平衡薄膜应力的薄膜制作系统与方法
专利名称：平衡薄膜应力的薄膜制作系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种平衡薄膜应力的薄膜制作方法，特别是指利用热蒸镀与离子助镀(IAD)工艺对薄膜应力的影响不同来平衡薄膜的表面翘曲，以改善镀 膜后表面的平整度。
背景技术：
现今应用于各式光学设备的光学组件中，由于除了基本的光谱与表面清洁 度的要求以外，越来越多技术亦需要高精度的表面平整度，如CD、 DVD等光 学读写头等相关组件等，目前的镀膜机大致上能符合在光谱上的要求，已经不 是主要问题，但是镀膜后的表面平整度才是主要需要解决的问题，所以若需要 光学组件的光谱与表面平整度皆符合需求，则需要能改善上述问题的工艺方 法。在镀膜的工艺中，可利用下列方式离子辅助蒸镀法(Ion-beam Assisted Deposition , IAD)是结合离子布植法 (Ion Implantation)与溅镀法(sputtering)或其它物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition)的镀膜方法，可在镀膜时在基材上逐渐形成薄膜，使其之 间的张力能减至最低，并其结合的状态可经久不衰。离子辅助蒸镀法的主要态样如图1所示，图中显示于一真空的环境中结合 离子辅助与一种物理气相沉积法的镀膜方法。在一真空室10中设置一基材夹 具12，并有一蒸发器(evaporator) 14，其上设置有介电质与氧化物(oxide) 等用于镀膜的蒸发源；另一端有一激发离子束的离子源16，其射出的离子束 可由钝气或是如同氮气或氧气等的气体产生。此离子辅助蒸镀法的离子源16 是利用交流电环绕于充入气体的石英腔，使通入的反应气体激发产生电浆 (Plasma)，再利用偏压或其它方式将离子束引至基材进行离子撞击，由离子 源所发射出来的大动能离子借着碰撞把动量传给由电子枪所蒸发蒸镀源的原 子或是分子，使它们有足够的大动能，来改善镀膜与基材夹具12上的基材18
间的附着力，以提高镀膜材料生长的速率与密度，因此在膜层的成型与成长过 程中，能使蒸发的原子或是分子把孔洞等膜质缺陷补起来，形成膜质致密、缺 陷少的连续膜。另有电子束蒸镀法(Electron-Beam Vapor Deposition Method)，其蒸镀速 度快且制作多层膜较为便利，但是其膜质较溅镀法为松散，而溅镀法虽可得到 膜质结构致密且均匀的膜层，但是溅镀法速率慢，而上述离子辅助蒸镀法则兼 具此两种方法的优点。请参阅图2，美国专利公开第2002/0110330号所示的离子辅助蒸镀法设备 示意图，其中所示的设备是为了制作该案之一障碍层(barrier layer)。其中显 示为一沉积系统200，包括有一真空室210与抽真空的泵(pump) 212，还有 蒸发器220与此案需要蒸镀的蒸发源222，另有一提供离子源的离子枪 (ionizer) 230，可由控制器234控制，其中气体由气体供应器232提供，并 有一旋转夹具250装载需要镀膜的基材260。上述蒸发器220包括的蒸发源222是为了制作基材260上的薄膜，蒸发器 220即将蒸发源222气化后打入真空室210中，然后利用电压控制气体供应器 232所提供气体的气流，由控制器234控制由离子枪230释放(游离化)具有 能量的离子，旋转夹具250的旋转轴与蒸发器220共轴，使材料能够平均蒸镀 在基材260上。以此离子辅助蒸镀法，让离子枪230所释放的离子辅助蒸发器 220打出的镀膜材料能在基材260上形成膜质致密、符合所需特性的薄膜。且 因为具有能量的离子会提供整体镀膜时的能量，使基材260本身不需藉加热或 其它方式帮助此工艺，另外，离子与镀膜材料分子或原子的交互作用可帮助镀 膜顺利稳定地附着于基材260上，并产生均匀、附着力强、低张力的膜，并适用于各种材质的基材工艺。然而，在需要更精密的光学特性的装置的光学组件时，薄膜材料与基材间 所产生的应力仍有可能影响其中光学特性，即薄膜在基材上产生的应力有可能 会造成整体薄膜装置发生表面翘曲的现象，即使是微小的翘曲现象，仍有可能 发生重大的影响，本发明即针对上述现有技术利用离子辅助蒸镀法进行的镀膜 方式配合另一热蒸镀方式改善上述工艺的缺点。 发明内容本发明所要解决的技术问题在于提出一种利用热蒸镀(Vapor Deposition Method)与离子助镀(IAD)对薄膜应力相反特性的薄膜制作方法与其系统， 使制造出的光学薄膜组件不但不影响光谱上的要求，亦能大大改善工艺组件表 面平整度，符合光学组件的光谱与表面平整度的要求。为达到上述目的，本发明平衡薄膜应力的薄膜制作系统包括有一热蒸镀手 段与一离子辅助蒸镀手段，其中离子辅助蒸镀手段是在基材上镀上一光学特性 接近基材的第一层薄膜，并于第一层薄膜上镀上第二层薄膜，此为第二种不同 的薄膜结构，而该第二种薄膜结构与该第一层薄膜具有相反的薄膜应力，因为 有相反的薄膜应力，故能藉以调整所形成的薄膜结构的表面平整度。而本发明所揭露的平衡薄膜应力的薄膜制作方法可先进行一测试工艺，以 确认所需的薄膜厚度，其步骤包括先制备一为真空状态的镀膜室，镀膜室至少 包括离子枪、接近基材材料的镀膜基材、 一或多种镀膜室中灌注的气体、 一或 多个电子枪、 一或多种蒸发源、基材夹具、 一或多个所要镀膜的基材等，先以 离子辅助蒸镀法在基材上镀上具有一厚度的第一层薄膜，再以热蒸镀法在该基 材上镀上第二层薄膜，并且该第二层薄膜与该第一层薄膜为相邻且具有相反的 薄膜应力，接着量测由该基材、第一层薄膜与第二层薄膜形成的薄膜结构在工 艺前后的表面平整度变化，重复上述工艺，利用改变不同的第一层薄膜厚度， 推算出该表面平整度变化与第一层薄膜之厚度的关系，最后利用该表面平整度 变化与第一层薄膜之厚度的关系，依需求产生薄膜结构。经上述适当测试工艺后，得出第一层薄膜厚度与所需的表面平整度间关 系，并藉以设计一所需的薄膜结构，本发明的制作方法之一较佳实施例包括先 预备一真空状态的镀膜室，再预备其中一或多种蒸发源与单一离子源，接着进 行离子辅助蒸镀步骤，将该镀膜室中腔体内气体以高压激发，反应形成电浆形 式的离子源，再藉电场将离子拉出布植于基材上，以形成一具有特定厚度的第 一层薄膜；再进行热蒸镀步骤，是仅以加热方式将所需的光学薄膜结构，利用 不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀于基材上，以形成第二种薄膜结构，此第二 层薄膜结构与上述第一层单一折射率的薄膜为相邻，且具有相反的薄膜应力， 以此相互平衡薄膜应力的特性形成一具有适当表面平整度的薄膜结构。与现有技术相比，本发明的优点有 1. 可以形成单一种镀膜方法无法达成的薄膜表面平整度；2. 在具有离子源的镀膜机下，可以在同一工艺下完成，不用分成二套工艺， 可节省时间；3. 在不同的基材材质或厚度下可调整离子辅助蒸镀法的工艺中类似基材 的薄膜(如上述Si02薄膜)的厚度，以达到所需要的表面精度。
图1为现有技术的离子辅助蒸镀法示意图；图2为现有技术美国专利公开第2002/0110330号所示的离子辅助蒸镀法 设备示意图；图3A为基材上镀上一层薄膜形成凸面的示意图； 图3B所示为基材上镀上一层薄膜形成凹面的示意图； 图3C为本发明工艺制作的薄膜符合光学特性示意图； 图3D为本发明工艺制作的薄膜符合光学特性示意图； 图3E为本发明的多层结构示意图；图4为本发明利用离子辅助蒸镀法与热蒸镀工艺的示意图； 图5为本发明薄膜制作前测试方法的流程图；图6为本发明平衡薄膜应力的薄膜制作方法的较佳实施例流程图。 其中，附图标记为 真空室IO 基材夹具12 蒸发器14 离子枪16 基材18 沉积系统200 真空室210 泵212 蒸发器220 蒸发源222 离子枪230
控制器234 气体供应器232 旋转夹具250 基材260 光源3 基材30 第一层薄膜32 第二层薄膜34 第三层薄膜36 第四层薄膜38 离子源45 镀膜室40 基材夹具42 基材48 电子枪44, 44， 蒸发源46， 46， 控制器451 气体流量控制器4具体实施方式
本发明提供一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统与其方法，主要是在薄膜工 艺中利用热蒸镀与离子助镀(IAD)工艺对薄膜应力的影响不同来平衡薄膜的 表面翘曲，以改善镀膜后表面的平整度。请参阅图3A所示基材30上镀上第一层薄膜32形成一凸面的示意图，原 本表面平整度很好的基材30上镀上第一层薄膜32后，可能会因此第一层薄膜 32与基材30间的接口 (interface)张力影响到表面平整度，即是，基材30和 沉积薄膜的化学和物理作用控制着接触接口 ，两接触材料在制造过程中因为热 膨胀系数差异产生如图所示的翘曲情形，因为基材30的表面张力大于第一层 薄膜32的表面张力，故形成一个凸面的示意图。而图3B显示为基材30上镀上第二种不同薄膜结构的第二层薄膜34形成
凹面的示意图，也是因为上述第二种薄膜结构与基材30间的接口张力影响到 表面平整度，因为基材30的表面张力小于第二种薄膜结构的表面张力，故形 成一个凹面的示意图。本发明主要特征是在一或多个薄膜的形成过程中，利用利用离子辅助蒸镀 法(Ion-beam Assisted Deposition, IAD)的方法镀上不会影响整体光学特性的 材料，来平衡薄膜的表面翘曲，改善镀膜后表面的平整度。如图3C所示，利 用两个工艺在基材30上不同表面张力影响的第一层薄膜32与第二种薄膜材料 制作的第二层薄膜34，形成表面应力平衡的结构，在作为反射(如利用一光 源3产生的光线经反射后能达到原本需要的反射角度)的光学应用上，除了达 到上述表面平整度的目的外，更能保持原本需要反射的光学特性。图3D则是表示利用两个工艺在基材30上形成的第一层薄膜32与第二层 薄膜34在作为折射的光学应用上，除了达到上述表面平整度的目的外，更能 保持原本需要折射的光学特性，如利用光源3产生的光线经折射后能达到原本 需要的折射角度。本发明可应用于多层薄膜的工艺中，重复在基材30表面镀上折射率类似 原本基材30的薄膜后，再镀上需要的薄膜材料，相互平衡表面张力，解决不 同方向的应力，如图3E所示的多层结构，基材30上镀上第一层薄膜32、第 二层薄膜34、第三层薄膜36与第四层薄膜38。而本发明并非受限于上述附图的实施例，亦可先制作一具有凹面的第一层 薄膜后，再制作一具有凸面的第二层薄膜；再者，除了上述为了制作有最佳平 整的平面外，本发明更可藉相邻具有不同特性的薄膜的搭配，产生不同翘曲结 构的薄膜结构。参照上述附图，在一本发明较佳实施例中，原本基材30可为玻璃，之后 则利用离子辅助蒸镀法镀上类似玻璃的薄膜，如以Si02为主的材料，亦如上 述图式中的第一层薄膜32，此时薄膜平整度(POWER)为负，形成具有凸面 特性的薄膜，上述类似基材折射率的薄膜并不会影响整体光学特性；之后则利 用热蒸镀工艺形成平整度为正的薄膜结构(高低折射率相互交叉堆栈的薄膜结 构，如34为高折射率，36为低折射率，在紧接着38得高折射率材料)，形成具有凹面的薄膜。所以，在离子辅助蒸镀法工艺之后，再以热蒸镀的方式镀膜 所设计的结构可形成平整度极佳，且PV值(又称峰谷值，表面平整度量化的值，PV值小为平整度较好的平面，PV值大为平整度不好的平面)与平整度 POWER值非常小的平面。上述离子辅助蒸镀法可制作兼具蒸镀速度快与膜质结构致密且均匀的薄 膜，与热蒸镀的搭配工艺如图4所示的较佳实施例。离子辅助蒸镀法(IAD) 是利用离子源45所产生的正离子被引导出来于真空镀膜室40。其中之一实施 例是由控制器451控制，并以气体流量控制器452所提供的气体，由离子源 45释放具有能量的离子，最终于基材夹具42上的镀膜基材48做镀膜的轰击 助镀，产生出膜质致密，稳定性较好的薄膜结构。在本发明中，第一层镀于基 材48上的薄膜形成具有凸面特性的薄膜，且薄膜为类似基材48的材料。之后，利用上述电子枪44与44'的热蒸镀工艺可分别蒸发多种不同折射率 的蒸发源46与46'，热蒸镀的实施例之一，蒸发源46与46'可一为高折射率 材料，另一为低折射率材料，形成具有高、低、高、低折射率的薄膜结构。若 要工艺多层薄膜结构，上述离子辅助蒸镀法与热蒸镀工艺需要轮流进行。在工 艺中，影响上述的离子辅助蒸镀法的参数包括镀膜材料、蒸发源的蒸发速率 (rate)、离子源的种类、离子具有能量与离子束的流量密度等。请参阅图5所示本发明薄膜制作前测试方法的流程图，在薄膜制作前需先 估计、再实验，之后才实际镀膜。测试开始，是先制备一为真空状态的镀膜室， 其中必要设备，至少包括离子源、 一或多种镀膜室中灌注的气体、 一或多个电 子枪、 一或多种蒸发源、基材夹具、 一或多个所要镀膜的基材等(步骤S501); 接着，于确认所需镀制的薄膜结构后，在基材夹具上的基材上利用离子辅助蒸 镀法镀某一厚度的薄膜，使表面呈现凸状(步骤S503);再以热蒸镀法镀上 所设计的结构，并形成具有凹面特性的薄膜，进而平衡表面翘曲前一步骤可能 形成的翘曲表面(步骤S505);并接着量测工艺前后的表面平整度变化，如 量测PV值或平整度(步骤S507);再重复上述离子辅助蒸镀法与热蒸镀法， 利用改变不同的单层膜(如以Si02为主的材料)厚度，经多个重复步骤后， 推算出平整度变化与单层膜的薄膜厚度的关系(步骤S509:);进而得知在多 少单层膜的薄膜厚度的情况下可使此薄膜结构在此种基材上达到最佳的厚度， 如产生最低的POWER或PV值，使不影响整体结构的光学特性，不影响光谱 (步骤S511);之后可进行实际镀膜(步骤S513)，达到仅使用单一种镀膜 的方法无法达成的表面平整度。 经上述测试后，由确认所需镀制的薄膜结构后，藉离子辅助蒸镀与热蒸镀 等主要手段达成本发明的目的，主要包括先在基材上利用离子辅助蒸镀法镀某 一厚度的单层膜，其折射率需与基材非常相近，例如Si02单层膜镀于一玻璃基材上，使表面呈现凸状；以及，再以热蒸镀法镀所设计的结构，使表面呈现 凹状，进而平衡表面翘曲，以得知此工艺前后平整度的变化。其重要步骤如图6所示，开始时，预备一真空状态的镀膜室，与其中必要 设备，至少包括离子源、镀膜室中灌注的气体、 一或多个电子枪、 一或多种蒸 发源、基材夹具、所要镀膜的基材等(步骤S601) ，当确定基材的材质、厚 度与薄膜的设计结构之后，先预备所设计需要蒸镀的一或多种蒸发源(步骤 S603);并于镀膜室内预备一离子源，其较佳实施例是以电浆形式的离子源(步 骤S605);进行离子辅助蒸镀法，是藉电极形成电场将由游离化的离子拉出 布植于基材上(步骤S607);即以此离子辅助蒸镀法镀一经测试后具有特定 厚度的单层膜(如图3A所示的第一层薄膜)，且为形成平整度为负的凸状表 面，此单层膜的较佳实施例是由类似基材的材料镀成，此单层膜的折射率需与 基材非常相近，使其不影响原有基材的光学特性，例如基材若为玻璃，Si02 则为此单层膜较佳的主要材料(步骤S609)。之后进行热蒸镀时，需关掉或停止上述进行离子辅助蒸镀法时离子源使用 的电力(步骤S611);接着进行热蒸镀法，是利用电子鎗打在所设计需要蒸 镀的蒸发源上，蒸发源材料气化，气体就被蒸镀上去(步骤S613);于基材 上形成所需蒸镀的薄膜，为形成具有平整度为正的凹面特性的薄膜(如图3B 所示之第二层薄膜)，与步骤S609形成的单层膜具有相反的薄膜应力，以相 互平衡薄膜应力达到适当的表面平整度，最佳实施例为形成具有最低的PV值 的薄膜结构(步骤S615);上述步骤形成的结构可更复杂，可藉重复上述步 骤形成多层薄膜结构(步骤S617)。本发明先藉测试工艺得知在多少单层膜的镀膜厚度的情况下能与所设计 的薄膜达成相互平衡薄膜应力，达成所设计的薄膜结构，不仅可以产生有最佳 平整度(最低的POWER值)的薄膜结构，亦可形成任意设计具有特定POWER 值的薄膜结构。本发明主要应用于DVD组件中光学组件的工艺，如应用于需要高度准确 的光学特性的雷射读写头(pickup head)所需经过的透镜、平面镜等组件，故
藉本发明所揭露的工艺可提供表面平整度良好的光学组件。综上所述，本发明揭露一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统与方法，主要是 先以离子辅助蒸镀法镀一层与基材类似折射率的薄膜，再以热蒸镀法镀所设计 的薄膜结构，由于此两种方法对薄膜具有相反的薄膜应力，当结合在同一工艺 时，即能平衡镀完膜后的表面平整度。虽然本发明已以前述较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在 不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明 作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的 权利要求的保护范围。
权利要求
1. 一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统，其特征在于，该系统包括有一离子辅助蒸镀手段，是在一基材上镀上一第一层薄膜，该第一层薄膜的光学特性接近该基材；以及一热蒸镀手段，是在该基材上镀上一第二层薄膜，该第二层薄膜与该第一层薄膜具有相反的薄膜应力；其中该第一层薄膜与该第二层薄膜之一为一具有凸面特性的薄膜，而另一则为一具有凹面特性的薄膜；藉重复该离子辅助蒸镀手段与该热蒸镀手段形成一多层膜的薄膜结构，并且该平衡薄膜应力的薄膜制作系统在该基材上镀上具有相反应力的该第一层薄膜与该第二层薄膜，藉以调整所形成的薄膜结构的表面平整度。
2. 根据权利要求1所述的平衡薄膜应力的薄膜制作系统，其特征在于，该基材为玻璃，而该第一层薄膜为一以Si02为主的材料。
3. 根据权利要求1所述的平衡薄膜应力的薄膜制作系统，其特征在于， 该热蒸镀手段是以加热方式将一或多种具有不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀 于该基材上。
4. 一种平衡薄膜应力的薄膜制作方法，包括有 制备一为真空状态的镀膜室；以一离子辅助蒸镀法在一基材上镀上具有一厚度的第一层薄膜；以一热蒸镀法在该基材上镀上一第二层薄膜，并且该第二层薄膜与该第一 层薄膜为相邻且具有相反的薄膜应力；量测由该基材、该第一层薄膜与该第二层薄膜形成的薄膜结构在工艺前后 的一表面平整度变化；重复该第一层薄膜与该第二层薄膜的工艺，利用改变不同的第一层薄膜厚 度，推算出该表面平整度变化与该第一层薄膜之厚度的关系；利用该表面平整度变化与该第一层薄膜之厚度的关系，依需求产生该薄膜 结构；其中该第一层薄膜与该第二层薄膜之一为一具有凸面特性的薄膜，而另一 则为一具有凹面特性的薄膜。200610168248.4
5. 根据权利要求4所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 该基材为玻璃，而该第一层薄膜为一以Si02为主的材料。
6. 根据权利要求4所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 该热蒸镀手段是以加热方式将一或多种具有不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀 在该基材上。
7. —种平衡薄膜应力的薄膜制作方法，包括有 预备一真空状态的镀膜室； 预备一或多种蒸发源；预备一离子源；进行一离子辅助蒸镀步骤，是将该镀膜室内通入一离子源的气体，施加交 流电反应形成电浆形式的该离子源后，再藉一电场将离子拉出布植进行辅助的 作用在一基材上；形成一第一层薄膜，该第一层薄膜为一具有特定厚度的单层膜，与该基材 具有相近的折射率；进行一热蒸镀步骤，是以加热方式将一或多种具有不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀于该基材上；形成一第二层薄膜，该第二层薄膜与该第一层薄膜为相邻，且具有相反的 薄膜应力；其中该第一层薄膜与该第二层薄膜之一为一具有凸面特性的薄膜，而另一 则为一具有凹面特性的薄膜；藉该基材上形成具有相反薄膜应力且相邻的该第一层薄膜与该第二层薄 膜，以相互平衡薄膜应力形成一具有适当表面平整度的薄膜结构。
8. 根据权利要求7所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于，该基材为玻璃，而该第一层薄膜为一以Si02为主的材料。
9. 根据权利要求7所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 进行该离子辅助蒸镀步骤后，需停止进行该离子辅助蒸镀步骤的电力，以进行 该热蒸镀步骤。
10. 根据权利要求7所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 藉重复该方法的步骤形成一多层膜的薄膜结构。
全文摘要
本发明公开了一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统与方法，是先以离子辅助蒸镀法(IAD)镀一层与基材类似折射率的薄膜，再以热蒸镀法镀所设计的薄膜结构，此两种镀膜方法所产生的薄膜具有相反的薄膜应力，当结合制作于基材上形成一薄膜结构时，因为应力的影响不同而藉以平衡薄膜的表面翘曲，改善镀膜后表面的平整度。
文档编号C23C14/24GK101210312SQ200610168248
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者林君鸿, 简义本, 詹博文 申请人:鸿海精密工业股份有限公司;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司
技术领域：
本发明涉及一种平衡薄膜应力的薄膜制作方法，特别是指利用热蒸镀与离子助镀(IAD)工艺对薄膜应力的影响不同来平衡薄膜的表面翘曲，以改善镀 膜后表面的平整度。
背景技术：
现今应用于各式光学设备的光学组件中，由于除了基本的光谱与表面清洁 度的要求以外，越来越多技术亦需要高精度的表面平整度，如CD、 DVD等光 学读写头等相关组件等，目前的镀膜机大致上能符合在光谱上的要求，已经不 是主要问题，但是镀膜后的表面平整度才是主要需要解决的问题，所以若需要 光学组件的光谱与表面平整度皆符合需求，则需要能改善上述问题的工艺方 法。在镀膜的工艺中，可利用下列方式离子辅助蒸镀法(Ion-beam Assisted Deposition , IAD)是结合离子布植法 (Ion Implantation)与溅镀法(sputtering)或其它物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition)的镀膜方法，可在镀膜时在基材上逐渐形成薄膜，使其之 间的张力能减至最低，并其结合的状态可经久不衰。离子辅助蒸镀法的主要态样如图1所示，图中显示于一真空的环境中结合 离子辅助与一种物理气相沉积法的镀膜方法。在一真空室10中设置一基材夹 具12，并有一蒸发器(evaporator) 14，其上设置有介电质与氧化物(oxide) 等用于镀膜的蒸发源；另一端有一激发离子束的离子源16，其射出的离子束 可由钝气或是如同氮气或氧气等的气体产生。此离子辅助蒸镀法的离子源16 是利用交流电环绕于充入气体的石英腔，使通入的反应气体激发产生电浆 (Plasma)，再利用偏压或其它方式将离子束引至基材进行离子撞击，由离子 源所发射出来的大动能离子借着碰撞把动量传给由电子枪所蒸发蒸镀源的原 子或是分子，使它们有足够的大动能，来改善镀膜与基材夹具12上的基材18
间的附着力，以提高镀膜材料生长的速率与密度，因此在膜层的成型与成长过 程中，能使蒸发的原子或是分子把孔洞等膜质缺陷补起来，形成膜质致密、缺 陷少的连续膜。另有电子束蒸镀法(Electron-Beam Vapor Deposition Method)，其蒸镀速 度快且制作多层膜较为便利，但是其膜质较溅镀法为松散，而溅镀法虽可得到 膜质结构致密且均匀的膜层，但是溅镀法速率慢，而上述离子辅助蒸镀法则兼 具此两种方法的优点。请参阅图2，美国专利公开第2002/0110330号所示的离子辅助蒸镀法设备 示意图，其中所示的设备是为了制作该案之一障碍层(barrier layer)。其中显 示为一沉积系统200，包括有一真空室210与抽真空的泵(pump) 212，还有 蒸发器220与此案需要蒸镀的蒸发源222，另有一提供离子源的离子枪 (ionizer) 230，可由控制器234控制，其中气体由气体供应器232提供，并 有一旋转夹具250装载需要镀膜的基材260。上述蒸发器220包括的蒸发源222是为了制作基材260上的薄膜，蒸发器 220即将蒸发源222气化后打入真空室210中，然后利用电压控制气体供应器 232所提供气体的气流，由控制器234控制由离子枪230释放(游离化)具有 能量的离子，旋转夹具250的旋转轴与蒸发器220共轴，使材料能够平均蒸镀 在基材260上。以此离子辅助蒸镀法，让离子枪230所释放的离子辅助蒸发器 220打出的镀膜材料能在基材260上形成膜质致密、符合所需特性的薄膜。且 因为具有能量的离子会提供整体镀膜时的能量，使基材260本身不需藉加热或 其它方式帮助此工艺，另外，离子与镀膜材料分子或原子的交互作用可帮助镀 膜顺利稳定地附着于基材260上，并产生均匀、附着力强、低张力的膜，并适用于各种材质的基材工艺。然而，在需要更精密的光学特性的装置的光学组件时，薄膜材料与基材间 所产生的应力仍有可能影响其中光学特性，即薄膜在基材上产生的应力有可能 会造成整体薄膜装置发生表面翘曲的现象，即使是微小的翘曲现象，仍有可能 发生重大的影响，本发明即针对上述现有技术利用离子辅助蒸镀法进行的镀膜 方式配合另一热蒸镀方式改善上述工艺的缺点。 发明内容本发明所要解决的技术问题在于提出一种利用热蒸镀(Vapor Deposition Method)与离子助镀(IAD)对薄膜应力相反特性的薄膜制作方法与其系统， 使制造出的光学薄膜组件不但不影响光谱上的要求，亦能大大改善工艺组件表 面平整度，符合光学组件的光谱与表面平整度的要求。为达到上述目的，本发明平衡薄膜应力的薄膜制作系统包括有一热蒸镀手 段与一离子辅助蒸镀手段，其中离子辅助蒸镀手段是在基材上镀上一光学特性 接近基材的第一层薄膜，并于第一层薄膜上镀上第二层薄膜，此为第二种不同 的薄膜结构，而该第二种薄膜结构与该第一层薄膜具有相反的薄膜应力，因为 有相反的薄膜应力，故能藉以调整所形成的薄膜结构的表面平整度。而本发明所揭露的平衡薄膜应力的薄膜制作方法可先进行一测试工艺，以 确认所需的薄膜厚度，其步骤包括先制备一为真空状态的镀膜室，镀膜室至少 包括离子枪、接近基材材料的镀膜基材、 一或多种镀膜室中灌注的气体、 一或 多个电子枪、 一或多种蒸发源、基材夹具、 一或多个所要镀膜的基材等，先以 离子辅助蒸镀法在基材上镀上具有一厚度的第一层薄膜，再以热蒸镀法在该基 材上镀上第二层薄膜，并且该第二层薄膜与该第一层薄膜为相邻且具有相反的 薄膜应力，接着量测由该基材、第一层薄膜与第二层薄膜形成的薄膜结构在工 艺前后的表面平整度变化，重复上述工艺，利用改变不同的第一层薄膜厚度， 推算出该表面平整度变化与第一层薄膜之厚度的关系，最后利用该表面平整度 变化与第一层薄膜之厚度的关系，依需求产生薄膜结构。经上述适当测试工艺后，得出第一层薄膜厚度与所需的表面平整度间关 系，并藉以设计一所需的薄膜结构，本发明的制作方法之一较佳实施例包括先 预备一真空状态的镀膜室，再预备其中一或多种蒸发源与单一离子源，接着进 行离子辅助蒸镀步骤，将该镀膜室中腔体内气体以高压激发，反应形成电浆形 式的离子源，再藉电场将离子拉出布植于基材上，以形成一具有特定厚度的第 一层薄膜；再进行热蒸镀步骤，是仅以加热方式将所需的光学薄膜结构，利用 不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀于基材上，以形成第二种薄膜结构，此第二 层薄膜结构与上述第一层单一折射率的薄膜为相邻，且具有相反的薄膜应力， 以此相互平衡薄膜应力的特性形成一具有适当表面平整度的薄膜结构。与现有技术相比，本发明的优点有 1. 可以形成单一种镀膜方法无法达成的薄膜表面平整度；2. 在具有离子源的镀膜机下，可以在同一工艺下完成，不用分成二套工艺， 可节省时间；3. 在不同的基材材质或厚度下可调整离子辅助蒸镀法的工艺中类似基材 的薄膜(如上述Si02薄膜)的厚度，以达到所需要的表面精度。
图1为现有技术的离子辅助蒸镀法示意图；图2为现有技术美国专利公开第2002/0110330号所示的离子辅助蒸镀法 设备示意图；图3A为基材上镀上一层薄膜形成凸面的示意图； 图3B所示为基材上镀上一层薄膜形成凹面的示意图； 图3C为本发明工艺制作的薄膜符合光学特性示意图； 图3D为本发明工艺制作的薄膜符合光学特性示意图； 图3E为本发明的多层结构示意图；图4为本发明利用离子辅助蒸镀法与热蒸镀工艺的示意图； 图5为本发明薄膜制作前测试方法的流程图；图6为本发明平衡薄膜应力的薄膜制作方法的较佳实施例流程图。 其中，附图标记为 真空室IO 基材夹具12 蒸发器14 离子枪16 基材18 沉积系统200 真空室210 泵212 蒸发器220 蒸发源222 离子枪230
控制器234 气体供应器232 旋转夹具250 基材260 光源3 基材30 第一层薄膜32 第二层薄膜34 第三层薄膜36 第四层薄膜38 离子源45 镀膜室40 基材夹具42 基材48 电子枪44, 44， 蒸发源46， 46， 控制器451 气体流量控制器4具体实施方式
本发明提供一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统与其方法，主要是在薄膜工 艺中利用热蒸镀与离子助镀(IAD)工艺对薄膜应力的影响不同来平衡薄膜的 表面翘曲，以改善镀膜后表面的平整度。请参阅图3A所示基材30上镀上第一层薄膜32形成一凸面的示意图，原 本表面平整度很好的基材30上镀上第一层薄膜32后，可能会因此第一层薄膜 32与基材30间的接口 (interface)张力影响到表面平整度，即是，基材30和 沉积薄膜的化学和物理作用控制着接触接口 ，两接触材料在制造过程中因为热 膨胀系数差异产生如图所示的翘曲情形，因为基材30的表面张力大于第一层 薄膜32的表面张力，故形成一个凸面的示意图。而图3B显示为基材30上镀上第二种不同薄膜结构的第二层薄膜34形成
凹面的示意图，也是因为上述第二种薄膜结构与基材30间的接口张力影响到 表面平整度，因为基材30的表面张力小于第二种薄膜结构的表面张力，故形 成一个凹面的示意图。本发明主要特征是在一或多个薄膜的形成过程中，利用利用离子辅助蒸镀 法(Ion-beam Assisted Deposition, IAD)的方法镀上不会影响整体光学特性的 材料，来平衡薄膜的表面翘曲，改善镀膜后表面的平整度。如图3C所示，利 用两个工艺在基材30上不同表面张力影响的第一层薄膜32与第二种薄膜材料 制作的第二层薄膜34，形成表面应力平衡的结构，在作为反射(如利用一光 源3产生的光线经反射后能达到原本需要的反射角度)的光学应用上，除了达 到上述表面平整度的目的外，更能保持原本需要反射的光学特性。图3D则是表示利用两个工艺在基材30上形成的第一层薄膜32与第二层 薄膜34在作为折射的光学应用上，除了达到上述表面平整度的目的外，更能 保持原本需要折射的光学特性，如利用光源3产生的光线经折射后能达到原本 需要的折射角度。本发明可应用于多层薄膜的工艺中，重复在基材30表面镀上折射率类似 原本基材30的薄膜后，再镀上需要的薄膜材料，相互平衡表面张力，解决不 同方向的应力，如图3E所示的多层结构，基材30上镀上第一层薄膜32、第 二层薄膜34、第三层薄膜36与第四层薄膜38。而本发明并非受限于上述附图的实施例，亦可先制作一具有凹面的第一层 薄膜后，再制作一具有凸面的第二层薄膜；再者，除了上述为了制作有最佳平 整的平面外，本发明更可藉相邻具有不同特性的薄膜的搭配，产生不同翘曲结 构的薄膜结构。参照上述附图，在一本发明较佳实施例中，原本基材30可为玻璃，之后 则利用离子辅助蒸镀法镀上类似玻璃的薄膜，如以Si02为主的材料，亦如上 述图式中的第一层薄膜32，此时薄膜平整度(POWER)为负，形成具有凸面 特性的薄膜，上述类似基材折射率的薄膜并不会影响整体光学特性；之后则利 用热蒸镀工艺形成平整度为正的薄膜结构(高低折射率相互交叉堆栈的薄膜结 构，如34为高折射率，36为低折射率，在紧接着38得高折射率材料)，形成具有凹面的薄膜。所以，在离子辅助蒸镀法工艺之后，再以热蒸镀的方式镀膜 所设计的结构可形成平整度极佳，且PV值(又称峰谷值，表面平整度量化的值，PV值小为平整度较好的平面，PV值大为平整度不好的平面)与平整度 POWER值非常小的平面。上述离子辅助蒸镀法可制作兼具蒸镀速度快与膜质结构致密且均匀的薄 膜，与热蒸镀的搭配工艺如图4所示的较佳实施例。离子辅助蒸镀法(IAD) 是利用离子源45所产生的正离子被引导出来于真空镀膜室40。其中之一实施 例是由控制器451控制，并以气体流量控制器452所提供的气体，由离子源 45释放具有能量的离子，最终于基材夹具42上的镀膜基材48做镀膜的轰击 助镀，产生出膜质致密，稳定性较好的薄膜结构。在本发明中，第一层镀于基 材48上的薄膜形成具有凸面特性的薄膜，且薄膜为类似基材48的材料。之后，利用上述电子枪44与44'的热蒸镀工艺可分别蒸发多种不同折射率 的蒸发源46与46'，热蒸镀的实施例之一，蒸发源46与46'可一为高折射率 材料，另一为低折射率材料，形成具有高、低、高、低折射率的薄膜结构。若 要工艺多层薄膜结构，上述离子辅助蒸镀法与热蒸镀工艺需要轮流进行。在工 艺中，影响上述的离子辅助蒸镀法的参数包括镀膜材料、蒸发源的蒸发速率 (rate)、离子源的种类、离子具有能量与离子束的流量密度等。请参阅图5所示本发明薄膜制作前测试方法的流程图，在薄膜制作前需先 估计、再实验，之后才实际镀膜。测试开始，是先制备一为真空状态的镀膜室， 其中必要设备，至少包括离子源、 一或多种镀膜室中灌注的气体、 一或多个电 子枪、 一或多种蒸发源、基材夹具、 一或多个所要镀膜的基材等(步骤S501); 接着，于确认所需镀制的薄膜结构后，在基材夹具上的基材上利用离子辅助蒸 镀法镀某一厚度的薄膜，使表面呈现凸状(步骤S503);再以热蒸镀法镀上 所设计的结构，并形成具有凹面特性的薄膜，进而平衡表面翘曲前一步骤可能 形成的翘曲表面(步骤S505);并接着量测工艺前后的表面平整度变化，如 量测PV值或平整度(步骤S507);再重复上述离子辅助蒸镀法与热蒸镀法， 利用改变不同的单层膜(如以Si02为主的材料)厚度，经多个重复步骤后， 推算出平整度变化与单层膜的薄膜厚度的关系(步骤S509:);进而得知在多 少单层膜的薄膜厚度的情况下可使此薄膜结构在此种基材上达到最佳的厚度， 如产生最低的POWER或PV值，使不影响整体结构的光学特性，不影响光谱 (步骤S511);之后可进行实际镀膜(步骤S513)，达到仅使用单一种镀膜 的方法无法达成的表面平整度。 经上述测试后，由确认所需镀制的薄膜结构后，藉离子辅助蒸镀与热蒸镀 等主要手段达成本发明的目的，主要包括先在基材上利用离子辅助蒸镀法镀某 一厚度的单层膜，其折射率需与基材非常相近，例如Si02单层膜镀于一玻璃基材上，使表面呈现凸状；以及，再以热蒸镀法镀所设计的结构，使表面呈现 凹状，进而平衡表面翘曲，以得知此工艺前后平整度的变化。其重要步骤如图6所示，开始时，预备一真空状态的镀膜室，与其中必要 设备，至少包括离子源、镀膜室中灌注的气体、 一或多个电子枪、 一或多种蒸 发源、基材夹具、所要镀膜的基材等(步骤S601) ，当确定基材的材质、厚 度与薄膜的设计结构之后，先预备所设计需要蒸镀的一或多种蒸发源(步骤 S603);并于镀膜室内预备一离子源，其较佳实施例是以电浆形式的离子源(步 骤S605);进行离子辅助蒸镀法，是藉电极形成电场将由游离化的离子拉出 布植于基材上(步骤S607);即以此离子辅助蒸镀法镀一经测试后具有特定 厚度的单层膜(如图3A所示的第一层薄膜)，且为形成平整度为负的凸状表 面，此单层膜的较佳实施例是由类似基材的材料镀成，此单层膜的折射率需与 基材非常相近，使其不影响原有基材的光学特性，例如基材若为玻璃，Si02 则为此单层膜较佳的主要材料(步骤S609)。之后进行热蒸镀时，需关掉或停止上述进行离子辅助蒸镀法时离子源使用 的电力(步骤S611);接着进行热蒸镀法，是利用电子鎗打在所设计需要蒸 镀的蒸发源上，蒸发源材料气化，气体就被蒸镀上去(步骤S613);于基材 上形成所需蒸镀的薄膜，为形成具有平整度为正的凹面特性的薄膜(如图3B 所示之第二层薄膜)，与步骤S609形成的单层膜具有相反的薄膜应力，以相 互平衡薄膜应力达到适当的表面平整度，最佳实施例为形成具有最低的PV值 的薄膜结构(步骤S615);上述步骤形成的结构可更复杂，可藉重复上述步 骤形成多层薄膜结构(步骤S617)。本发明先藉测试工艺得知在多少单层膜的镀膜厚度的情况下能与所设计 的薄膜达成相互平衡薄膜应力，达成所设计的薄膜结构，不仅可以产生有最佳 平整度(最低的POWER值)的薄膜结构，亦可形成任意设计具有特定POWER 值的薄膜结构。本发明主要应用于DVD组件中光学组件的工艺，如应用于需要高度准确 的光学特性的雷射读写头(pickup head)所需经过的透镜、平面镜等组件，故
藉本发明所揭露的工艺可提供表面平整度良好的光学组件。综上所述，本发明揭露一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统与方法，主要是 先以离子辅助蒸镀法镀一层与基材类似折射率的薄膜，再以热蒸镀法镀所设计 的薄膜结构，由于此两种方法对薄膜具有相反的薄膜应力，当结合在同一工艺 时，即能平衡镀完膜后的表面平整度。虽然本发明已以前述较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在 不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明 作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的 权利要求的保护范围。
权利要求
1. 一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统，其特征在于，该系统包括有一离子辅助蒸镀手段，是在一基材上镀上一第一层薄膜，该第一层薄膜的光学特性接近该基材；以及一热蒸镀手段，是在该基材上镀上一第二层薄膜，该第二层薄膜与该第一层薄膜具有相反的薄膜应力；其中该第一层薄膜与该第二层薄膜之一为一具有凸面特性的薄膜，而另一则为一具有凹面特性的薄膜；藉重复该离子辅助蒸镀手段与该热蒸镀手段形成一多层膜的薄膜结构，并且该平衡薄膜应力的薄膜制作系统在该基材上镀上具有相反应力的该第一层薄膜与该第二层薄膜，藉以调整所形成的薄膜结构的表面平整度。
2. 根据权利要求1所述的平衡薄膜应力的薄膜制作系统，其特征在于，该基材为玻璃，而该第一层薄膜为一以Si02为主的材料。
3. 根据权利要求1所述的平衡薄膜应力的薄膜制作系统，其特征在于， 该热蒸镀手段是以加热方式将一或多种具有不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀 于该基材上。
4. 一种平衡薄膜应力的薄膜制作方法，包括有 制备一为真空状态的镀膜室；以一离子辅助蒸镀法在一基材上镀上具有一厚度的第一层薄膜；以一热蒸镀法在该基材上镀上一第二层薄膜，并且该第二层薄膜与该第一 层薄膜为相邻且具有相反的薄膜应力；量测由该基材、该第一层薄膜与该第二层薄膜形成的薄膜结构在工艺前后 的一表面平整度变化；重复该第一层薄膜与该第二层薄膜的工艺，利用改变不同的第一层薄膜厚 度，推算出该表面平整度变化与该第一层薄膜之厚度的关系；利用该表面平整度变化与该第一层薄膜之厚度的关系，依需求产生该薄膜 结构；其中该第一层薄膜与该第二层薄膜之一为一具有凸面特性的薄膜，而另一 则为一具有凹面特性的薄膜。200610168248.4
5. 根据权利要求4所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 该基材为玻璃，而该第一层薄膜为一以Si02为主的材料。
6. 根据权利要求4所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 该热蒸镀手段是以加热方式将一或多种具有不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀 在该基材上。
7. —种平衡薄膜应力的薄膜制作方法，包括有 预备一真空状态的镀膜室； 预备一或多种蒸发源；预备一离子源；进行一离子辅助蒸镀步骤，是将该镀膜室内通入一离子源的气体，施加交 流电反应形成电浆形式的该离子源后，再藉一电场将离子拉出布植进行辅助的 作用在一基材上；形成一第一层薄膜，该第一层薄膜为一具有特定厚度的单层膜，与该基材 具有相近的折射率；进行一热蒸镀步骤，是以加热方式将一或多种具有不同折射率的蒸发源气化后，蒸镀于该基材上；形成一第二层薄膜，该第二层薄膜与该第一层薄膜为相邻，且具有相反的 薄膜应力；其中该第一层薄膜与该第二层薄膜之一为一具有凸面特性的薄膜，而另一 则为一具有凹面特性的薄膜；藉该基材上形成具有相反薄膜应力且相邻的该第一层薄膜与该第二层薄 膜，以相互平衡薄膜应力形成一具有适当表面平整度的薄膜结构。
8. 根据权利要求7所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于，该基材为玻璃，而该第一层薄膜为一以Si02为主的材料。
9. 根据权利要求7所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 进行该离子辅助蒸镀步骤后，需停止进行该离子辅助蒸镀步骤的电力，以进行 该热蒸镀步骤。
10. 根据权利要求7所述的平衡薄膜应力的薄膜制作方法，其特征在于， 藉重复该方法的步骤形成一多层膜的薄膜结构。
全文摘要
本发明公开了一种平衡薄膜应力的薄膜制作系统与方法，是先以离子辅助蒸镀法(IAD)镀一层与基材类似折射率的薄膜，再以热蒸镀法镀所设计的薄膜结构，此两种镀膜方法所产生的薄膜具有相反的薄膜应力，当结合制作于基材上形成一薄膜结构时，因为应力的影响不同而藉以平衡薄膜的表面翘曲，改善镀膜后表面的平整度。
文档编号C23C14/24GK101210312SQ200610168248
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者林君鸿, 简义本, 詹博文 申请人:鸿海精密工业股份有限公司;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司
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