电子枪式离子助镀镀膜机

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1840~1850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)760~1 torr,中真空度(medium)1~10^-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

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,控制系统),同样的能够生产DWDM,雷射镜。因此电子枪式蒸镀镀膜机在光学镀膜的主流地位,目前没有动摇。

离子束助镀系统 Ion - beam Assisted Deposition, IAD

当电子枪式蒸镀镀方式变成光学镀膜的主流后,焦点转移到如何帮电子枪蒸镀得到效率佳,膜质纯的助镀方式发展上,数十年间,有好几种方法被发展出来,例如:反应式蒸发,加偏压,电浆助镀,离子助镀等等。

在这些助镀方法中,离子助镀被采用的程度最高。主要原因有两个,一是离子助镀添加的离子源是一个独立系统,安装简单,对原系统的影响低。第二离子束的范围大,分布均匀拥有良好的动能,可以轻易的将膜层压紧,得到附着力良好的膜层。

目前发展出的无栅极离子源(gridless ion source),具有强大的电子密度及能量,而且具有良好的维修性,可以大幅强化膜层的附着力。

監控系統

镀膜机中的监控系统,是控制膜层厚度最重要的机制,由于膜层厚度都是奈米级(nanometer)的范围,所以膜厚的量测也是高难度技术。如果膜厚监控不好,堆栈后,过大的误差,将导致光学产品的功能无法达到设计目标。

监控有两个主要难点:第一,要如何正确的量测奈米级的膜层厚度,尤其这个膜层还在生成中。第二,当到达期望厚度后,镀膜机要非常敏感的停止蒸镀(注意:膜层的厚度只有几奈米而已,稍慢一点,厚度就会到达异常范围)

有三个方式被应用在镀膜机的膜厚监控上,光学监控,石英监控,时间监控。

光学监控直接在镀膜机内安装一台光谱仪,直接量测监控片。当监控片某些光学特性符合时,代表膜层厚度已经到达。镀膜机停止镀膜,完成一层的膜层产制。当下一个膜层开始镀制时,使用一个新的监控片。因此一台镀膜机可以镀多少层的产品,原则上取决于监控片的容纳数量。

石英监控也是被广泛使用的方法,当时石英被镀上膜层时,它的重量会改变,当石英通电时,震荡频率会改变,而且这个改变是与仲谅相关的线性关系,因此可以藉由震荡频率的改变,精确的测量石英片上面增加的重量,转而求出镀膜基板上的增加的膜层厚度。

时间监控通常用在非电子枪式的镀膜设备上,例如MBE,MOCVD。

伞架系统

伞架是盛放镀膜基板,并将其支撑在镀膜腔体上面的治具。由于希望每个镀膜基板上的膜层厚度的均匀性都是一致的,所以伞架都会在制镀过程中旋转,让蒸发气体可以均匀的分布在伞架上每一片基板上。膜厚不均匀会导致整个镀膜批的良率很低。虽然尺寸较大的腔体可以容纳较多的基板,但是大腔体却不利于膜厚的均匀度,因此镀膜机的设计,必须在产量与均匀性的要求中间取得平衡。

伞架的旋转模式有很多种,公转(revolution),公自转(revolution-rotation)比较常见,但是并没有哪一种旋转模式是最好的,必须搭配蒸镀方式,靶材种类,工件形状来考虑。

坩埚系统

当电子枪蒸发靶材时,坩埚必须盛放靶材而且耐住高温,坩埚本身不能被高温蒸发以免污染腔体及膜质。所以坩埚都是使用热传导性好的材料,如钽Ta,钼Mo等。一个介电质的多层膜产品,大都使用两种(高折射率,低折射率)靶材,膜层数从4-200层不等。因此一个镀膜质制程中,好几个坩埚必须摆放在一起连成一个系统,在制程中可以轮换。坩埚的摆放方式有很多种,必需视靶材,蒸发特性,伞架,均匀度要求而定。重点都在于靶材必需被均匀的消耗,才能产制出高度均匀性的成品。

一个好的蒸镀,除了产出高良率的成品外,靶材的使用效率,也很重要。因为靶材占了很重的成本比重(约1/4的变动成本),如果您消耗的靶材都没有浪费,可以节省很可观的成本下来。