基本理論

2-1 光學薄膜

光學薄膜是指在光學元件上或獨立基板上鍍一層或多層之介電 質膜或金屬膜，或是介電質膜與非金屬膜組成之膜堆來改變光波傳遞 的特性。將薄膜材料以特定光波的 1/4 波長為監控的厚度，藉由物理 氣相沉積或化學反應方式鍍製於基板表面上，利用光波在相鄰膜層介 質面的光學特性，而達到使光波在某一選擇光域具有某特殊光譜性 能。

理想的薄膜在光學特性上各向同性、折射率均為一定值，且不隨 外界環境改變、有吸收或散射；機械特性上附著力強、硬度大、耐磨；

機械特性上附著力強、硬度大、耐磨、應力小﹔化學特性上穩定不會 變質。

2-2 光學薄膜鍍膜方法

光學鍍膜技術的方法大體上可分為利用液體及氣體成膜兩種發

法，前者大多涉及化學變化，後者有些是利用化學作用，有些則屬於 物理作用。本實驗主要是利用氣體成膜法中的物理相沉積法(PVD)來 鍍製光學薄膜。目前的光學薄膜製作大都是以 PVD 為主。

氣體鍍膜法鍍膜技術是膜的組成成分以氣態方式沉積在基板，可

分為化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，簡稱 CVD)及物理氣 相沉積法(Physical Vapor Deposition，簡稱 PVD)。隨著沉積技術及沉 積參數差異，所沉積薄膜的結構可能是『單晶』、『多晶』、或『非結 晶』的結構。PVD 與 CVD 的差別在於：PVD 的吸附與吸解是物理性 的吸附與吸解作用，而 CVD 的吸附與吸解則是化學性的吸附與吸解 反應。

2-2-1 物理氣相沉積(PVD)

物理氣相沉積(PVD)主要是一種物理製程而非化學製程。所

謂物理機制是物質的相變化現象，如蒸鍍(Evaporation)，在蒸鍍室內，

固態的沉積材料，稱為蒸鍍源(Source)，將被放置在一只由高溫材料 (Refractory)所製程的坩堝(Crucible)內，此坩堝通常是以鎢、鉬或鉭所 製程的，且這個由導電材料所組成的坩堝，將與外界的直流電源相 接。當適當的電流通往坩堝之後，藉著坩堝因電阻效應所產生的熱，

至於坩堝內的蒸鍍源將被加熱，一直到接近蒸鍍源的熔點附近。這 時，原本處於固態的蒸鍍源的蒸發能力將非常強，利用這些被蒸發出 來的蒸鍍源原子，我們可以在離蒸鍍源上方不遠處的材料表面上，進 行薄膜的沉積。其成膜可分成三步驟：

1. 膜材經由各種不同方法處理，由固體或液體變成氣態或離子態。

2. 薄膜的氣態原子、分子或離子由蒸鍍源穿過真空或是充滿其他氣 體的空腔抵達基板表面。

3. 薄膜材料抵達基板表面，沉積在基板上漸漸形成薄膜。

2-2-2 電子槍蒸鍍工作原理

光學薄膜的製造是以真空蒸鍍方式製作，大體可分為三種方式：

熱電阻式、電子槍式和濺射方式。最普通的方式為熱電阻式，是將蒸 鍍材料在真空蒸鍍機內置於電阻絲或電阻片上，在高真空的情況下，

加熱使材料成為蒸氣，直接鍍在基板上。由於有許多高熔點的材料，

不易使用此種方式使之熔化、蒸鍍，而以電子槍蒸鍍法﹙Electron Beam Gun Evaporation﹚改進此缺點；其方法是以高速電子撞擊在膜材料 上，並轉換成熱能，溫度可以高達數千度，而把膜材料蒸發成氣體，

以電磁場調整電子束打在膜材料的位置、掃描之振幅與頻率。但對於 昇華材料或稍溶解即會蒸發之材料，例如SiO、SiO2及某些氟化物、

硫化物等，對這類材料電子束之大小、掃描振幅與頻率都需加大，可 把此類材料事先壓製成塊，否則其蒸發速率及蒸發分佈不穩定，此對 於膜厚的均勻性影響很大[16]。另一方式為濺射方式，是以高壓使惰 性氣體離子化，打擊材料使之直接濺射至基板，以此方式所作薄膜的 附著力最佳。

2-2-3 離子源助鍍之原理

蒸發源或濺鍍源旁邊另外加一個獨立的離子源(ion source)。蒸發 源可為熱電阻蒸發源、電子槍蒸發源或其他方式蒸發源，濺鍍源可為 磁控濺鍍或離子束助鍍。由離子源發射離子轟擊正在沉積的膜面。

離子束離子助鍍(Ion-beam Assisted Deposition, IAD)具有四大優 點 [13-15] :

(1)利用了大質量、大動量的離子。

(2)產生之電子與離子中和，所以不會放電損傷。

(3)成膜在高真空進行，膜純度高。

(4)離子電壓、電流、轟擊角度及離子擴散角度可以獨立操作。

薄膜在沉積過程中若動能不足則膜質不密、空隙多，加熱烘烤或 離子束離子助鍍，可使膜質變密，因此折射率變大，以致等效光學厚 度變小，光譜會略往短波長方向移動。

離子束離子助鍍對膜質的改善包括四點：

(1) 薄膜光譜特性特別穩定

(2) 吸水性減少(波長在 2.96μm 光譜穿透率下降) (3) 折射率提高

(4) 粗糙度降低

離子源之能量(電壓及電流)也不能太大，太大會對成長膜做深入撞擊 或把離子氣體(如氬氣)陷入膜層中，以致膜折射率反而會下降，均勻 性也會變差。

對於各種改善膜質的製鍍方法，本實驗採用離子束離子助鍍 (Ion-beam Assisted Deposition, IAD)技術。本研究所要製備的硫化鋅薄 膜是以電子槍蒸鍍加離子源助鍍的方式鍍製在 BK7 基板上，實驗方 面所使用的真空鍍膜機之架構如圖 2-1 所示[16]。鍍 膜 加 工 流 程 圖 如 圖 2-2 所 示

圖2-1 電子槍蒸鍍加離子源助鍍

真空系統、電子槍蒸鍍系統、離子輔助系統及監控系統等四部份 1. 真空系統：本實驗架設之真空系統，採用機械幫浦配合魯氏幫浦

的輔助做粗抽，當真空度抽至 8 Pa 左右，轉換成冷凝幫浦(Polycold)

1.33× 10^-4 Pa。當真空度介於 1.33×10² ~1.33× 10^-1Pa 範圍內以熱導 式真空計監控真空度，在 1 ~ 1×10^-6Pa 範圍內則以Ion Gauge 真空 計監控之。

2. 電子槍蒸鍍系統：以電子槍﹙E-Gun﹚加熱技術汽化硫化鋅膜料，

本實驗所使用之電子槍的最大輸出功率為 10KW 以上，腔體有效 直徑為 1100mm，靶材至基板中心距離為 935mm，以石英燈管作 為加熱源，最高可達 550℃。

3. 離子源輔助系統

：

ST-2000 型)其工作電壓範圍為 40~300V，陽極電流範圍為 0.5~3A。

4. 監控系統採用石英振盪器監控薄膜厚度，量測厚度誤差±0.5%，解 析度 0.02Å /sec。

基板的準備

鍍膜材料選定

設定鍍膜機 製程參數 1. 基板材料選定

2. 表面粗糙度控制

1. 製鍍氣壓 2. 工作溫度

3. 離子束陽極電壓

4. 離子束陽極電流 將試片置於

鍍膜機內

抽真空

蒸鍍

破真空取出

鍍膜機清理

檢查

目視檢查 薄膜特性量測

裂邊 霉點 噴點 表面粗糙度量測 光譜量測

基板的選擇

5. 蒸發速率

2-3 薄膜應力

2-3-1 薄膜應力分析

基板沉積成膜以後，薄膜處於應變的狀態，若以薄膜應力造成基

板彎曲形變的方向來區分，可將應力分為張應力(Tensile Stress)與壓應 力(Compressive Stress)。 張應力是當膜施力外伸張基板向內壓縮使膜 表面下凹(Concave Film)，於張應力的作用下薄膜本身有收縮的趨 勢，如果膜層的張應力超過薄膜的彈性限度，則薄膜就會破裂、剝離 基板而翹起。壓應力則相反，使膜表面外凸(Convex Film)，於壓應力 的作用下薄膜有向表面擴張的趨勢，如果壓應力到極限時，則會使薄 膜向基板內側捲曲，導致膜層起水泡，數學上將張應力掛上正號、壓 應力掛上負號。造成薄膜總應力的主要來源有三，分為外應力(External Stress)、熱應力(Thermal Stress)、內應力(Intrinsic Stress)，其中外應力 是由外力作用施加於薄膜所引起的，熱應力是因為基板與膜的熱膨漲 係數相差太大而引起，此情形發生於製鍍薄膜時基板的溫度，冷卻至 室溫取出而產生。內應力則是薄膜本身與基板材料的特性，主要取決 於薄膜的微觀結構和分子沉積缺陷等因素，所以薄膜彼此間介面及薄 膜與基板邊界之互相作用就相當重要，這完全控制於製鍍的參數與技 術上。

我們定義內應力為薄膜內部任一截面上，於熱平衡、不受外力施 壓下，其單位截面的一側受到另一側施加的力稱為薄膜的內應力，一 般用σ表示，單位為Nt/mm²、dym/mm²或是GPa。

在內應力中又可分為熱應力及本徵應力，由於製鍍的過程中，薄

膜和基板都處於比較高的溫度，當製鍍完成時基板與薄膜回歸常溫，

但是因為基板與薄膜的熱膨漲係數不同，而在內部產生熱應力，此種 熱效應所產生的應力稱為熱應力，熱應力隨溫度差的不同而有不同，

其為可逆的應力，公式如下：

T E_{f f s}

T = (α −α )Δ

σ

其中σT為熱應力，Ef為薄膜材料的彈性模數，αf為薄膜的熱膨漲係數，

αs為基板的熱膨漲係數，ΔT為量測溫度與薄膜蒸鍍溫度之差。薄膜與 基板的熱膨漲係數閱接近、溫差越小、則熱應力也就越小。

另外一種應力為本徵應力(intrinsic stress)，於薄膜形成的過程中 由於薄膜成長的缺陷而引起的應力。若按內應力在薄膜出現的部位，

又可將本徵應力分為介面及薄膜成長應力，介面應力亦由於薄膜結構 與基板結構介面處不匹配所產生，薄膜與基板接觸介面先出現失錯配 位層，然後才是蒸鍍薄膜的結構層，另外薄膜生長應力是來源成長過 程中所形成的各種結構缺陷。

2-3-2 內應力成因

一般而言薄膜的缺陷比塊狀物體還多，在薄膜形成的初期，島狀

間相結合階段最容易產生缺陷及錯位，我們就以薄膜的點缺陷、錯 位、晶格邊界來討論與應力的關係。

1. 點缺陷

在薄膜形成中，因膜材料由固態變汽態的蒸發、快速的凝結，此 劇烈的變化使得膜分子無法找到一個最低能位，所以將產生許多缺 陷，薄膜中的缺陷最容易產生原子空位，若空位更大則稱為空洞 (Void)，造成薄膜體積與密度上的改變，因為堆積密度不高，折射率 降低。又因為薄膜中有點缺陷使得雜質原子或分子併入薄膜中，造成 薄膜生成應力。

2. 錯位

錯位是薄膜與薄膜間或薄膜與基板間邊界的不匹配所產生的，主 要原因如下：

(1) 取向不同的島膜結構合併時，邊界發生扭曲，在邊界處產生 錯位。

(2) 薄膜材料與基板晶格常數不匹配，引起介面畸變。

(3) 形成初期有空洞產生，薄膜內應力在孔洞邊緣產生，造成錯 位。

(4) 基板本身表面上的缺陷，於長膜時延伸至薄膜上。