捲揚式真空濺鍍技術簡介

SWOT 分析是基於企業自身的實力，對比競爭的對手，並分析企業 外部環境變化影響可能對企業帶來的機會與面臨的挑戰，進而制定出企 業最佳的經營競爭策略。

第四節 捲揚式真空濺鍍技術簡介

捲揚式真空濺鍍技術茲說明如下:

薄膜的形成方法有許多種，但大體上可分為化學法(Chemical Vapor

Deposition，CVD)和物理法(Physical Vapor Deposition，PVD)兩大類，

如(表 2-2)。前者發生氣相的化學反應，後者不發生化學反應。在化學 法方面，包括電鍍(Electroplate)及化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)。

表 2-2 薄膜沉積工法分類表

資料來源:金屬工業研究中心產業報告及本研究整理

在物理法(Physical Vapor Deposition，PVD)薄膜技術中，則有真 空蒸鍍法（Vacuum Evaporation Depostion，VED）、離子鍍（ion plating）

及濺鍍（Sputtering Deposition）三個主要工法。物理氣相沉積法共 通的原理是利用高溫熱源將原料加熱至高溫，使之氣化或形成等離子體，

然後在基體上冷卻凝聚成各種形態的材料（如單晶、薄膜、晶粒等）。

所用的高溫熱源包括電阻、電弧、高頻電場或等離子體等，由此衍生出 各種 PVD 技術，其中以陰極濺射法和真空蒸鍍較為常用。

真空蒸鍍或名真空蒸發沉積法（VED），如圖 2-10，是在真空條件下 通過加熱蒸發某種物質使其沉積在固體表面。此技術最早由法拉第（M.

Faraday，1797~1867）於 1857 年提出，現代已成為常用鍍膜技術之一，

用於電容器、光學薄膜、塑膠等的真空蒸鍍、沉積膜等領域。例如光學

箔或絲狀，：通以電流，加熱在它上方的或置於坩堝中的蒸發物質。電 阻加熱源主要用於蒸發鎘（Cd）、鉛（Pb）、銀（Ag）、鋁（A1）、銅

（Cu）、鉻（Cr）、金（Au）、鎳（Ni）等材料。二是用高頻感應電流 加熱坩堝和蒸發物質。三是用電子束轟擊材料使其蒸發，適用於蒸發溫 度較高（不低於 2000 ℃）的材料。

蒸發鍍膜與其他真空鍍膜方法相比，具有較高的沉積速率，可鍍製 單質和不易熱分解的化合物膜。使用多種金屬作為蒸鍍源可以得到合金 膜，也可以直接利用合金作為單一蒸鍍源，得到相應的合金膜。

真空蒸鍍法簡單易行，沿用已久。但此法本身有許多難以解決的缺 點，例如:真空蒸鍍的蒸著能量低，使鍍膜層在基材表面的附著力差；

高熔點或低蒸氣壓物質不易蒸鍍；另外蒸鍍功能材料膜時物性難以控制；

Pin hold 等問題無法克服，其他一些與薄膜結構關係密切的物理特性，

在製程中的再現性差以及薄膜厚度無法精確控制等，皆是真空蒸鍍工法 在應用上限制。

圖 2-10 蒸鍍原理

資料來源: 國科會高瞻自然科學教學自然平台 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/

圖 2-11 蒸鍍設備實體圖

資料來源:莊允中（2002.10.30）。傳統金屬表面處理業之升級與轉型探索。

金屬中心產業報告。

離子鍍（ion plating）原理如圖 2-12，就是蒸發物質的分子被電 子碰撞電離後以離子沉積在固體表面，它是真空蒸鍍與陰極濺射技術的 結合。離子鍍系統將基片台作為陰極、外殼作陽極，充入工作氣體（氬 氣等惰性氣體）以產生輝光放電。從蒸發源蒸發的分子通過等離子區時 發生電離。正離子被基片台負電壓加速打到基片表面，未電離的中性原 子（約占蒸發料的 95 %）也沉積在基片或真空室壁表面。電場對離子化 的蒸氣分子的加速作用（離子能量約幾百～幾千電子伏）和氬離子對基 片的濺射清洗作用，使膜層附著強度大大提高。

離子鍍工藝綜合了蒸發（高沉積速率）與濺射（良好的膜層附著力）。

工藝的特點，並有很好的繞射性，可為形狀複雜的工件鍍膜。另外，離 子鍍改善了其他方法所得到的薄膜在耐磨性、耐磨擦性、耐腐蝕性等方 面單不足。

離子鍍由於是利用高能離子轟擊工件表面，使大量的電能在工件表 面轉換成熱能，從而促進了表層組織的擴散作用和化學反應。然而，整 個工件，特別是工件心部並未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應 用範圍較廣，受到的局限性則較小。通常，各種金屬、合金以及某些合 成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點材料等均可鍍覆。

圖 2-12 離子鍍膜原理圖

資料來源: 國科會高瞻自然科學教學自然平台 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/

陰極濺射法又稱濺鍍（Sputtering Deposition），它是利用高能 粒子轟擊固體表面（靶材），使得靶材表面的原子或原子團獲得能量並 逸出表面，然後在基片（工作）的表面沉積形成與靶材成分相同的薄膜。

常用的二極濺射原理如圖 2-13 所示。通常將欲沉積的材料製成板材作 為靶材，如圖 2-14，固定在陰極上，待鍍膜的基片置於正對靶面的陽極 上，距靶幾釐米。系統抽至高真空後充入 1～10 Pa 的惰性氣體（通常 為氬氣 Ar），在陰極和陽極間加幾千伏電壓，兩極間即產生放電如圖

2-15。放電產生的正離子在電場作用下飛向陰極，與靶表面原子碰撞，

受碰撞從靶面逸出的靶原子稱為濺射原子，其能量在一至幾十電子伏範 圍。濺射原子在基片表面沉積成膜。

陰極濺射法中，濺射的原子有大的能量，初始原子撞擊基質表面即 進入幾個原子層深度，這有助於薄膜層與基質間的良好附著力。濺射法 的另一個優點是可以改變靶材料產生多種濺射原子，並不破壞原有系統，

因此可以形成多層薄膜。射法廣泛應用在諸如由元素矽（Si）、鈦（Ti）、

鈮（Nb）、鎢（W）、鋁（Al）、金（Au）和銀（Ag）等形成的薄膜，

也可以用於形成包括耐火材料，如碳化物、硼化物和氮化物在金屬工具 表面形成薄膜，以及形成軟的潤滑膜如硫化鉬，還用於光學設備上防太 陽光氧化物薄膜等。相似的設備也可以用於非導電的有機高分子薄膜的 制備。濺鍍的缺點是靶材的製造受限制、析鍍速率低等。

圖 2-13 濺鍍原理

資料來源: 國科會高瞻自然科學教學自然平台 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/

圖 2-14 濺鍍工法所使用之靶材

資料來源:金屬工業研究中心產業報告及本研究整理

圖 2-15 濺鍍沉積所產生之電漿態 資料來源:本研究整理

濺鍍系統，圖 2-16 為濺鍍設備系統結構示意圖。圖中靶材是置於 下電極板處，而基板則是置於上電極板處。電漿中離子受到電場的作用 力而對靶材進行離子轟擊。靶材的原子被轟擊出來之後，往各個方向放 射。到達基板的靶材原子再經過附著、吸附、表面遷徙、成核等過程而 形成薄膜。一般濺鍍所使用的電漿氣體是惰性的氬氣。

濺鍍與蒸鍍所沈積的薄膜有幾項特性並不相同：首先濺鍍可以沈積 合金薄膜；此外濺鍍所沈積的薄膜通常會包括微量的氬成分(形成電漿

態的必要氣體)；而且薄膜沈積過程中，基板由於受到二次電子的加熱 作用，基板溫度會顯著升高。當基板是絕緣材料(譬如 SiO2)時，如果使 用直流電漿，則在基板表面會有 電荷堆砌，並產生一個與外加電壓相 反極性的感應電壓。因此對絕緣基板必須使用交流功率才能驅動電漿如 中頻電源、射頻電源或 DC pulsed。如使用的交流電源頻率是在『射頻』

範圍，即為射頻濺鍍 (工業界所使用的規格頻率是 13.56MHz)。濺鍍適 用性非常之廣。就薄膜的組成而言，可製作單質膜、合金膜化合物膜；

就薄膜材料的結構而言，可製作多晶膜、單晶膜、非晶膜。

若從材料物性來看可用於研製光、電、聲、磁或優良力學性能的各 類功能材料膜。表 2-1 所列為種種薄膜材料的典型示例，其中一些金屬 膜很早以前便已實用化而諸如超導膜、光積體電路用介電質膜、磁性材 料膜和光電子學用半導體膜等仍是世界各國競相研製的新材料，種類繁 多且絕大部分是化合物薄膜。表 2-3 即以化合物膜為例，來說明濺鍍技 術的應用 。

圖 2-16 濺鍍設備系統結構示意圖

資料來源:莊允中（2004），米鍍膜技術動向分析，屬中心產業報告。

表 2-3 濺鍍應用表

資料來源:莊允中（2004），米鍍膜技術動向分析，金屬中心產業報告。

捲揚式(Roll-to-Roll，R2R)濺鍍工藝為利用上述濺鍍原理，使用 軟性材質（flexible substrate），如 PET、PC、COP、TAC 等材料進行 的連續加工工藝，如圖 2-17 所示。

捲揚式連續式軟板鍍膜工法，具有可連續式、可同時鍍多層膜及生 產效率高等特性，與傳統批次型（batch type）或晶圓式（wafer type）

生產方式比較，可以減少高達 60%以上生產成本，並大幅降低設備成本

及空間，極具量產經濟價值及競爭性，可應用於平面顯示器產業之抗反 射膜（anti-reflective）、抗靜電膜（ anti-static ）、導電膜

（conductivity）、抗紫外線膜（optical UVfilter）、表面抗磨損及 刮傷處理（abrasionand scratch resistance ）、電子書

（e-Paper/e-Book）及觸控面板等領域，未來在捲揚式玻璃材料可量產

等四大區域，，其中鍍膜沉積室包含 cooling drum、電極（cathodes）

及靶材，可依不同的鍍膜種類及層數需求，可以擴充至 multi-drum 及 multi-cathodes，而中間轉換室則包含前處理基材表面清潔裝置

（pre-treatment）、後處 理 鍍 膜 表 面 品 質 檢 測 裝 置

（post-treatment）。為使軟板基材表面在鍍膜沉積室能夠獲得均勻的 高品質鍍膜品質，並在傳輸過程中平順穩定，不產生打滑（slip）及表 面缺陷（defect density），首須要求傳輸鍍膜過程中，軟板基材的線 傳輸速度必須為常數，並以鍍膜沉積區域的 cooling drum 線速度為基

準值，但實際上因傳輸過程中所產生磨擦力及捲取滾輪上慣性矩隨時間 變化的影響，造成軟板內部張力逐漸遞減，而在軟板基材表面產生皺紋

（wrinkle）及橫紋（rail）；反之若張力太大，則會對軟板薄膜基材 產生變形甚至斷裂，加上針對不 同 的 軟 板 基 材 具 有 不 同 的 厚 度、寬度及材質(PET,PES, PC)特性，其所需要的捲曲張力設定值皆 不同。

因此針對 R2R 連續式軟板鍍膜設備，首先必須具備良好、精準、自

因此針對 R2R 連續式軟板鍍膜設備，首先必須具備良好、精準、自