光学薄膜介绍.docx

光学薄膜介绍 - 薄膜在自然界非常常见。例如气泡表面薄膜,油滴表面,都会形成所谓的光学薄膜效果,将光线的色彩分开来。在一些生物的物种,也会有特殊的薄膜结构生成。例如某些夜行性动物眼睛内的脉络膜毯(tapetum lucidum,例如狗,鲨鱼,猫)蜜蜂蜻蜓的翅膀,都是一层很薄的薄膜形成的。光学薄膜主要有两个研究领域,薄膜光学及薄膜沉积(或镀膜)技术。 薄膜光学(Thin-film optics)薄膜光学是物理光学的一个分支,主要研究不同材质的薄膜结构,对光线的影响。人类所能看见的薄膜光学,主要是薄膜膜层的厚度达到某一特定厚度后,能对可见光波段的光强度,做不同程度的干涉增强或减弱产生的。这个干涉现象,主要是光线通过不同折射率的材质(空气,薄膜,玻璃基板)时所产生的。 薄膜光学就是光在不同材质间穿透(入射)时产生的干涉现象的研究。 当光线穿透薄膜时,它会有很多种特性的改变。例如穿透率,反射率,吸收性,散射,极化,相位等的改变。它的基础理论可以用物理电磁波学说的干涉现象来解释。透过马克士威尔方程式(Maxwell equation), 可以解释光穿透不同材质时,因折射率变化产生的各种现象。由于电磁波理论已经可以完整解释薄膜光学的基础理论,因此目前的学术研究,都放在如何应用薄膜光学上。设计及制造薄膜改变入射光的性质,是目前这个学科的重点。在薄膜结构设计理论上,有两种常见的设计方法,导纳设计法(Novel Monitoring Method)与向量法(Vector Method)。在没有计算机的年代,因为导纳法可以经由作图及纸笔计算的方式完成设计,所以在1970年之前,这是一般设计者广泛使用的方式。向量法因为需要大规模的计算,在计算机未发明之前,很难应用在实际设计的阶段。计算机普遍使用,且计算功能大幅提升后,向量法因为能够提供比较准确的计算结果,所以设计者大多采用以向量法为基础撰写的计算机程序。 二次大战后,随着科技突飞猛进,薄膜光学应用在非常多的光电子产品中。例如干涉仪,相机,天文望远镜,显微镜,光学引擎,显示器,投影机,光通讯,人造卫星,飞弹,装饰.等等。薄膜光学因此变成光学学科的一个重要分支,您可以找到很多的教科书,来了解相关的知识。 光学薄膜沉积技术(光学镀膜) 光学薄膜的沉积技术只是所有沉积技术的一个小部份而已,除了光学薄膜外,薄膜沉积技术还有不同的薄膜领域可以应用。例如: 电磁膜层,机械特性膜层,化学物质膜层.。尤其半导体产业大量的使用薄膜沉积技术来沉积各种不同特性不同种类的膜层,散怖在半导体长晶,晶粒成长,晶粒聚合,缝道填补,薄膜成长等等,各种不同的制程程序中。因为薄膜沉积的技术,范围太过广泛,这边只讨论光学薄膜的沉积方法。在自然界中生成的薄膜,因为实在太薄,很难被人类直接撷取使用。人类如果希望使用薄膜的功效,通常都只能用人工的方法自行制造它。而且必须在应用的产品直接生成它,或者使用一个基板搭载薄膜,无法先做好单纯的薄膜,再安装到产品上面。薄膜的生成方法,可以区分成两大方法: 液体成膜法(Liquid forming)和气体成膜法(vapor deposition)液体成膜法(Liquid forming):它的基本方法,是将基板沉入液体中,经由化学或者电化学反应,让薄膜生成(或附着)在基板上。酸侵蚀法: 让基板沉入混合氯化氢或硝酸的酸性溶液中,它会在玻璃表面生成一层硅基酸的薄膜,将薄膜与基板烤干,就可以得到一个抗反射(anti reflection)膜层。溶液沉积法: 我们可以将金属化合物中的金属离子设法析出。利用还原剂的作用,在基板表面将金属离子还原成金属膜层,这种方法广泛使用在化学镀银,镀铜,镀金,镀镍上面。 电镀法:将钯材做成阳极,将被镀基板做成阴极,浸在适当的电解液中,通过电流,使钯材膜层因氧化还原的化学作用,沉积在阴极的被镀基板上面。这个做法,被应用在大面积的镀镍,镀银反射镜。 Sol-Gel(溶胶-凝胶): 此法是将含有金属成分的有机溶液做成凝胶状,利用浸泡拉起法(Dip),或旋转涂布法(spin coating)将凝胶均匀的涂布在基板上。经过加热烘烤后,就可以得到透明的薄膜。例如Sio2,TiO2,Al2O3,ZrO2等种类的膜层。Langmuir - Blodgett法: Langmuir - Blodgett法: Langmuir-Blodgett 成膜法是应用有机大分子材料,因为不会溶于水而悬浮水面的特性,于水面上形成单分子层的薄膜,再利用一端亲水一端疏水的特性,以垂直抽拉的方式,将单层分子的薄膜附着到固态的基板上。此法应用在一些发光组件,太阳能光组件等。 (参考 Wikipedia) Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法): 将溶质泡在溶剂中,然后均匀加热,使其成为均匀溶液。然后在晶体基板上逐渐冷却,因降温关系,溶液会超过结晶饱和点时,溶质晶体会逐渐在基板上形成磊晶薄膜。这种方法常应用在半导体雷射,光电材料类的薄膜。气体成膜法 (Vapor Deposition) 在气体成膜法中,依照薄膜生成的原理又可区分为物理气相沉积法PVD(Physical Vapor Deposition)和化学气相沉积法CVD (Chemical Vapor Deposition)两种。 物理气相沉积法利用物理性方式,例如加热或原子溅射(可以再加上电浆效果)钯材材料,来生成薄膜。化学气相沉积法则应用化学性方式(化学氧化还原,化合物生成)来生成薄膜。化学气相沉积法主要是生成有机材料或是氢化物的合成物薄膜,利用热解法来析出较低温的薄膜材料生成在玻璃基板上。这两种方法,又各自可细分为数种不同的技巧。 化学气相沉积法(CVD,chemical vapor deposition)化学气相沉积法(CVD)应用化学原理生成高纯度的薄膜,通常基板会先放在易挥发的前置性溶液中,溶液中的溶质会和玻璃表面化学反应,生成所需要的薄膜。 CVD常应用在半导体产业,也部份应用在光学薄膜产业。今日的化学气相沉积法发展出很多辅助性的方法,可以加速反应的速度,例如辅助以电浆,雷射,粒子加速器,同步辐射,电浆脉冲等。不仅可以产出高纯度的薄膜,也可以增强膜层的附着力。 MOCVD因为亿达薄膜公司并不采用CVD 方式镀膜,因此不详细讨论,您可以经由网络及书籍,查询到更多的数据。物理气相沉积法(PVD,Physical Vapor Deposition)这个方法主要应用热升华或原子溅射的方法在基板上沉积薄膜,它主要有三个过程I. 将钯材固态材料加热升华到气态。II. 将气态的原子,分子,或离子加速通过一个高度真空的空间,到达附着的基板表面。III.将钯材材料在欲镀面的表面沉积形成薄膜。 在物理气相沉积法(PVD)中,也同样发展出不同的应用技巧。常用的有下列这些方法:A. 熱蒸鍍沉積.- 电阻式加热法.- 雷射蒸镀沉积法.- 弧光放电加热法(Arc) 沉积 .- 电子枪加热沉积.- 射频加热(RF Heating).- 分子磊晶长膜法(MBE,Molecular Beam Epitacy)B. 电浆溅镀法Plasma Sputtering.- 平面二极溅镀Planar Diode Sputtering Deposition (DC Sputtering Deposition) .- 射频溅镀RF Sputtering Deposition.- 双阴极溅镀Dual Cathodes Sputtering Deposition.- 三极溅镀Triode Sputtering Deposition.- 磁控溅镀Magnetron Sputtering DepositionC. 离子束溅镀法Ion Beam Sputtering Deposition, IBSD. 光学薄膜沉积发展历史-热蒸发技术(Thermal Evaporation) -光学薄膜沉积技术,至今大约发展200年左右。发展历史:(Reference and Courtesy: Society of Vacuum Coaters) 在发展历史的描述中,蓝色字体用于相关于热蒸发光学镀膜技术,棕色字体为溅镀镀膜技术,因为亿达薄膜公司采用热蒸发技术,溅镀方法不是我们的重点,我们只列出部分重要的溅镀镀膜发展进程。至于化学气相沉积法,我们只列出初期而且和整体镀膜技术发展有关的进程。在现代镀膜中,真空技术有非常重要的地位,也是关键技术,所以用绿色字体区分。1817, Fraunhofe (德国)将玻璃放入酸性溶液中做实验,偶然的机会中,他发现玻璃表面会生成一层薄膜,这层薄膜可以减少玻璃的反射光(也就是抗反射Anti-Reflection, AR)。 1835, 开始有人使用类似的化学方法,产制银层的金属反射镜,是光学镀膜行业的滥觞。 1839,宾夕法尼亚大学教授Hare是第一个研究电力应用的学者,他展示了水银阴极的电解方法,电弧电焊,电极熔接等方法,这些方法在数十年后,都成为重要的工业工程技术。1850, 德国Leybold 公司成立.1852, W.R. Grove 是第一个研究溅射现象的人,后来这个技术发展成为所谓的溅镀镀膜。Grove 使用一个金属线的尾端靠近抛光过的银金属表面,形成一个电路的电极,通电后,镀出一个环状的金属膜层。1858,Julius Plucker 注意到在放电管中会生成铂金属膜层,这个铂膜层是一个很漂亮的金属镜。1885, 德国 Schott 公司,开设第一个光学玻璃工厂。Groves sputtering apparatus1877, Wright 发展出溅镀镀膜技术,生产金属反射镜。(DC Sputtering Deposition)1887, Nahrwold 和 Kundt deposited 在真空环境中,利用热升华产生铂金属薄膜。他们也是首次研究真空环境与镀膜关系的人。不过直到1930年,真空技术还不成熟,真空环境很难创造并应用在镀膜生产上。1892,英国人H.D. Toylor (他也发明像散矫正镜片)发现,如果将天文望远镜的物镜直接燃烧并且风干,镜头的表面会产生紫色的颜色,并且可以穿透更多的光线。这是使用热蒸发方式产生光学薄膜的开端。1894, Edison 申请弧光放电热蒸发沉积技术 electro vacuous deposition的专利。1897, Wiener 发展出利用干涉原理来量测薄膜厚度的技术。 1898, Thompson 发现原子中的电子。 1905, Kaufman 和& Gaede 使用电子马达驱动真空帮浦。von Bolton 记录了在真空中以可消耗电弧熔接技术焊接钽的方法。1906, de Forest 发明了三极真空管。1907, von Pirani 申请了在真空中用阴极管对耐火物质熔融的技术。1910, 工业上已普遍使用回旋式的机械帮浦。1913, Langmuir和 Knudsen开始研究饱和蒸汽压的相关问题。Langmuir也开始研究扩散帮浦。.1917, 用溅镀方法对玻璃管柱镀电阻性物质。1920, Guntherschulzer提出溅镀方法的学理理论基础。 Langmuir 发明所谓的Langmuir朗穆尔探针,可用来探测电浆中状态。1924, Stokes 发明回旋活塞式真空帮浦。1926, Burch 在扩散帮浦中研究油的功效。 Rotary Pump 1928, Ritschl 使用细丝状的钯材和热蒸发方式来产制薄膜。1930, Pfund 开始研究红外线滤光片与奈米材料的气相蒸发技术。1933, Strong 使用细丝状的铝钯材和热蒸发沉积方法,产制薄膜。OBrian & Skinner 使用间接性的电子束蒸发方法,取代传统的热蒸发方式。Heitman和Berraz研究活性气体的电浆反应。1934, Lurz & Whiley 发展出绕卷式的溅镀镀膜方式,将金镀在半透明的玻璃纸上 。Bauer & Strong 发展出玻璃镀膜中的电浆清洁制程。1935, Strong 在100吋的帕洛玛天文望远镜上镀铝镜面。1936, A.Smakula (蔡斯公司)成功使用低折射率钯材(氟化物)利用蒸发方式在真空腔体内,镀制一层AR抗反射层。这是首次正式的商业化真空镀膜。 1937, Berghaus 对离子轰击技术的蒸发方式申请专利。Malter发明扩散帮浦使用金属性油。1938,油扩散帮浦使用液态空气阱。Stokes真空冷冻干燥技术。1939, Cartwright 和Turner制做双层薄膜的AR镀膜。1940, M. Ruhle首次使用电子枪蒸发镀膜,来产制薄膜。1942, Geffcken 制做三层薄膜的AR镀膜。Morden Mass Spectometer leak detector 1943, 发明真空气体测漏仪。1945, Banning 制做多层薄膜的光学滤光片1946, Friedman 和 Birks 发明X射线的薄膜量测厚度技术。Vacuum Electronic Equipment Company (VEECO) 成立。Balzers 公司成立。 1947, Strong 制做200吋的帕洛玛文望远镜反射镜。1948,美国OCLI, Optical Coating Laboratory Inc.,成立。 Dufour 发明利用光穿透率监控薄膜厚度的技术。Harris 和 Siegel 发明闪燃蒸发技术。Lander 和 Germer 发明现代工业化的CVD制程技术,开启CVD新的制程时代。ECR plasmas 电子回旋共振式离子反应电浆发现。1950s 电子枪蒸镀成为热蒸镀领域的主流方式。 1951, 对塑料基板的金属装饰性镀膜研究开始。电子枪的电子源施加磁控方式发明。1953, Auwarter和Brinsmaid申请反应式蒸镀沉积光学薄膜的专利。美国真空学会American Vacuum Society AVS 成立。 1954, Pierce式(长焦距)电子枪发明1955, Schrder 对红外线穿透镜申请美国专利。Wehner建议使用射频溅镀镀介电质材质的薄膜John R. Pierce( Adapted Vintage Electrics Volume #3 issue #1 - 1991)1958, NASA 成立。 Pfeiffer 涡轮分子帮浦发明。1960s, NASA 发明真空离子源推进技术。1960,石英震荡技术运用在光学薄膜监控。 1962,电弧蒸发技术应用在碳及金属钯材。Leybold 美国公司成立。 1963, Mattox申请离子电镀制程专利(原始应用于金属硬化及装饰镀膜)1965, Bias sputter偏压溅镀发明。Pulse Laser脉冲雷射镀膜发明(PLD)。1966, Vacuum Metallurgical Co. (ULVAC)成立 Physical Vapor Deposition,PVD和 Chemical Vapor Deposition,CVD名词被正式使用Powell, Oxley & Blockerr撰写的在气相沉积技术(Vapor Deposition)一书中 1967, 三极溅镀技术发明。 1968, Hanks 申请270度电子枪蒸发技术专利。1969, 在半球面内部使用磁控溅镀技术。1970s 各种真空薄膜沉积技术大量的进入工业化生产阶段。270 E-Beam 1970, 中空阴极管(Hollow cathode)电子源蒸发技术。发展出中和器,使用高强度能量的中和器,中和阴极管中的离子。OCLI 发展出高镀率的多层膜镀膜机。相机制造商开始采用多层膜镀膜的抗反射镜头并展示在当年的德国 photokina-world展示会中。 日本开始发展中空阴极管电子枪蒸镀镀膜机。1971, 镀膜机中通大量气体并采用离子轰击技术的镀膜方式发明。 Snaper和 sablev发明阴极电弧蒸镀技术。1972, 溅镀沉积技术开始在真空腔体中使用离子鎗。Tagaki发明离子束沉积技术。1974, Bland和Kominiak研究离子轰击镀膜的膜层应力问题。Chapin申请平面磁控溅镀专利。 1975, Penfold和Thornton申请后阴极磁控溅镀专利。 Murayama发明反应式离子镀膜技术。Schiller 发明改良式离子镀膜技术。1976, Weissmantell发明离子鎗同步轰击沉积技术1980年代初期,物理气相镀制手工具硬化膜,改良表面硬度。1980,工件上的装饰性镀膜及功能性镀膜。1981, 发展离子溅镀技术应用在装饰性镀膜上。1982, ULVAC发展低微粒表面质量的气体蒸发技术。 1983, Phillips 和 Sony 共同推出光盘(compac disk)产品的装饰性镀膜1984, 通用电力GE申请真空聚合物材质的多层膜镀膜技术。1986, Windows和Sawides发明非平衡磁控溅镀。1987, Kaufman和Robinson发明End-Hall gridless离子源。 应用材料公司推出IC制造的群组化工具技术。物理气相沉积 - 热蒸镀(薄膜沉积)技术- 在物理气相沉积中,热蒸镀法及溅镀法,是工业界广泛采用的镀膜技术。光学业界,采用热蒸镀的比例比较多。热蒸镀技术:热蒸镀技术原则上利用高温来熔融靶材,由固态直接升华到气态。气态的靶材原子或分子,因加温而被加速通过真空腔体,在基板上凝结沉积成薄膜。在这个过程中,真空是一个很重要的因素。若是腔体中充满了空气分子,将会使靶材原子在行进时,被气体分子不断的碰撞,会撞离该行进的方向。如此,大多数的靶材原子将无法到达基板的表面,也就没办法生成薄膜了。热蒸镀代表了这个技术的核心,虽然热蒸镀技术还有很多不同的加热技巧,但是加热到高温以蒸发(升华)材料,是所有改良技巧的核心。 热阻式加热法: 利用大电流通过一个连接着靶材材料的电阻器,将产生非常高的温度,利用这个高温来升华靶材材料。镀膜机的制造者通常使用钨W(Tm=3380), 钽Ta(Tm=2980), 钼Mo(Tm=2630) ,高熔点但是又能产生高热的金属,做成电阻器。 电阻器可以依被镀物工件形状,摆放方式,位置,腔体大小,旋转方式,而作成不同的形状。镀膜主要的考虑因素,是让靶材的蒸发分布均匀,能让工件上面的沉积薄膜厚度均匀,镀膜成品才能得到一致的光学功能。细丝状的金属靶材(Al, Ag, Au, Cr.)是最早被热蒸镀使用的靶材形式,后来则依不同需要,发展出舟状,篮状等各种形状的电阻器。 闪燃蒸镀(flash evaporation) 是一种可以在同一个制程中,同时制镀两种或多种靶材膜层的技术,因为不同的靶材需要不同的熔点温度,因此当电阻器还不到熔点温度时,先不接触靶材,等温度到后,才碰触靶材.因此电阻器平常是空的,只有当蒸发材料时,才将材料放上去,因此可以镀制不同材料。优点:1.电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护。2.靶材可以依需要,做成各种的形状。缺点:1. 因为热量及温度是由电阻器产生,并传导至靶材,电阻器本身的材料难免会在过程中参加反应,因此会有些微的污染,造成蒸发膜层纯度稍差,伤害膜层的质量。 2. 热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质(dielectric)材料,因为氧化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。3. 蒸镀的速率比较慢,且不易控制4. 化合物的靶材,可能会因为高温而被分解,只有小部分化合物靶材可以被闪燃式蒸镀使用。5. 电阻式蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低。电子枪蒸发: 使用高速电子轰击靶材材料,因为电子的高动能在撞击时转化为热能,而使靶材被轰击部位能产生高温,此高温可以蒸发靶材材料。在这种蒸发模式中,特殊设计的电子枪以热放射机制(thermionic emission)从钽金属阴极管(cathode)射出电子束,放射出来的电子束,可以被加速到非常高的速度。(如果施加10000伏特,电子可以加速到60000公里/秒的速度)当撞击靶材时,大部份的动能转换成热能。(60000公里/秒的速度撞击,可以得到50006000度的温度)在电子枪系统中,盛放靶材的坩埚扮演正极的角色,有一个磁场会被施加在电子束的行径路线中,来弯折电子束方向。所以电子枪能放在坩埚旁边,以免挡到蒸发物质的行进路线。1968年Hanks发明270度弯折的电子枪系统后, 电子枪可以放在坩埚的正下方位置,大幅度的改善了蒸气污染阴极管头的情形,使得阴极管的使用寿命大幅提升。经由控制电磁磁场(magnetic lens),电子束可以聚焦,或者改变轰击的位置。这样可以让电子束,非常精确的轰击想加热的位置,还可以在蒸镀时改变位置,甚至改变蒸镀的速率。更重要的是,电子枪可以蒸发介电质膜层材料的氧化物。因为只有坩埚的表面靶材被加热,藉由设计好适当的冷却系统,坩埚本身不会被高温蒸发而污染膜质及镀膜机腔体。Magnetic Lens 270 Bending Electron Beam 优点:1. 使用适当坩埚的水冷却系统,坩埚本身材质污染蒸发靶材的情况可以大幅减轻。2. 膜质的纯度高于电阻式蒸镀。3.大部分的介电质氧化物靶材,都可以被蒸发。4.经由设计旋转式坩埚机制,可以蒸镀不同靶材材料的多层膜膜层。5.经由适当微调电子束轰击位置,可以大幅提高膜层厚度的均匀性。缺点:1. 没有控制好的电子束可能会造成靶材材料分解离子化,可能会导致靶材吸收,累积电荷,伤害膜层的表面质量。2. 电子枪需要大量的电能消耗,因为需要使用1000015000伏特的电压持续数个小时,导致电子枪蒸镀系统,所耗的能量高于其它方法。由于电子枪系统有很多优点,因此自1950年代后,电子枪系统变成物理性热蒸镀方式(PVD thermal)的主流 。现代,更经由计算机及自动控制技术的快速发展,大部分的多层膜光学镀膜机都采用电子枪系统。它对奈米等级的膜层厚度,有非常好的控制性。这50多年来,有许多的附加技术根据电子枪系统,又加以发展。重要的附加方式表列如下: 主动反应式蒸发Activated Reactive Evaporation (ARE): 这个方式,是在蒸发靶材的同时,导入适当的反应气体,形成电浆效应。藉由这种方式,可以增加膜层的附着性,并且增加镀率。偏压蒸发(BVE)在基板的前方,增加一个高电压的极板。当靶材分子或原子飞离坩埚后,可以被这个高偏压加速,可以增加膜层的扎实性(密度)。电浆辅助在蒸发源与基板的中间空间,施加数千伏特的电压,并导入Ar氩气,将产生电浆区。当蒸发材料通过电浆区时,部份的材料会被离子化,并且被上层的电场吸引,因此靶材飞向基板的速度会被提升,可以增加膜质密度,并增加附着性。离子鎗辅助(IAD)这是所有技巧中,被使用最广泛,同时也是最有效增加膜层黏结力的方式。利用在蒸发源旁边,附加一个分离式的离子源,当靶材蒸发到腔体空间时,再使用离子粒子撞击靶材,将可加速靶材速度,崁入在基板表面。因为离子质量对比于靶材原子或分子,都算是一个很重的粒子,因此重粒子撞击靶材颗粒,会使得靶材颗粒增加很多的动能。而且因为离子鎗是一个独立系统,可以独立的变更发射角,散射角,电流量,电压量等参数,因此在很多不同的镀膜方式(不管是蒸度或溅镀)中,都可以使用。应用这种助镀系统的镀膜机,只要稍微修改部件的相关位置就可以了。不同助镀方式的腔体部件放置雷射蒸镀:这个方式以雷射光射线当成蒸发热源, 因为雷射可以用高热蒸发靶材,也有所谓的光解离作用 (photodissociation)。可以很有效率的蒸发靶材,同时又不会有电荷累积的问题,因此可以得到很好的表面质量。雷射光是一个能量聚焦的光束,即使通过很长的距离后,也不会散失太多的能量。因此靶材可以摆放在比较远的位置,大幅降低污染问题。不过,雷射是一个非常昂贵的系统,以此方法做出的镀膜机,价格高昂,让工业界采用它的比例很低。 分子磊晶技术(MBE):它是一个相当特别,用来制镀单层结晶膜的方法。由于它产生的膜层是结晶化的,带有晶格方向性。和光学膜一般希望非结晶,无方向性的特性相反,因此它只被用在非常特殊的用途中。物理气相沉积技术-溅镀镀膜- 溅镀技术在半导体产业中应用非常广泛,主要使用在金属薄膜的制镀,用来修正或产生晶圆集成电路上的电气特性。光学业中,介质膜(氧化物或氟化物)的使用比例比较高。电浆溅镀(Plasma Sputtering)电浆溅镀(Plasma Sputtering)是物理气相沉积(PVD)中的一项重要技术,1852年Grove发现溅镀沉积方法后,这个方法就一直被不断的使用及改进,一直延续到今天。电浆电镀(Plasma Sputtering)主要的原理,是在一个真空腔体内通入氩气(Argon),施加大电压,氩气将发生弧光放电(arc)而变成电浆状态。电浆中的氩气离子(Ar+)会以高速冲向阴极,然后将阴极的钯材原子撞出,钯材原子因为氩离子撞击,飞向正极的基板,然后在基板上,溅镀出一层钯材材料的膜层, 不同于热能的蒸发方法,电浆状态的氩离子冲撞及溅镀钯材材料是主要的机制。 因为氩离子相对于钯材原子的颗粒,也是一个重量很重的粒子,高速的冲击,将可使得钯材粒子获得充分的动能,钯材粒子也高速冲向基板,并且大力的崁入基板中,因此有很好的膜层附着力。它的膜质密度甚至比蒸镀还好。直流DC溅镀(也称为平面溅镀Planar Diode Sputtering)将镀膜钯材当成阴极,被镀物基板当成正极。将腔体抽到真空度10-3Pa,加入氩气气体,施加高电压,就会形成电浆状态。电浆中带正电的离子将被加速射向阴极,撞击钯材后,溅出钯材原子飞向基板。因为DC溅镀使用钯材当成阴极,所以钯材必需是金属物质,它无法溅镀氧化物的介质膜材料。DC溅镀也是最早的溅镀方法。射频RF溅镀在DC溅镀中,因为正电荷会累积在阴极(钯材)附近,造成钯材原子飞向基板的屏障,因此需要施加高电压,帮助钯材原子冲破这些屏障。但是施加高电压又容易引起电弧放电(arc),或者高电压也容易伤害钯材及生成膜的表面。1955年,Wehner发明了交换式电流,以13.56MHz的频率,不断的更换电流的正负极电压(就是交流电),因为腔体阴极部位,会瞬间改变成正极(同理,阴极也会改变成正极)。电荷不会累积在钯材附近。因此就没有屏障需要冲破,也就因此不需要高电压。而溅镀工作可以在较低电压的状况下,持续的工作。RF Sputtering 双阴极溅镀 (Dual Cathodes Sputtering)为了改善镀膜的沉积效率,也为了加大镀膜面积。利用镀膜机安装两个阴极钯材,同时对两个靶材的材料进行溅镀,可以达成这个目标。不过双阴极系统通常施加40KHz AC电流,这个频率的交换式电流也可以中和累积在钯材附近的电荷,可以减低电荷的干扰。三极溅镀 (Triode Sputtering )如果我们在双阴极系统增加一个电子枪,利用电子枪的热源,将可使得氩气离子(Ar+)增加。因此冲击靶材的氩离子增多,就可以加速成膜的速度,有效的增进镀膜速度。磁控溅镀(Magnetron Sputtering)在系统内多增加一个磁场,电子因为磁力线的影响,而螺旋性的前进。这样可以大幅的增加氩气气体的离子密度以及碰撞机会。离子密度将会从 1010 ion/cm3 增加到1013 ion/cm3. 因此,镀率可以大幅度的提高。同时这样的系统,同时也可以用在DC,RF,双阴极溅镀中。磁控溅镀系统的温度可以不用太高,同时可以用在连续生产线中。连续型生产线的磁控溅镀系统不过磁控溅镀不能应用在导磁性的靶材材料中,磁场不均匀会造成靶材曲面性的消耗(中间消耗多,周围消耗少,成凹陷状),凹陷状的钯材将造成靶材消耗不均匀。这对膜层的均匀性伤害很大。离子束溅镀(IBSD)这种镀膜方式是近期比较新的发明,尤其适用于高阶的光学镀膜中。在真空腔体中,安装一个独立的离子源,利用离子源发射的离子束,敲击钯材,让钯材原子飞过腔体沉积在另一边的基板上。因为离子动能极大,因此这样的敲击将十分有力,可以传递很高的动能给钯材原子,可以沉积出高密度的非结晶膜层。因为膜层的均匀度很好,而且厚度容易控制,离子束溅镀被使用在非常高阶的光学仪器中,例如:雷射系统,重力波干涉仪,陀螺仪,光通讯产品。螺儀,光通訊產品。电子枪式离子助镀镀膜机 - 这个章节将探讨一个镀膜机的内部结构,因为电子枪式离子助镀镀膜机是亿达薄膜的主力机种,因此我们以这个为讨论标的。如同前面章节所讨论,热蒸发或者溅镀都是物理性气相沉积(镀膜)的主要机制。而且相关的机制运作原理也都已经讨论。因此本章节主要限缩到,电子枪式离子助镀镀膜机系统。我们没有办法明确的指出,是哪一年哪个人发明的热蒸发方式镀膜。但大概在18401850年代之间,有两个重要的进展,将热蒸发式的光学镀膜,带入了商业生产。一个是Nahrwold和Kundt使用真空环境镀制薄膜,另一个是Toylor发现了在光学玻璃上可以生成抗反射膜(AR, Anti Reflection)。 真空系统 为什么需要真空呢?主要是因为靶材材料都被升华成原子或分子状态的粒子,被加速经过一个空间后到达基板的表面,原子或分子其实是很轻的粒子,如果腔体空间中充满了空气分子,靶材粒子将在腔体中不断的被空气分子碰撞,行进路线会偏离预设的方向,而导致靶材无法沉积在基板上,当然就不可能生成薄膜了。而且腔体中充满的空气,也会导致膜质不纯,含有空气分子,会使得光学功能大打折扣。一个真空系统包含了两部份:一是真空腔体,一是抽气系统。真空腔体是一个密闭空间,当抽气系统抽离腔体空气时,腔体必须保持密封,不能让外界的空气渗入。又由于真空度要求高,抽气系统的帮浦,抽气能力必须很强。因此直到1920年代,帮浦的发展才逐渐成熟,真空技术才能被产业界使用。当回旋式帮浦及扩散式帮浦发明后,强大的抽气能力及抽气效率才使得真空系统能被工业化生产采用。通常抽气系统会串连一个回旋帮浦一个扩散帮浦,而将腔体抽到真空度 10-7到 10-8 torr. (大气层外的宇宙真空度是10-12 torr)一般成膜的沉积压力,大约需要10-4 torr真空度,不过还必须看您所用的靶材种类,以及膜质纯度要求,而有变化。回旋式帮浦Rotary Pump 扩散式帮浦Diffussion Pump传统来说,真空度大概被分成四个阶层,粗真空度(Rough)7601 torr,中真空度(medium)110-3 torr. 高真空度(high) 10-3 10-7 torr .超高真空度(ultra high) 10-7 torr. 目前最先进的真空设备,配备了冷冻帮浦(Cryo)和回旋式帮浦串联,可以得到 10-9 torr真空度。不过在薄膜沉积的过程,部份的制程还需要导入一些气体和电子枪或者离子鎗做反应,因此10-4 10-7的真空度,对一般光学镀膜来说已经足够。一个抽气系统通常由两级抽气帮浦组成,初级抽气通常是回旋式帮浦,将腔体的真空度抽到10-3左右。次级抽气(通常是扩散帮浦或冷冻帮浦)将腔体真空度抽到10-7。一個真空系統最怕的就是漏氣,可能由門閥,接縫,管線,套環等地方損壞,造成微量的漏氣。因為破損通常很小,肉眼不見1.8米真空腔體(鍍膜機正面) 裝飾性鍍膜機真空抽氣系統(鍍膜機背面) 裝飾性鍍膜機,迴旋式幫浦與擴散幫浦串聯电子枪系统 由历史进展,热蒸发镀膜技术,一直到1940年才开始使用电子枪加热系统,短短的10年之间,电子枪加热就跃升为高阶光学镀膜的主流方式。 电子枪加热方式有几个显著的优势,藉由磁场的协助,电子枪加热可以控制蒸发点的大小和位置,所以可以均匀的消耗坩埚中的材料,得到厚度均匀的生成膜层。藉由施加大电压,电子枪会发射出高速度的电子粒,高动能在碰撞时,会产生高热,因此可以造成局部非常高的温度升华靶材。尤其1986年,Hanks发明270电子枪后,污染问题得到进一步的改善,非常适合高阶的光学薄膜滤光片的镀制。 光学干涉薄膜,通常需要由高低折射率不同的介电质材料组成多层膜的堆栈。1990年代才有镀膜机厂商推出溅镀系统的高阶光学镀膜机，不过经过五十年的发展,电子枪热蒸镀方式相对的十分成熟,而且设备价格也相对的低廉很多。对产制高阶光学滤光片来说,电子枪的镀膜机平均成本低很多。 1990年中期,一个美国的镀膜机厂商,推出一款商用化的溅镀光学镀膜机,采用IBSD离子束溅镀方法。这台溅膜机和之前溅镀不同的是,它可以处理介电质靶材,而且膜层的均匀度,膜层厚度的控制性,都是当今业界最好的。不过设备价格也是电子枪式光学镀膜机的2-3倍。也因此,除非非常高档的产品才用这种设备生产,例如DWDM,陀螺仪中的雷射镜。 自从IBSD系统推出后,许多的镀膜机设备制造商,也推出了改良式的电子枪蒸镀镀膜机(加强其它助镀方式,监控方式,控制