直流磁控濺鍍輔以氧離子助鍍光學薄膜於塑膠基板

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研究生：	邱繼暐 Chi-Wei Chiu
論文名稱：	直流磁控濺鍍輔以氧離子助鍍光學薄膜於塑膠基板 DC reactive magnetron sputtering with IAD for optical coatings on plastic substrate
指導教授：	李正中 Cheng-Chung Lee
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 光電科學與工程學系 Department of Optics and Photonics
畢業學年度：	92
語文別：	中文
論文頁數：	52
中文關鍵詞：	磁控濺鍍、附著力、塑膠基板
外文關鍵詞：	adhesion, plastic substrate, magnetron sputter
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我們利用反應式氧離子助鍍直流磁控濺鍍法來濺擊鉭(Tantalum)與矽靶(Silicon)以製備Ta2O5及SiO2之光學薄膜。以Ar為工作氣體，探討氧離子助鍍在能量、電流大小及轉速對於膜質之光學性質、沈積速率的影響。且基於磁控濺鍍可低溫鍍製薄膜的特性，將所得之最佳參數應用於塑膠基板上。藉由穿透率光譜圖及ESCA分析及膠帶測試討論離子轟擊對於塑膠基板附著力之影響與變化。
實驗結果顯示，以氧離子助鍍磁控濺鍍法於塑膠基板上鍍製抗反射膜，在波長450~700nm處可達平均反射率小於0.8%，最低反射率0.2%，參考波長550nm也有0.7%左右。而以離子轟擊清潔基板增加附著力的處理，可使基板附著力由0B改進至3B。若取商用TACHC膜為基板更能達到5B的規格，唯經離子轟擊後的塑膠膜，光學成效會偏離設計，推測乃因受熱導致膜質改變。

Thin films of Ta2O5 and SiO2 are prepared by oxygen ion-assisted DC magnetron sputtering of Tantalum and Silicon targets, respectively, using argon and oxygen as the working gas. The influences of oxygen flow rate, current and substrate holder rotation speed were investigated. The refractive indices and absorption coefficients were determined in the 350~850 nm wavelength range by envelope method.
We also have discussed the effect of oxygen ion bombardment on the adhesion between TAC (triacetyl-cellulose) films and optical thin films by tape test and ESCA. Experimental results show that:(1) a four layers AR coating reduced the residual reflectance to an average value of 0.8% in the spectral range from 450~700 nm (2) ion bombarding improves the adhesion between the optical thin film and plastic substrate, after ion bombardment pre-treatment, coatings on TAC pass the ASTM 3B and TACHC pass the ASTM 5B specification but the optical performance is affected. The influence of pre-treatment on TACHC film is smaller than the TAC film. To have good optical performance and the adhesion, the TACHC is possibly the solution.

目錄
摘要…………..…………………………………………………………………I
Abstract……. .…………………………………………………………………II
致謝……………………………………………………………………………III
目錄……………………………………………………………………………IV
圖目錄………..…………………………….…………………………………VII
表目錄…………………………………………………………………………IX
第一章 緒論……………………………………………………………………1
1-1 前言…………..……………………………….……………………………1
1-2 研究動機及目的……..…………………….………………………………1
第二章 基本理論………………………………………………………………3
2-1 磁控濺鍍機制……..…………………………….…………………………3
2-1-1 直流放電與電漿簡介……..………………..……………………………3
2-1-2 磁控管放電……..……………………………..…………………………5
2-1-3 磁控濺鍍與離子束助鍍……..………………..…………………………8
2-2 光學薄膜理論……..…………………………….…………………………9
2-2-1 基本理論與光學常數……..…………………..…………………………9
2-2-2 膜矩陣…………………………………………..………………………11
2-2-3 導納軌跡圖與抗反射膜之設計………………..………………………13
2-3 膜成長理論……………………………………….………………………16
2-4 Hysteresis Effect…………………………………………..........................18
2-5影響附著力之因素……..…………………………………………………21
2-6 離子轟擊的效應……….…………………………………………………23
第三章 實驗架構與分析工具……..…………………………………………26
3-1 實驗架構與儀器……….…………………………………………………26
3-2 分析工具……….…………………………………………………………26
3-3 塑膠基板簡介………….…………………………………………………27
第四章 實驗結果與分析……..………………………………………………28
4-1 Ta2O5單層膜………………………………………………………………28
4-1-1 離子源電流對薄膜性質的影響………..………………………………30
4-1-2 離子源氧氣分量對薄膜性質的影響…………..………………………32
4-1-3 基板轉速對薄膜性質的影響…………..………………………………34
4-2 SiO2單層膜……..…………………………………………………………36
4-2-1 離子源電流對薄膜性質的影響………..………………………………37
4-2-2 離子源氧氣分量對薄膜性質的影響………..…………………………38
4-2-3 基板轉速對薄膜性質的影響…………..………………………………40
4-3 ESCA數據與分析………...………………………………………………41
4-4  抗反射膜的鍍製……...…………………………………………………44
4-4-1 TAC塑膠基板抗反射膜的設計……..…………………………….……44
4-4-2 鍍製光學薄膜參數之選取……….………………………………….…45
4-4-3 離子助鍍與轟擊時間的影響………….………………………………45
4-4-4 經離子轟擊後之光譜圖 ………………………………………………47
第五章 結論……………………………………………………..……………49
Reference ………………………………………………………...……………51
圖目錄
圖2-1電漿內粒子示意圖....……………………………………….……….…6
圖2-2電漿內各區電壓、電流、電場關係圖……………..…………………6
圖2-3輝光放電濺擊示意圖……..……………………………………………7
圖2-4磁控管中磁場對電子作用示意圖………..……………………………7
圖2-5膜層電場座標示意圖…………………………………………………10
圖2-6 單層膜和基板界面示意圖……………………………………………11
圖2-7 單層膜a、b界面之等效導納……..…………………………………12
圖2-8 多層膜之等效示意圖…………………………………………………13
圖2-9 在基板 上鍍折射率y之膜時等效導納示意圖………..…………...14
圖2-10 Thornton之SZM model (Structure Zone Model)示意圖………….…18
圖2-11 磁控濺鍍的Hysteresis Effect 關係圖………….……………………20
圖2-12 高能粒子入射對於物體表面及沈積薄膜可能機………...…………25
圖2-13 離子轟擊對沈積薄膜之影響……...…………………………………25
圖4-1 不同離子源能量下濺鍍Ta2O5於玻璃基板之光譜比較圖……..……29
圖4-2 Ta靶不加IAD輔助時之磁滯曲線(400W,Ar:32sccm) ……....………29
圖4-3 Ta靶輔以IAD時之磁滯曲線…………………………………………29
圖4-4 離子源電壓為90V時，各電流值之光譜圖…………………………30
圖4-5 離子源電壓90V時，電流對應之光學常數比較……………………..31
圖4-6 離子源電壓90V時，電流與沈積速率比較圖……..………………..31
圖4-7 離子源電壓90V時，離子源氣壓比例之光譜比較圖………………32
圖4-8離子源電壓90V時，離子源氣壓比例之光學常數比較…….………33
圖4-9離子源電壓90V時，離子源氧壓比例之沈積速率比較…….………33
圖4-10定磁控、離子源功率下不同基板轉速之光譜比較圖.…….…………35
圖4-11 定磁控、離子源功率下不同基板轉速之光譜比較圖………………35
圖4-12 Si靶不加IAD輔助時之磁滯曲線(600W,Ar:32sccm)………………36
圖4-13 Si靶輔以IAD時之磁滯曲線(600W,Ar:32sccm)………….…………37
圖4-14離子源電壓為90V時，不同電流之光譜比較圖…….………………37
圖4-15離子源電壓為90V時，電流之光學常數比較圖……………………38
圖4-16離子源電壓為90V時，不同氧壓比例之光譜比較圖………………39
圖4-17離子源在不同氧壓比例之光學常數及濺鍍速率……………………39
圖4-18定磁控、離子源功率下不同基板轉速之光譜比較圖………………40
圖4-19定磁控、離子源功率下不同基板轉速之光學常數……..……………40
圖4-20  TAC化學結構示圖…………………………………………………42
圖4-21 TAC基板經不同氧離子轟擊時間之ESCA C1s光譜圖……………42
圖4-22 TAC基板之ESCA分析全譜圖………………………………………43
圖4-23 電腦模擬設計之光譜……..…………………………………………44
圖4-24 TAC基板經前處理穿透光譜變化圖………...………………………47
圖4-25 離子轟擊功率與時間對光學成效之影響……...……………………48
圖4-26有無離子轟擊於商用TACHC之光學成效比較圖…………………48
表目錄
表一 離子能量造成不同膜性質之比較表.………………………………….25
表二 TAC基材規格……..……………………………………………………27
表三 基板戴具設定值與實際轉速對照表.………………………………….34
表四 TAC基材於離子轟擊下之不同化學組態百分比……….……………43
表五 抗反射膜電腦模擬之設計……..………………………………………44
表六 選取的鍍製參數……..…………………………………………………45
表七 離子助鍍電壓與膠帶測試結果……..…………………………………46

                                

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