torr，反應腔體201內過多的氧氣將造成氮氧化鈦彩色薄膜的氮氧莫耳比值過低，致使無法根據預定參數獲得預定呈色的氮氧化鈦彩色薄膜。

在步驟150中，進行濺鍍步驟204，如圖2C所示。在此濺鍍步驟204中，從第一氣體通入口203通入惰性氣體(例如氬氣)及從第二氣體通入口205通入氮氣，以撞擊純鈦靶材220並於金屬基材210上濺鍍單層氮氧化鈦薄膜230，如圖2D所示。

在一些實施例中，氮氣與惰性氣體形成混合氣體，且氮氣佔此混合氣體之體積的1.5%至35%。當所用之氮氣體積未落於上述範圍時，無論過多或過少皆會導致所得之單層氮氧化鈦薄膜之氮氧莫耳比值下降，而未能獲得預定呈色。在一些實施例中，在相同濺鍍功率下，於本發明主張的氮氣於混合氣體中所佔比例的範圍內，當氮氣所佔體積比例越大時，單層氮氧化鈦薄膜的呈色趨向CIELAB色空間的第一象限和第二象限，例如偏黃色、綠色。在另一些實施例中，當氮氣所佔體積比例越小時，單層氮氧化鈦薄膜的呈色趨向CIELAB色空間的第三象限和第四象限，例如偏藍色、紫色。

在一些實施例中，所通入的混合氣體使得在濺鍍操作204時之反應腔體201的工作壓力為3mtorr至5mtorr。當此工作壓力過低時，反應腔體201內的粒子的平均自由徑過長，致使鍍率下降。另一方面，當此工作壓力過高時，反應腔體201中的雜質過多，亦不利於單層氮氧化鈦薄膜的形成。

在一些實施例中，此濺射操作204係於35℃至45℃的溫度下進行。過低的工作溫度造成鍍率下降，然而若工作溫度過高，則會造成單層氮氧化鈦薄膜的結構改變、過度氧化等問題，而無法控制單層氮氧化鈦薄膜的呈色、光澤及/或表面平坦度。

在一些實施例中，此濺射操作204的功率為150W至350W。當功率過低時，由於氮氣與鈦之反應性不佳致使鍍率降低，或無法形成預定氮氧莫耳比值的單層氮氧化鈦薄膜。另一方面，過高的功率造成濺射操作204的工作溫度上升，而有如前述之缺點。在一些實施例中，在本發明主張的功率範圍內，當濺鍍功率越小(例如不大於250W)時，單層氮氧化鈦薄膜的呈色趨向CIELAB色空間的第一象限和第二象限，例如偏黃色、綠色。在另一些實施例中，當濺鍍功率越大(例如大於250W)時，單層氮氧化鈦薄膜的呈色趨向CIELAB色空間的第三象限和第四象限，例如偏藍色、紫色。

在一些實施例中，此濺射操作204進行10分鐘至40分鐘。當濺射操作204進行的時間過短，無法形成預定 厚度的單層氮氧化鈦薄膜，從而影響其呈色。然而，當濺射操作204進行的時間過長，除單層氮氧化鈦薄膜厚度過厚影響呈色外，也造成工作溫度的上升，帶來諸多上述溫度過高的缺點。

在一些實施例中，濺鍍步驟204可例如為反應式射頻磁控濺鍍步驟或直流式磁控濺鍍步驟。

在一些實施例中，藉由上述方法製得的單層氮氧化鈦彩色薄膜可具有160nm至250nm的厚度。特別是，本發明之方法僅須小幅度改變彩色薄膜的厚度，則可獲得黃色至紫色此區間的任意呈色的彩色薄膜。

在一些實施例中，藉由上述方法製得的單層氮氧化鈦彩色薄膜可具有0.03至0.2的氮氧莫耳比值。在一些實施例中，濺鍍功率越大，氮氧莫耳比值越大。在另一些實施例中，氮氣於混合氣體中所佔比例越小，氮氧莫耳比值越大。即氮氧莫耳比值越大，單層氮化鈦彩色薄膜的呈色趨向CIELAB色空間的第三象限和第四象限，例如偏藍色、紫色。反之，趨向CIELAB色空間的第一象限和第二象限，例如偏黃色、綠色。此處所稱之氮氧莫耳比值代表在單層氮氧化鈦薄膜中，氮原子和氧原子的個數比值。

在一些實施例中，單層氮氧化鈦薄膜230中包含氮化鈦和氧化鈦之複合物。在一些例子中，單層氮氧化鈦薄膜230中包含氮化鈦的晶體結構。在一些例子中，此些晶體結構的晶向包含TiN(111)、TiN(200)及/或TiN(100)。

在一些實施例中，本發明的彩色薄膜的形成方法及此彩色薄膜可應用於建材、家具、金屬飾品、汽車板金、家電或其他電子產品等的裝飾性色彩。

以下利用數個實施例說明本發明之彩色薄膜的形成方法。

實施例1

首先，將鋁基材進行拋光，使其表面為緻密且平整的氧化物所覆蓋。接下來，以丙酮清洗拋光後的鋁基材。然後，將鋁基材浸泡於乙醇當中後，再以去離子水清洗。將清洗後的鋁基材烘乾後，放置於反應式射頻磁控濺鍍的反應腔體中。於反應腔體中通入氬氣，以清理反應腔體。之後，將反應腔體內的背景壓力抽真空至6×10^-6torr，接著進行濺鍍步驟。所述濺鍍步驟的製程參數如下：氬氣流量30sccm；氮氣流量5sccm；工作壓力5mtorr；反應時間30分鐘；反應溫度35℃至45℃；以及，濺射功率150W。關於實施例1所得的單層氮氧化鈦薄膜之厚度、附著性、可見光範圍之反射率、呈色，以及氮氧莫耳比值，悉如表1和圖3至圖5及圖7所示。

實施例2至5

實施例2至5係使用與實施例1相同的方法進行，不同的是，實施例2至5改變濺鍍步驟的功率。關於實施例2至5的濺鍍功率，以及所得的單層氮氧化鈦薄膜之厚度、附著性、可見光範圍之反射率、呈色，以及氮氧莫耳比值，悉如表1和圖3至圖5及圖7所示。此外，圖6A至圖6C亦顯示實施例2至4的表面粗糙度之電子顯微鏡圖。

實施例6

實施例6使用與實施例1相同的方式進行。不同的是，實施例6固定濺鍍功率為200W，並調整氮氣流量為0.5sccm、1sccm、5sccm、及10sccm，以觀察不同氮氣流量對呈色及單層氮氧化鈦薄膜之氮氧莫耳比值的影響。實施例6的其他製程條件與實施例1相同，此處不另贅述。實施例6的呈色和氮氧莫耳比值如圖8A和圖9所示。

實施例7

實施例7使用與實施例6相同的方式進行。不同的是，實施例7固定濺鍍功率為350W。實施例7的其他製程條件與實施例6相同，此處不另贅述。實施例7的呈色和氮氧莫耳比值如圖8B和圖9所示。

本發明之附著力的測試係採用ASTMD3359-97的標準方法進行。簡單來說，將設於鋁基材上的單層氮氧化鈦薄膜切割為每排和每列6至7個小方格，並以膠帶黏貼此些小方格並觀察其剝落情況。依上述剝落情況分為下述的評價等級。

5B：裁切邊緣維持平整，且小方格中的薄膜未脫落。

4B：在裁切交叉處有小片薄膜剝落，此影響範圍少於整 體的5%。

3B：在裁切交叉處有小片薄膜剝落，此影響範圍為整體的5至15%。

2B：在裁切邊緣與小方格中的一部分有薄膜脫落。此影響範圍為整體的15%至35%。

1B：在裁切邊緣有帶狀或整個小方格脫落。此影響範圍為整體的35%至65%。

0B：較1B級脫落情況更嚴重的狀態。

請參考表1及圖3至圖5。圖3為本發明實施例1至5之設置於鋁基材上的單層氮氧化鈦薄膜之呈色照片。圖4為本發明實施例1至5之設置於鋁基材上的單層氮氧化鈦薄膜，利用紫外光-可見光光譜儀測得之在可見光波長範圍的反射率。圖5為本發明實施例1至5之設置於鋁基材上的單層氮氧化鈦薄膜之呈色的CIELAB色空間圖。

如表1及圖3至圖5所示，當濺射功率越大，在相同的濺鍍時間下可獲得厚度較厚的單層氮氧化鈦薄膜，且此膜的呈色會趨向CIELAB色空間的第三象限及第四象限。反之，當濺射功率越小，在相同的濺鍍時間下可獲得厚度較薄的單層氮氧化鈦薄膜，且此膜的呈色會趨向CIELAB色空間的第一象限及第二象限。

進一步而言，在實施例1至5的例子中，濺射功率的大小可控制單層氮氧化鈦薄膜的呈色趨向CIELAB色空間的第二象限或第四象限。

此外，根據表1也可得知，利用本發明之形成方 法所得的單層氮氧化鈦薄膜對鋁基材的吸附性佳。根據圖6A至圖6C可知，使用越高濺射功率，可製得的單層氮氧化鈦薄膜，其表面的平坦度越佳。

請再參考圖7，其為實施例1至4的單層氮氧化鈦薄膜之氮氧莫耳比值之折線圖。根據圖7可知，越高的功率可獲得氮含量越高的單層氮氧化鈦薄膜，而其所對應的顏色也越偏藍色或紫色。

圖8A為實施例6之單層氮氧化鈦薄膜的呈色之CIELAB色空間圖。圖8B為實施例7之單層氮氧化鈦薄膜的呈色之CIELAB色空間圖。圖9為實施例6之單層氮氧化鈦薄膜的氮氧莫耳比值之折線圖。

如圖8A和圖8B所示，氮氣於混合氣體中的所佔體積越小，其呈色可越偏藍色或紫色；反之，則呈色較偏黃色、綠色。進一步而言，氮氣於混合氣體中的所佔體積越小，單層氮氧化鈦薄膜的氮氧莫耳比值越大，即氮含量越高。

本發明的彩色薄膜的形成方法，藉由調整濺射功率、氮氣通入量、工作壓力及反應時間等製程參數，以在特定厚度範圍內獲得不同預定呈色的單層氮氧化鈦薄膜。此薄膜可保有金屬光澤，具有良好的附著性及平坦的表面。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧方法

110‧‧‧提供金屬基材

120‧‧‧進行清洗步驟

130‧‧‧進行預濺鍍步驟

140‧‧‧降低反應腔體中的背景壓力至預定值

150‧‧‧進行濺鍍步驟

Claims (9)

1. 一種彩色薄膜的形成方法，包含：提供一金屬基材；以及於一反應腔體中對該金屬基材進行一濺鍍操作，以形成具有一預定呈色的單層氮氧化鈦薄膜於該金屬基材上，其中進行該濺射操作前，該反應腔體之一背景壓力為5×10^-6torr至8×10^-6torr，且該濺鍍操作包含：使用150W至350W之一濺射功率，以惰性氣體與氮氣的一混合氣體，濺射一鈦靶材，其中該氮氣佔該混合氣體之體積的1.5%至35%，且當該濺鍍功率越小時，該預定呈色趨向CIELAB色空間的第一象限和第二象限，且其中該濺鍍操作排除額外通入氧氣。
2. 如申請專利範圍第1項所述之彩色薄膜的形成方法，其中該濺射操作係進行10分鐘至40分鐘。
3. 如申請專利範圍第1項所述之彩色薄膜的形成方法，其中該濺射操作係於35℃至45℃的溫度下進行。
4. 如申請專利範圍第1項所述之彩色薄膜的形成方法，其中該濺射操作之一工作壓力為3mtorr至5mtorr。
5. 如申請專利範圍第1項所述之彩色薄膜的形成方法，其中該單層氮氧化鈦薄膜的氮氧莫耳比值為0.03至0.2。
6. 如申請專利範圍第1項所述之彩色薄膜的形成方法，其中當該濺鍍功率越大時，該預定呈色趨向CIELAB色空間的第三象限和第四象限。
7. 一種彩色薄膜，其係使用如申請專利範為第1至6項中任一項之彩色薄膜的形成方法，形成於一基材上，其中該彩色薄膜為單層氮氧化鈦薄膜。
8. 如申請專利範圍第7項所述之彩色薄膜，其中該單層氮氧化鈦薄膜的一厚度為160nm至250nm。
9. 如申請專利範圍第7項所述之彩色薄膜，其中該單層氮氧化鈦薄膜的氮氧莫耳比值為0.03至0.2。

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