多樣化的功能性薄膜

不受大氣干擾的環境

覆蓋在地球表面上的大氣層,是由氧、氮、氬、氫、水蒸氣等氣體分子組成的。這些氣體分子是維持生物繁衍及調節地表溫度的功臣,是天氣變化的主角。然而在地表上,能否隔離大氣分子,形成一個沒有任何氣體分子或物質的空間呢?

首次形成高真空環境的是17世紀義大利人托里切利。他把長玻璃試管盛滿水銀后倒置在水銀槽中,管內水銀因受重力而自然下降至只剩76公分高,這時在管頂留下的空間里沒有任何氣體或物質,就是真空狀態。其實外太空便是極高的真空環境,距離地球越遠,大氣層里的氣體分子密度越低,甚至在離開地球表面500公里的高度,就已進入超高真空狀態,幾乎沒有任何大氣分子存在,到1萬公里高度就幾乎與月球表面相似。

在地球表面創造出真空環境,與我們要製備的薄膜有什么相干呢?首先必須了解製備出的薄膜必須有高純度,不容有污染物的摻雜,否則薄膜的性質就會完全走樣。因此我們習以為常的大氣分子,反而是薄膜製備過程中的污染源,必須加以隔離。例如製造高效率太陽能光電板的氮化鎵材料,若受到別的氣體或物質污染,光電板的性質就被破壞了。又如披覆在切削工具上的氮化鈦薄膜,若受到水分子的污染,其硬度就會下降。因此在製備功能性薄膜時,必須在真空或接近真空的環境中,以避免雜質的污染。

如何才能在地球表面上創造出大規模的真空環境呢?一般業界常用的技術是在密閉系統外接真空幫浦,把密閉空間抽成真空狀態。這些真空幫浦大致可分為機械排氣式、氣體分子引導式、氣體分子吸附式等種類,運作原理雖然不同,但不外乎把密閉系統中的氣體分子排出或予以凝結吸附,使其不再返回原處,就好像我們熟知的抽氣機。密閉室內變成真空或接近真空,便可用來製備薄膜了。

有別于傳統的電鍍或化學鍍是在含有金屬離子的酸或鹼性溶液中進行,真空鍍膜的方法避免了廢液對環境的污染,因此真空技術已相當程度地取代了電鍍或化學鍍。更因為真空鍍製的方法可大幅提升鍍膜的特性及功能,近年來已成為高科技產業的首選。

功能性薄膜的製備

在濺鍍機中,一般都以被鍍基材或腔體為陽極,而原料靶材是陰極,并通入惰性氣體。惰性氣體不會參與薄膜反應,又能被電場離子化形成正離子,經由動能轉移的原理,把陰極板表面上的原子濺擊出來,原子沖向相對的電極板(即基材表面)就沉積形成薄膜。

鍍膜系統依電流源的不同,可分為直流和交流輝光放電二種。這兩種鍍膜系統最大的不同,在于前者只能用于導體薄膜的製備,后者則適用于導體、半導體、絕緣體等薄膜的製備。

以上談的是在靶材上發生的現象,基板表面上薄膜的形成過程又是如何呢?陰極靶材表面上的原子濺射出來,飛行到陽極基板上之后的過程可分為下列幾個步驟。

吸附與脫附:從靶材濺射出的原子物理性地吸附在基材表面上,但有部分因被反射,再度離開基材表面。

擴散或再蒸發:吸附在基材表面上的原子并非靜止的,而是有剩余能量,可在基板上移動,并與基板表面上的原子藉二次碰撞形成原子團,或在表面上停留一段時間后再蒸發。

孕核:靶材持續地被濺擊,基板表面上吸附的原子不斷增加,原子團尺寸逐漸增大,而形成有臨界大小的晶核。

成核:當原子團克服了成核能障,且尺寸達到臨界成核大小時,原子團便可穩定成長,形成一個島狀核,薄膜成長由此開始。

成長:島狀核可平行或垂直基板表面成長,前者是由吸附于基板表面上的粒子經由擴散達成,后者則是靠入射粒子直接沉積在島狀核上完成。由于表面能的因素,島狀核逐漸成長并非增加個數,這一階段稱為聚結。歷經團簇、孕核、成核與成長,基板表面上的靶材原子由非連續的島狀結構逐漸形成連續且完整的薄膜。

薄膜的形成是靠原子穩定的堆疊,堆疊形式的不同會造成薄膜結構與性質的差異。在影響薄膜結構差異的因素中,與製程有關的有靶材與基材的距離、靶材陰極的電壓和電流值、基材陽極的電壓及電流值、基材的轉動速率、真空室內通入的反應氣體種類、真空室內的真空程度等因素。藉由真空鍍膜設備的操作,便可控制薄膜的成核及成長,進而控制薄膜的結構與性質。只要能製出靶材,幾乎任何物質都能鍍成薄膜。

薄膜的性質與量測
 
薄膜的應用依其性質而定,例如生物相容性佳且耐機械磨耗的薄膜,如類鉆石薄膜、磷灰石膜等,可以應用為生醫材料的植入材表面,以提供更好的人體親和性和耐磨性;具光觸媒抗菌能力的薄膜,如二氧化鈦薄膜、含銀薄膜等,可應用在醫療院所的用具上,以降低院內交互感染的風險;透明又導電的薄膜,如銦錫氧化物,常做為太陽能光電板上的透明電極;具超硬特性的薄膜,如氮化鈦薄膜等,可應用在刀具、模具的披覆上,以增加刀具、模具的表面硬度而延長操作壽命;具有導體、絕緣體或半導體性質的薄膜,可結合微影蝕刻等技術創造出微小的電子元件,并積集化成為電子電路晶片。

薄膜的性質受制于靶材種類的選取,和鍍膜過程中製程變數的調控,而在實際應用之前,需要用到那些儀器來量測薄膜的性質呢?一般常用來量測薄膜性質的儀器有如下幾種。

階梯式膜厚量測儀 可量測薄膜厚度。原理是利用探針在試片表面上掃描鍍膜區與未鍍膜區間的高度落差,以測得薄膜厚度。

掃描式電子顯微鏡 可量測薄膜的表面或斷面形態、成分及厚度。原理是利用反射電子束或二次電子束的成像,獲得薄膜表面及斷面形貌。

穿透式電子顯微鏡 可量測薄膜的內部結晶型態及晶體結構。原理是利用穿透式電子束直接成像,或繞射電子束成像,讀取薄膜內部組織及晶體結構的資訊。

原子力顯微鏡 可以極高倍率量測薄膜表面的形貌、凡得瓦力、摩擦係數及表面能。原理是藉由探針以接觸、半接觸或未接觸方式,在薄膜表面掃描,并量取待測物表面上原子力的大小,做為形貌或表面性質判斷的依據。

X光繞射儀 可探測薄膜內的晶體結構。原理是利用短波長的X光通過薄膜后產生的繞射圖譜,讀取薄膜晶體資訊。

微/奈米硬度機 可量測薄膜本質硬度及彈性模數。原理是利用一個鉆石壓頭垂直施力于薄膜表面,讀取表面壓痕深度,或作用力與位移深度的關係,以評估微小機械特性。

刮痕測試機 可量測薄膜與基材間的附著力。原理是利用鉆石探針側向施力于薄膜表面上,讀取表面刮痕與探針受力大小,做為度量薄膜附著力的依據。

磨耗測試機 可量測薄膜相對于對手材的摩擦係數與磨耗量。原理是利用不同材質或不同形狀的對手材在薄膜表面上施力,并且做前后或圓周運動,讀取薄膜表面軌跡深度或損失量,以及摩擦力。

液滴接觸角量測儀 可量測薄膜的親水性、潑水性及表面能。原理是利用測試液滴與薄膜之間的接觸角大小,得知薄膜表面能特性。

傅立葉轉換紅外線光譜儀 可量測薄膜內部的化學官能基種類及鍵結方式。原理是利用紅外線透過薄膜之后產生的吸收光譜讀取薄膜資訊。

橢圓儀 可量測薄膜的折射係數及厚度。原理是利用偏極的雷射光穿過薄膜后造成的相位差以獲得薄膜的折射係數及厚度資訊。

共軛焦顯微鏡 常用來量測薄膜表面加工后的形態。原理是利用雷射光學斷層掃描原理讀取薄膜的表面形貌資訊。

霍耳量測儀 可量測薄膜的導電度及載子濃度。原理是利用霍耳效應讀取薄膜資訊。

拉曼光譜儀 可量測薄膜的鍵結方式。原理是利用可見光受到分子振動的作用而形成的散射位移量讀取薄膜資訊。

近年來真空鍍膜技術大量應用在高科技資訊產業中,并提升了傳統產業的技術水準。由于微奈米電子、機械及光學等科技在現在及未來對人類生活品質的提升極為重要,而這些科技又都深深依賴真空鍍膜技術,因此真空鍍膜技術成為一項新興不可或缺的重要領域,所涵蓋的製造、分析及檢測技術,也將隨著時代的進步而大放異彩。

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