光学薄膜介绍

-- 薄膜在自然界非常常见。例如气泡表面薄膜,油滴表面,都会形成所谓的光学薄膜效果,将光线的色彩分开来。在一些生物的物种,也会有特殊的薄膜结构生成。例如某些夜行性动物眼睛内的脉络膜毯(tapetum lucidum,例如狗,鲨鱼,猫)蜜蜂蜻蜓的翅膀,都是一层很薄的薄膜形成的。

光学薄膜主要有两个研究领域,薄膜光学及薄膜沉积(或镀膜)技术。

薄膜光学(Thin-film optics)

薄膜光学是物理光学的一个分支,主要研究不同材质的薄膜结构,对光线的影响。人类所能看见的薄膜光学,主要是薄膜膜层的厚度达到某一特定厚度后,能对可见光波段的光强度,做不同程度的干涉增强或减弱产生的。这个干涉现象,主要是光线通过不同折射率的材质(空气,薄膜,玻璃基板)时所产生的。

薄膜光学就是光在不同材质间穿透(入射)时产生的干涉现象的研究。 当光线穿透薄膜时,它会有很多种特性的改变。例如穿透率,反射率,吸收性,散射,极化,相位等的改变。它的基础理论可以用物理电磁波学说的干涉现象来解释。透过马克士威尔方程式(Maxwell equation), 可以解释光穿透不同材质时,因折射率变化产生的各种现象。由于电磁波理论已经可以完整解释薄膜光学的基础理论,因此目前的学术研究,都放在如何应用薄膜光学上。

设计及制造薄膜改变入射光的性质,是目前这个学科的重点。在薄膜结构设计理论上,有两种常见的设计方法,导纳设计法(Novel Monitoring Method)与向量法(Vector Method)。在没有计算机的年代,因为导纳法可以经由作图及纸笔计算的方式完成设计,所以在1970年之前,这是一般设计者广泛使用的方式。向量法因为需要大规模的计算,在计算机未发明之前,很难应用在实际设计的阶段。计算机普遍使用,且计算功能大幅提升后,向量法因为能够提供比较准确的计算结果,所以设计者大多采用以向量法为基础撰写的计算机程序。

二次大战后,随着科技突飞猛进,薄膜光学应用在非常多的光电子产品中。例如干涉仪,相机,天文望远镜,显微镜,光学引擎,显示器,投影机,光通讯,人造卫星,飞弹,装饰....等等。薄膜光学因此变成光学学科的一个重要分支,您可以找到很多的教科书,来了解相关的知识。

光学薄膜沉积技术(光学镀膜)

光学薄膜的沉积技术只是所有沉积技术的一个小部份而已,除了光学薄膜外,薄膜沉积技术还有不同的薄膜领域可以应用。例如: 电磁膜层,机械特性膜层,化学物质膜层....。尤其半导体产业大量的使用薄膜沉积技术来沉积各种不同特性不同种类的膜层,散怖在半导体长晶,晶粒成长,晶粒聚合,缝道填补,薄膜成长等等,各种不同的制程程序中。因为薄膜沉积的技术,范围太过广泛,这边只讨论光学薄膜的沉积方法。

在自然界中生成的薄膜,因为实在太薄,很难被人类直接撷取使用。人类如果希望使用薄膜的功效,通常都只能用人工的方法自行制造它。而且必须在应用的产品直接生成它,或者使用一个基板搭载薄膜,无法先做好单纯的薄膜,再安装到产品上面。

薄膜的生成方法,可以区分成两大方法: 液体成膜法(Liquid forming)和气体成膜法(vapor deposition)

液体成膜法(Liquid forming):

它的基本方法,是将基板沉入液体中,经由化学或者电化学反应,让薄膜生成(或附着)在基板上。

酸侵蚀法: 让基板沉入混合氯化氢或硝酸的酸性溶液中,它会在玻璃表面生成一层硅基酸的薄膜,将薄膜与基板烤干,就可以得到一个抗反射(anti reflection)膜层。 溶液沉积法: 我们可以将金属化合物中的金属离子设法析出。利用还原剂的作用,在基板表面将金属离子还原成金属膜层,这种方法广泛使用在化学镀银,镀铜,镀金,镀镍上面。

电镀法:将钯材做成阳极,将被镀基板做成阴极,浸在适当的电解液中,通过电流,使钯材膜层因氧化还原的化学作用,沉积在阴极的被镀基板上面。这个做法,被应用在大面积的镀镍,镀银反射镜。

Sol-Gel(溶胶-凝胶): 此法是将含有金属成分的有机溶液做成凝胶状,利用浸泡拉起法(Dip),或旋转涂布法(spin coating)将凝胶均匀的涂布在基板上。经过加热烘烤后,就可以得到透明的薄膜。例如Sio2,TiO2,Al2O3,ZrO2等种类的膜层。

Langmuir - Blodgett法: Langmuir - Blodgett法: Langmuir-Blodgett 成膜法是应用有机大分子材料,因为不会溶于水而悬浮水面的特性,于水面上形成单分子层的薄膜,再利用一端亲水一端疏水的特性,以垂直抽拉的方式,将单层分子的薄膜附着到固态的基板上。此法应用在一些发光组件,太阳能光组件等。 (参考 Wikipedia)

Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法): 将溶质泡在溶剂中,然后均匀加热,使其成为均匀溶液。然后在晶体基板上逐渐冷却,因降温关系,溶液会超过结晶饱和点时,溶质晶体会逐渐在基板上形成磊晶薄膜。这种方法常应用在半导体雷射,光电材料类的薄膜。

气体成膜法 (Vapor Deposition)

在气体成膜法中,依照薄膜生成的原理又可区分为物理气相沉积法PVD(Physical Vapor Deposition)和化学气相沉积法CVD (Chemical Vapor Deposition)两种。 物理气相沉积法利用物理性方式,例如加热或原子溅射(可以再加上电浆效果)钯材材料,来生成薄膜。化学气相沉积法则应用化学性方式(化学氧化还原,化合物生成)来生成薄膜。化学气相沉积法主要是生成有机材料或是氢化物的合成物薄膜,利用热解法来析出较低温的薄膜材料生成在玻璃基板上。这两种方法,又各自可细分为数种不同的技巧。

化学气相沉积法(CVD,chemical vapor deposition)

化学气相沉积法(CVD)应用化学原理生成高纯度的薄膜,通常基板会先放在易挥发的前置性溶液中,溶液中的溶质会和玻璃表面化学反应,生成所需要的薄膜。 CVD常应用在半导体产业,也部份应用在光学薄膜产业。

今日的化学气相沉积法发展出很多辅助性的方法,可以加速反应的速度,例如辅助以电浆,雷射,粒子加速器,同步辐射,电浆脉冲等。不仅可以产出高纯度的薄膜,也可以增强膜层的附着力。

MOCVD

因为亿达薄膜公司并不采用CVD 方式镀膜,因此不详细讨论,您可以经由网络及书籍,查询到更多的数据。

物理气相沉积法(PVD,Physical Vapor Deposition)

这个方法主要应用热升华或原子溅射的方法在基板上沉积薄膜,它主要有三个过程
I. 将钯材固态材料加热升华到气态。
II. 将气态的原子,分子,或离子加速通过一个高度真空的空间,到达附着的基板表面。
III.将钯材材料在欲镀面的表面沉积形成薄膜。

在物理气相沉积法(PVD)中,也同样发展出不同的应用技巧。常用的有下列这些方法:
A. 熱蒸鍍沉積
.....- 电阻式加热法
.....- 雷射蒸镀沉积法
.....- 弧光放电加热法(Arc) 沉积
.....- 电子枪加热沉积
.....- 射频加热(RF Heating)
.....- 分子磊晶长膜法(MBE,Molecular Beam Epitacy)

B. 电浆溅镀法Plasma Sputtering
....- 平面二极溅镀Planar Diode Sputtering Deposition (DC Sputtering Deposition)
....- 射频溅镀RF Sputtering Deposition
....- 双阴极溅镀Dual Cathodes Sputtering Deposition
....- 三极溅镀Triode Sputtering Deposition
....- 磁控溅镀Magnetron Sputtering Deposition

C. 离子束溅镀法Ion Beam Sputtering Deposition, IBSD.

更详细的物理气相沉积法将在以下的网页做介绍。