金属反射膜材料简介.doc

金屬反射膜材料簡介李秉璋1, 王正和21 工業材料研究所 研究員 2 工業材料研究所 副研究員一、前言 When God began creating the heavens and the earth, the earth was at first a shapeless, chaotic mass, with the Spirit of God brooding over the dark vapors.Then God said “Let there be light.”. And light appeared. And God was pleased with it, and divided the light from the darkness.從舊約聖經的記載, “光”起源於混沌之初。由於大氣中的水分子把太空中的X光(短波長)與微波(長波長)吸收, 只讓特定頻譜範圍的光線(太陽光)照射到地球表面, 因此孕育了地球上億萬個依賴太陽能量的物種。“光”是什麼? 光具有波動(電磁波)及粒子(俗稱光子,photon)兩種特性, 例如短波長的X-光會被電子散射的現象,必須以粒子理論來解釋。當把光當成電磁波的時候, 可以用三個物理量來描述它的性質, 這三個物理量分別是波向量(k)、電場(E)及磁場(B)。圖一簡單地把三者之間的關係, 以三個互相垂直的向量來表示並且以電磁正弦振盪(sinusoidal oscillation)的波長(wave length)來表示光的能量。圖二以對數指標列出各種不同波長(或頻率)的電磁波, 其中波長在4x10-5到8x10-5公分(400800 nm)之間的電磁波稱為可見光。 圖一光波可視為電場及磁場交互振盪而成隨著半導體科技的突飛猛進, 光電工業開發了大量的消費產品, 進入了我們每一個人的生活。表一把光電產品依據照明、電子裝置及雷射等分類,分別介紹各種光電技術及元件。各種光電元件除了充份運用各種半導體材料的光特性之外, 金屬反射膜也扮演相當重要的地位。另外, 金屬膜在傳統光學元件中也是不可或缺的角色。利用金屬的反射、半反射、分光、濾光等特性, 設計出不同的半反射鏡、光線分割稜鏡與中性光密濾光片等光學元件。圖二各種不同波長(頻率)的電磁波表一二、材料為甚麼透明? 為甚麼反射?圖三Lorentz 模型,中間白色球為原子核,其他小黑球為電子,不同粗細的彈簧代表固體的異方向性 自然界所有的固體皆由原子排列而成, 而原子由電子與原子核所組成。非導電材料的電子因為受原子核的束縛, 可以用彈簧模型(Lorentz model) 來表示電子與原子核之間的振盪。當光波(電磁波)進入時,由於光波的電場(E)對電子產生交互作用, 造成電子位移,而使固體產生極化(polarization), 光波的能量被電子振盪吸收一部份而造成光速與波長改變, 稱為光的色散現象。在此非導體介質中的光速可以用下列的公式來表示V=C/n V:光在介質中的速度 C: 光在真空中的速度 n:介質的折射係數(refractive index)光在介質中除了光速改變之外,其電場的振幅也會隨穿透距離而依e-2kx遞減,其中k為吸收係數(coefficient of absorption), 而x 為穿透距離。導體材料中的外殼層電子(自由電子)並沒有被原子核束縛, 當被光波照射時, 光波的電場使自由電子吸收了光的能量, 而產生與光相同頻率的振盪, 此振盪又放出與原來光線相同頻率的光, 稱為光的反射。如圖四 所示, 這種電子的振盪隨著深度的增加而減小, 使電子振盪的振幅(amplitude)減小到原來1/e時(e為自然對數)的深度稱為穿透深度(skin depth,) , 此穿透深度決定了材料是透明還是反射, 通常大部份金屬的穿透深度只有幾十或百奈米(nanometer, nm) 。穿透深度與材料的基本性質的關係如下:=(/c): 真空中光的波長速 c : 光速;導磁係數:靜導電係數(static conductivity)由上述公式可以了解,光線的波長愈長愈容易穿透金屬, 這就是為什麼波長較長的紅外線比短波長的紫外光更容易穿透金屬。另外值的注意的是, 金屬的導電係數愈高, 穿透深度愈淺, 反射率(reflectivity)愈高。因此金屬反射膜材料大都使用高導電度的金(Gold, Au)、銀(Silver, Ag)、鋁(Aluminum, Al)與銅(Copper, Cu)等材料。入射光圖四光照射到導體而使自由電子振盪,此振盪隨著深度的增加而減小自由電子振盪 光學元件的反射主要可以分類成前反射式(front-surfaced reflection)及背反射式(back-surfaced reflection)兩種, 如圖五所示, 光線直接照射在反射膜上的方式稱為前反射, 光線穿過透明介質再照到反射膜的方式稱為背反射。前反射式效果最佳, 但是必需考慮反射膜的表面品質而且容易被刮傷及容易氧化。背反射式只需考慮將透明介質的表面研磨、拋光後, 再鍍上一層足夠厚度的反射膜即可, 對於鍍膜的表面品質要求比較不嚴格。光線光線背反射前反射圖五 前反射與背反射金屬透明介質三、金屬反射膜鍍膜方式與性質 銀在可見光和近紅外光部份為最佳的反射膜材料, 如表二所示, 銀膜在波長800 nm 時的反射率可以達到99.2%。鋁在近紫外光、可見光、近紅外光都有良好的反射率, 是鍍光學反射鏡最常使用的材料, 但是鋁膜材質較軟而且容易氧化, 通常用於背反射膜, 當用於前反射膜時, 其表面必需鍍上保護膜, 也可以鍍上金屬或非金屬膜來提高在特定波長的反射率。 金與銅在650800nm的反射率表現不錯, 但是當波長小於500nm時, 金、銅的反射率卻遠低於鋁、銀。表二 幾種金屬反射膜在不同波長的反射率金屬種類800nm反射率 %650nm反射率 %500nm反射率 % 鋁Aluminum86.790.591.8銀Silver99.298.897.9金Gold98.095.547.7銅Copper98.196.660.0 金屬反射膜的鍍膜方式可以分類為三種:1. 蒸鍍(evaporation)2. 濺鍍(sputtering)3. 離子披覆(ion plating)蒸鍍是在真空中將金屬加熱蒸發產生金屬蒸氣, 使其附著在基板上凝聚成薄膜。蒸鍍的基板材質沒有限制, 從紙、金屬到陶磁都能使用。圖六為簡單的加熱式蒸鍍, 另外還有電子槍加熱式及離子輔助式蒸鍍。濺鍍的原理如圖七所示, 主要利用輝光放電(glow discharge)將氬氣(Ar)離子撞擊靶材(target)表面, 靶材的原子被彈出而堆積在基板表面形成薄膜。濺鍍薄膜的性質、均勻度都比蒸鍍薄膜來的好,但是鍍膜速度卻比蒸鍍慢很多。新型的濺鍍設備幾乎都使用強力磁鐵將電子成螺旋狀運動以加速靶材周圍的氬氣離子化, 造成靶與氬氣離子間的撞擊機率增加, 提高濺鍍速率。一般金屬鍍膜大都採用直流濺鍍,而不導電的陶磁材料則使用RF交流濺鍍。 表三列出幾種常用的金屬反射層材料的濺射率及平均鍍膜速度, 由表中可已看到銀的鍍膜速度最快, 約為鋁的三倍, 另外鍍膜速度最慢的是矽與鈦。離子披覆與濺鍍類似, 但是將基板與周圍保持0.52KV的負電壓, 使基板的前端產生暗區(darkspace), 在此狀態下由蒸發源放出的金屬蒸氣在輝光放電的電漿(plasma)中形成離子, 再被暗區加速後打到基板形成披覆。圖六電阻式加熱蒸鍍圖七濺鍍原理,靶材原子被Ar+打出靶材表面而沉積到基板表三 幾種常用的金屬反射層材料的濺射率及平均鍍膜速度元素濺射率平均鍍膜速度nm/minAg3.42650Al1.2760Au2.82200Cr1.21000Cu2.31800Nb0.65500Pd2.41870Rh1.51170Si0.5400Ti0.6470表四 幾種鍍膜方式與薄膜性質比較蒸鍍濺鍍離子披覆粒子能量 eV0.1-11-10100鍍膜理論密度95%98%98%晶粒大小大小非常小非晶質膜的附著力小中大鍍膜速率 mm/min.0.1-750.01-0.50.1-50表四將以上三種鍍膜方式與薄膜性質作一個比較, 蒸鍍薄膜的密度最差, 只能達到理論密度的95%, 鍍膜的附著力也最差, 但是蒸鍍的鍍膜速率最快。離子披覆不只密度最高、晶粒最小, 鍍膜與基板的附著力也是三種鍍膜中最大的, 可是離子披覆最大的缺點是基板必需是導電材料,而且鍍膜時, 基板的溫度會升高到攝式幾百度, 上述的缺點使離子披覆的應用受到很大的限制。 接下來討論幾種鍍膜性質與鍍膜方式、鍍膜參數的關係。首先來看幾種鍍膜方式鍍出來的純鋁薄膜在不同波長時的反射率, 如圖八所示, 離子披覆的鋁膜由於電極的污染, 純鋁薄膜中混入雜質元素(Cu), 因此反射率普遍比蒸鍍薄膜低5%。而濺鍍薄膜由於表面形成凸起(hillock), 造成粗糙度增加,因而使反射率偏低, 由其在短波長段特別明顯。Hillock 為沉積薄膜時最容易發生的缺陷。圖九為純鋁濺鍍薄膜表面hillock 的電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)照片, 可以看到圓形的hillock與薄膜基地有明顯界面。為了更進一步了解整個薄膜表面的hillock分佈情形, 可以使用原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)來觀察薄膜表面。 圖十為可重覆讀寫光碟(re-writable compact disc, CD-RW) 中的Al-Ti反射膜的hillock 分佈情形。Hillock的形成主要與薄膜沉積時的熱應力/應變(thermal stress/strain)有關, 另外靶材的成份及真空中殘留的氧或水分子也會影響hillock的形成。在實際鍍膜時, 將基板的溫度提高及增加鍍膜速率, 可以減少hillock的形成。圖十一為蒸鍍純鋁膜時, 基板溫度、鍍膜速率與hillock密度的關係, 由圖中可看到,當鍍膜速率低於3 A/s以下及基板溫度低於350 K以下時, hillock 的密度可以高到每平方公分有20個。再來看看晶粒大小(grain size)與鍍膜參數的關係。圖十二為蒸鍍純鋁膜時, 基板溫度、鍍膜速率與晶粒大小的關係。由於鍍膜原子到達基板後必需經過成核(nucleation)與成長(growth)來形成薄膜, 因此當基板溫度升高, 晶粒成長速度增加, 因此薄膜的晶粒較大。另外還有晶粒的方向性(orientation)也與鍍膜參數有關, 在這篇文章中不作討論。圖八 幾種鍍膜方式鍍出來的純鋁薄膜在不同波長時的反射率圖九純鋁濺鍍薄膜表面的hillock圖十二為蒸鍍純鋁膜時, 基板溫度、鍍膜速率與晶粒大小的關係圖十一 蒸鍍純鋁膜時, 基板溫度、鍍膜速率與hil