UV冷鏡鋁反射器的膜層研制

曹 軼 田 丹 關 旭 郝天宇 楊振華

（沈陽沈大內窺鏡有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

在半導體制造工藝過程中，通常需要對沉積的薄膜進行固化，以獲得所需要的薄膜性能。過去經常采用加熱烘烤達到固化薄膜的目的，但是熱固化速度慢、能耗高、設備及工藝復雜，目前已逐漸被紫外固化（UV cure）所替代。紫外線固化是利用光引發劑的感光性，在紫外線光的照射下，由光形成了激發生態分子，分解為自由基或是離子，使不飽和有機物進行聚合、接枝和交聯等化學反應，達到固化的目的，被廣泛應用于印刷、電子、機械和建材等行業，其中固化強度和速度是衡量紫外線利用率的重要指標。

UV反射罩是UV固化機的核心部件之一，主要功能是反射燈管發出的紫外光聚焦，精確輻照到目標物體表面，并且輻射熱量低。反射罩的反射率越高，油墨的固化度就越高，著色的質量就越好。同時，更高的反射率要求著色速度更快，達到提質增效的目的[1-2]。傳統紫外固化燈用普通鋁材做反射罩，紫外區（＜400 nm）反射能量低，通常達到了70%～80%。光源發射紫外光的同時會產生大量的熱輻射，嚴重影響了紫外固化系統的固化效率，且鋁材表面硬度低，抗腐蝕能力差。該文圍繞如何發揮最大UV能量并降低紅外熱量為目標，應用真空鍍膜技術，在大尺寸鋁板上鍍制多層紫外高反膜[3]，提高紫外工作波段反射率，降低紅外區（大于700 nm）輻射熱量，從而提升紫外固化強度和速度。

1 膜系設計

1.1 基材

目前，紫外固化燈一般采用高壓汞燈，高壓汞燈的光譜圖如圖1所示，光源上方加2片鋁材制成了反射罩，固化設備結構如圖2所示，聚焦UV光可以輻照到物體表面。

通過查詢相關材料數據見表1[4]，氧化鎂對UV光反射系數最高，但是因其物理特性不穩定不能用于制造UV光反射板材。經過金屬還原工藝制造的氧化鋁鎂合金兼顧了紫外高反射和鋁材的高硬度特性，再經表面拋光處理達到鍍膜所要求的表面光滑度，經過試驗確定制作反射板材的材料為氧化拋光的鋁鎂（MgAl2O4）合金。

表1 不同方法處理過的鋁材對紫外線和可見光的反射系數

圖1 汞燈譜線

圖2 UV固化裝置結構圖

1.2 鍍膜材料

連接層材料：考慮到0.3 mm鋁板很軟，選取金屬鉻（Cr）膜為連接層，膜層耐熱性強，與金屬和半導體材料具有很好的粘附性[5]，起到了1種膜層和鋁板之間的軟連接加硬作用，為后續的裁剪壓弧工藝奠定基礎。

吸收層材料：鋁材本身在紫外到紅外區有85%左右的反射率，為了吸收可見和近紅外光，達到減少熱輻射能量的效果，選取氮化鈦膜（TiN）為吸收層 。氮化鈦（TiN）是1種容易晶化的硬質涂層材料，具有高熔點、強抗蝕性和高穩定性的優點，同時膜層具有一定的韌性，可達到壓弧工藝要求。氮化鈦（TiN）可與Cr／Cu等金屬基材形成均勻平整的接觸界面[6]。

反射層材料：選取氧化鉿（HfO2）和二氧化硅（SiO2）組成的紫外反射膜堆[7]，其透明區域可以從近紅外一直到230 nm的紫外區域，同時還具有非常好的硬度、附著力以及穩定性等薄膜材料的綜合性能。

1.3 膜系設計

從光的薄膜干涉理論可知，當入射光到介質膜表面，反射相干光為干涉極大時，透射光的能量最小，這種膜就是高反膜，層數越多，反射效果越好，多層高反膜是由光學厚度λ/4的高、低折射率膜層交替鍍制的膜系[8]。參照光源發射譜線，以長波通為基礎膜系設計紫外高反膜。

膜料光學常數：考慮到基底溫度、沉積速率、真空度、沉積方式和離子輔助等工藝參數對材料光學常數的影響。單層膜材料（Cr/TiN）在3種條件下進行：1）冷鍍。2）本地真空小于2×10-3Pa。3）采用電子槍蒸鍍，速率Cr為0.6 nm/s TiN為0.5 nm/s。考慮到金屬膜在不同厚度下n、k值的變化，鍍制光譜數據是在固定膜厚下測得的 ，膜厚數據由連接層牢度特性和吸收層紅外吸收率所得估值，將所測得的數據導入OptiLayer膜系設計軟件的Optichar模塊，進行折射率和吸收系數的模擬，經過多次修正，得到材料Cr膜和TiN膜的折射率n、吸收系數k分布圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 Cr（鉻）膜光學常數

圖4 TiN（氮化鈦）膜光學常數

膜層結構設計思路：第一層膜為連接層，第二層膜為過渡層，第三層膜為吸收層，后面為反射堆，保證高反射率的同時要兼顧顏色調節屬性。基底側配以連接層Cr和吸收層TiN，這2個關鍵膜層的厚度經試驗得到后，運行Optilayer軟件，設置光譜target和color target（藍紫色），鎖定前三層光學厚度為/0.2C0.8L2.5T/，鎖定后運行Optilayer-Gradual Evolution漸進優化模塊設置最大層數30層，最外層使用二氧化硅（SiO2）膜保護，模擬得到光譜曲線如圖5所示。

優化得到膜層（25層）數據如下：

Sub/0.2C0.8L2.6T0.5L1.1H1.08L1.02H0.6L1.3H1.04L 1.06H1.2L1.22H1.17L1.12H0.4L0.3H0.75L1.27H1.23L1.17H1.02L1.26H2.3L/Air （C-Cr T-TiN H-HfO2L-SiO2）。C、L、T在程序中分別代表材料名稱，這段為復制的程序編寫格式。

2 膜層鍍制

2.1 基材清洗

第一步除油清洗，將表面拋光處理的鋁材進行除油清洗，用專用除油劑加入水中拌勻，并將鋁材放入加熱到70 ℃的除油液中浸泡1 h。第二步用純水沖洗表面，熱風槍吹干，防止水漬產生。第三步用酒精和乙醚混合液擦拭干凈，無油漬和水印。

2.2 鍍制工藝

采用真空鍍膜機，物理氣相離子輔助沉積方式鍍膜。箱體尺寸為1300 mm，配置了2套JEOL電子槍，膜厚由XTC3晶控和背反射光控系統精確控制。

操作步驟：在真空鍍膜機中放置鋁材，抽真空至2×10-4Pa，不加溫，預熔金屬Ti和氧化鉿（HfO2）[9]、二氧化硅（SiO2），離子轟擊清洗15 min，按照膜系設計的厚度進行多層膜鍍制，膜厚控制方式為光控+晶控。第一層Cr到第三層TiN沒有離子輔助，從第四層使用離子輔助工藝，工藝參數詳見表2。鍍制完成后加熱到150 ℃保持40 min 釋放膜層應力。

表2 鍍膜工藝參數

2.3 光譜測試

通過安捷倫-Cary7000分光光度計測試得到反射光譜 曲線如圖6所示。

圖5 光譜（反射）設計曲線

圖6 光譜測試曲線

結論：經過鍍膜后紫外反射光強度提高20%，可見和近紅外光反射率下降約80%，滿足設備參數要求，見表3。

表3 鍍膜后鋁材表面對紫外線和可見光的反射系數

3 環境試驗和機械強度測試

3.1 高溫測試

高溫密閉箱內，用紅外烤燈加熱至400 ℃照射表面8 h，膜層未出現起皮、脫膜、裂紋、氣泡等現象。

3.2 濕熱測試

在溫度為50 ℃，濕度90%的條件下保持24 h膜層未出現起皮、脫膜、裂紋和氣泡等現象。

3.3 牢固度測試

用2 cm寬3M膠帶粘牢在膜層表面，從邊緣朝內垂直方向迅速拉起，膜層無脫落損傷。用裁板機切割成100 mm×50 mm，10倍放大鏡觀察膜層邊緣光滑，無脫落。用熱壓機彎成R-35弧形，膜層無裂紋、無脫落。

上述測試完成后再次測試樣品反射率，光譜曲線基本沒有變化，滿足使用要求。

4 結論

該文通過非規整膜系設計和真空鍍膜技術，采用金屬加介質鍍膜材料，利用離子輔助和金屬反應蒸發技術，在尺寸為600 mm×400 mm×0.3 mm的鋁板上鍍制了多層反射膜，對紫外光波段反射率提高到95%以上，吸收可見和近紅外光，降低反射熱量80%，達到紫外光低溫高反射效果，膜層呈現藍紫色。解決了膜層牢固性問題，紫外固化設備的固化強度和速度提高了1.3倍以上。鍍膜后裁剪至尺寸為100 mm×50 mm×0.3 mm，用磨具熱壓成弧形，膜層具有牢固度高，耐磨損、可擦拭和抗腐蝕能力強等特點，滿足使用要求。