1-1 前言
光學工業有一項科技是發展高級光學儀器所不可缺的，就是光學
薄膜的蒸鍍技術。光學薄膜，就是在鏡片上鍍上一層或是多層非常薄 的特殊材料，使鏡片能達到某種特定的光學效果。我們常見的太陽眼 鏡，抗反射鏡片就是一個光學薄膜在日常生活上最簡單的應用。在薄 膜鍍製工業裏，薄膜應力是製程考慮的重要因素，當應力過大時薄膜 極易產生剝離、破裂、起皺，對於光學元件將造成中心波位飄移、引 入雜散光形成鬼影、降低光學系統品質、導致光通訊系統等，將明顯 降低光學系統良率、穩定度與可靠度。
在研磨薄膜用的基板的時候可能會因為機械因素而產生應力，光 學薄膜也是如此。造成形變、缺陷及孔隙，對薄膜元件的良率、穩定 性和可靠性產生了很大的影響，因此如何製鍍一個高性能、高品質、
低應力的薄膜便是個很重要的課題。
硫化鋅薄膜可用於光電源件中的半導體薄膜、平面顯示器之電激 發光元件、太陽能電池面板、壓電裝製材料和紅外線光學儀器。本研 究將針對ZnS薄膜的光學特性與應力以離子源助鍍法蒸鍍法做更進一 步的探討。
1-2 文獻回顧
較低的沉積速度會增加硫化鋅薄膜和氧原子的合併，導致較低的 堆積密度，硫化鋅薄膜中，較小的氧原子取代較大的硫原子，會產生 張應力。
文獻資料顯示缺乏柱狀結構晶體會減少散射損耗，在基板溫度 T ≒-50℃時波導損耗最小。如圖一在更高的沉積溫度，會加強薄膜的 晶體結構，而導致高散射高損耗。當基板溫度低於-50℃會導致針孔結 構和張應力崩壞[1]。
由顯微鏡觀察膜的微結構，薄膜由近似圓柱的狀結構所組成，圓 柱間具有空隙。當薄膜暴露在潮濕的環境，水份會經由毛細作用填充 空隙，導致薄膜整體的光學特性會改變，例如，折射率（n）、消光係 數（k）和膜厚（d）等光學特性。使用離子源助鍍法蒸鍍會增加膜堆 密度，進而減少薄膜對濕氣的吸收以及增加其穩定性[2]。
在離子源助鍍下，基板不用加熱膜質就可以長得很密很硬，因此 對於塑膠基板，離子助鍍使大部分的膜層設計變得容易實現，而對於 大體積之基板，因不用加熱可以減少等加熱及退熱的時間，增加生產 效率[3]。
在 ZnS 薄膜光學特性的研究方面，在一些文獻資料指出，真空蒸 鍍沉積法所鍍成的 ZnS 薄膜其折射率具有非均勻性，在不同條件下所
備製的 ZnS 薄膜結晶尺寸和氣孔含量的變化，將反映出折射率和光學 厚度的不規則性關係[4]。由文獻中[5-8]發現了一個結論，折射率的非 均勻性是由於薄膜的多孔結構造成的。對於蒸發沉積的 ZnS 薄膜來 說，基板溫度是減小薄膜孔隙的主要製程參數[9]。在機械性質方面，
對於 ZnS 薄膜的應力亦是值得研究的課題。一些研究顯示薄膜內應力 與基板溫度、凝結速率、入射角、真空室內殘餘氣體成分和壓力等製 程參數有著密切關係[10-11]。此外，沉積速率對 ZnS 膜的內應力也有 很大的影響[12]，低沉積速率會增加硫化鋅薄膜和氧原子的合併，會 導致較低的堆積密度和張應力，在硫化鋅晶格中用較小的氧原子取代 較大的硫原子，也會產生張應力。硫化鋅一般情形下說是表現張應 力，但其他一般物質是表現壓縮應力。
因ZnS 薄膜的性質強烈地取決於於薄膜沉積方式和製備條件，這 是本研究的重點。用電子束加熱蒸發沉積的ZnS 薄膜與用舟加熱蒸鍍 製備的 ZnS 薄膜具有某些不同的性質[13]。
基板溫度對於許多種類的薄膜具有很重要的影響力。環境沉積溫 度導致綢密的薄膜和一些氣體結合。然而減低沉積溫度將導致薄膜中 的含氧量和 S/Zn 率增加，將導致反射率減小。 X 光繞射分析（XRD）
和Scherrer 方程式常被用來檢測基板溫度對於晶體大小的影響。
1-3 研究動機
由於干涉儀量測技術其精密度高，且具有快速、準確等優點，幾
乎在所有的光電產業中皆廣泛的擁有商用之干涉儀，所以本研究以 Twyman-Green干涉儀作為薄膜應力量測的應用。
而光學薄膜一般皆以PVD製程鍍製，其中電子槍﹙E-Gun﹚蒸鍍 法之優點為污染少，膜品質較高，可蒸鍍高熔點之膜材。並且，輔以 離子源助鍍﹙IAD﹚可以更加提升光學薄膜的品質。
所以藉由電子槍﹙E-Gun﹚蒸鍍輔以離子源助鍍﹙IAD﹚的過程 中，製備硫化鋅﹙ZnS﹚薄膜，並探討其殘留應力的影響以及光學特 性是本報告的研究目標。
硫化鋅﹙ZnS﹚的物性為，分子量 97.44，密度 4.09，熔點 1830 ℃。
可以用鎢、鉭和鉬舟加熱蒸發，也可用石英坩堝加熱蒸發，但是用電 子束加熱蒸發效果較佳。ZnS 薄膜的光學特性為，透明區在
0.38~14μm，在可見光波段的折射率為 2.3~2.6，在紅外線的折射率為 2.2
(λ=2μm)。ZnS薄膜沉積於室溫的基底上時，其附著性往往很差。若基 板溫度為 150~200℃時，沉積後的膜在 250~300℃下烘烤 4~8 小時，
則薄膜附著性將會明顯的改善。ZnS是用於可見光波段和紅外線波段 的一種薄膜材料。在可見光區，常與低折射率的氟化物組合﹙如
MgF2﹚。在紅外光區，可與高折射率的半導體材料組合，以製備可見 光區和紅外光區的各種濾光片(optical filter﹚。ZnS膜不只在可見光和 紅外光區有用，在真空中的紫外光區具有高的反射率[14-15]，因此，
硫化鋅在真空中的紫外光區也是很有用的鍍膜材料。為此，本研究係 針對ZnS光學薄膜的備製及其特性進行研究。
希望藉著這次研究以離子源助鍍方式蒸鍍ZnS 薄膜，對其光學性 質及其應力特性，有更進一步的瞭解。最後，再與其他文獻資料作分 析比較，俾利奠定鍍多層膜的基礎。