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一、 何謂薄膜技術

薄 膜技術是目前最流行的表面處理法之一，可應用於裝飾品、餐具、刀具、工具、模具、半導體元件等之表面處理，泛指在各種金屬材料、非金屬材料、超硬合金、陶 瓷材料、奈米材料及晶圓基板的表面上，成長一層同質或異質材料薄膜的製程，以期獲得美觀耐磨、耐熱、耐蝕等特性，而加以使用。依據沈積過程中，可以區分為 物理氣相沈積(Physical vapor deposition；PVD)通常稱為物理蒸鍍及化學氣相沈積(Chemical vapor deposition；CVD)通常稱為化學蒸鍍。隨著沈積技術及沈積參數差異，所形成薄膜的組織，可分為「單晶」「多晶」、或「非結晶」的結構。

二、薄膜成長機制（Thin film growth mechanism）

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圖（一）薄膜成長機制示意圖：（A）吸附； （B）表面遷徙；（C）成核；（D）核島； （E）薄膜成長；(F) 吸解

薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。圖（一）為薄膜成長機制的 說明圖。首先到達基板的原子必須將動量降低或發散，原子才能「吸附」(Adsorption)在基板上。這些原子會在基板表面發生化學反應並進行薄膜的表 面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的「表面遷徙」(Surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團過程，稱為「成核」(Nucleation)。原子團必須達到一定的大小之後，才能持續不 斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成「核島」(Island)。核島之間的縫隙須要填 補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的「薄膜成長」。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子，這個步驟稱為原子的「吸 解」(Desorption)。依據薄膜成長機制可分為PVD與CVD，PVD利用物理性方式進行吸附與吸解作用，而CVD利用化學反應進行吸附與吸解反 應。

三、物理氣相沈積技術

物 理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD) 技術是指在真空條件下，用物理的方法使材料沉積在被鍍工件上的薄膜製備技術。 PVD鍍膜有三種基本型式，即蒸鍍(Vacuum Evaporation) 、濺鍍(Sputtering Deposition)及離子鍍(Ion Plating)，三種的沈積過程的原則大致相同。圖二為PVD的沈積過程及概念圖。物理氣相沈積過程所包含三個主要的步驟：(1)薄膜材料經各種不同的 方法加熱，由固態或液態激發成氣態、(2)薄膜材料的氣態原子、分子或離子，由蒸發源穿越真空抵達基座表面、(3)材料抵達基座表面後，沈積而逐漸形成薄 膜。其中真空離子鍍膜技術的發展是最快的，也是當今最先進的表面處理方式之一。此技術是一種能夠真正獲得奈米級至微米級鍍層（5nm ～ 5μm）且無污染的環保型表面處理方法，它能夠製備各種單一金屬膜（如鋁、鈦、鋯、鉻等),氮化物膜（TiN、ZrN、CrN、TiAlN）和碳化物膜 （TiC、TiCN),以及氧化物膜（如TiO等)。因此可以在幾乎不影響工件原來尺寸的情況下提高工件表面的各種物理性能和化學性能，鍍後不須再加工。

圖二、物理氣相沉積示意圖

四、化學氣相沈積技術

化學氣相沈積 (Chemical vapor deposition, CVD)技術是利用含有欲鍍薄膜成分的一種或多種氣體化合物；是指以單獨的或綜合的利用熱能、電漿放電、紫外光照射等形式的能源，使氣態物質在固體的熱表 面上發生氧化，還原或與基板反應之方式進行化學反應並在該表面上沈積，形成穩定的固態物質膜的過程。這種薄膜沈積方式主要涉及化學反應，故以「化學」氣相 沈積法稱之。圖三為CVD之基本概念圖。經常使用的CVD技術有：(1)「大氣壓化學氣相沈積」(Atmospheric pressure CVD、縮寫APCVD)系統、(2)「低壓化學氣相沈積」(Low pressure CVD、縮寫LPCVD)系統、(3)「電漿輔助化學氣相沈積」(Plasma enhanced CVD、縮寫PECVD)系統。化學氣相沈積過程所包含五個主要的步驟：(1)導入反應氣體，以及稀釋用的惰性氣體所構成的混合氣體，稱為『主氣 流』(Mainstream)、(2)主氣流中的反應氣體原子或分子往內擴散移動通過停滯的『邊界層』(Boundary layer)而到達基板表面，稱為「擴散作用」、(3)反應氣體原子被『吸附』(Adsorbed)在基板上，稱為「吸附作用」、(4)吸附原子 (Adatoms)在基板表面遷徙，並且產生薄膜成長所須要的表面化學反應，稱為「表面化學反應」、(5)表面化學反應所產生的氣庇生成物被『吸 解』(Desorbed)，並且往外擴散通過邊界層而進入主氣流中，並由沈積室中被排除。此技術是半導體積體電路製程中運用極廣泛的薄膜成長方法，諸如介 電材料（如SiO₂、Si₃N₄）、半導體（如Si）、導電(W、Al、Cu)等薄 膜材料，幾乎」都能用CVD技術完成。CVD的缺點為披覆時的溫度較高(800℃~1000℃)，且因沈積的速度較快(每小時 1~100微米)，鍍膜的厚度較大(通常大於10微米)。嚴格地說，CVD為奈米至微米的鍍膜技術，並不是純粹奈米技術。

圖三、化學氣相沈積示意圖

五、薄膜技術的應用

目前薄膜技術已經廣泛應用在半導體、機械、民生、光電、能源、環保、生醫及奈米等產業，強大需求不只在全球形成一股「薄膜產業」潮流，外界預估其產值更將從2003年的80億美金，暴增至2008年的124億美金，發展潛力可見一斑。

（一）、硬質薄膜材料在機械工業之應用：利用各種硬質薄膜材料披覆於各式機械工具、刀具、與精密機械關鍵零組件之表面，以降低磨擦係數、提昇表面硬度、耐腐蝕及增進抗磨耗與抗氧化等優越性能，儼然成為新一代機械工業新契機，如圖四。

圖四、硬質薄膜之刀具

（二）、薄膜技術與材料在民生工業之應用：近年來利用真空鍍膜製程來增添新色彩與環保概念之防汙抗刮鍍膜產品，例如民生工業的衛浴、五金產品；運動器材的高爾夫球頭；時尚產業的珠寶飾品，如圖五。

（三）、薄膜技術與材料在能源及環保領域之應用：隨 著地球能源耗竭問題日益嚴重及費用高漲，新一代潔淨能源如太陽能與氫能源燃料電池需求日增。薄膜技術與材料能有效地提升效能與降低成本，促使此產業化應用 於日常生活中，如圖六。另外，化工環保領域能同時去除懸浮微粒、有機物、無機鹽及微生物，取代傳統之混凝、沈澱、砂濾、軟化處理程序，並具有佔地小、具擴 充彈性、完全自動化、系統簡單易維修的優點。

（a ）高爾夫球頭 （b ）珠寶飾品

圖五、高爾夫球頭及珠寶飾品

（四）、薄膜技術與材料在半導體及光電產業之應用：隨 著電子工業迅速發展，製程技術快速進，已達到極大型積體電路階段並且進入奈米等級。薄膜製程為一個極為要的關鍵步驟，其主要用途為低阻閘電極、元件間連 線、導體(線)接觸、擴散障礙層，如圖七(a)。另外，光學薄膜製程技術一直是光學領域中不可忽略重要基礎技術，而且品質要求也越來越高。例如液晶螢幕、 高密度光碟、數位元相機光學系統、投影技術、光纖通訊 、微影技術及發光二極體等等皆大量倚賴薄膜製程技術與相關，如圖七(b)。

圖六、太陽能電池

（五）、薄膜技術與材料在生醫領域之應用：薄膜技術與材料成為用於生物體內之局部植入器具、人工器官、創傷外敷材料、生醫感測器或細胞載體之重要技術。例如鈦金屬人工關節表面改質技術，將生醫陶瓷材料利用離子植入於鈦金屬人工關節表面，以使人工關節能達到長效使用之目的，如圖八。

（六）、奈米薄膜：奈米薄膜是一類具有廣泛應用前景的奈米材料，薄膜的厚度僅數奈米至數十奈米，在奈米尺度下將會影響奈米薄膜的光、電、熱、磁、化學與機械等性質；其應用包含微電子、儲存媒體、太陽能、光學、醫療及化妝美容等產業。

(a) (b)

圖七、(a)IC晶片、(b)微型投影技術

 

 

 

 

圖八、鈦合金人工關節的表面披覆生醫生醫陶瓷材料

參考資料：

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9. Thin-film deposition principles & practice, Donald L. Smith, McGraw-Hill, Inc 。

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12.表面與薄膜處理技術，柯賢文， 全華科技圖書公司。

13.薄膜技術與應用，羅吉宗，全華科技圖書公司。

 

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