光學薄膜介紹
薄膜在自然界非常常見。例如氣泡表面薄膜,油滴表面,都會形成所謂的光學薄膜效果,將光線的色 彩分開來。在一些生物的物種,也會有特殊的薄膜結構生成。例 如某些夜行性動物眼睛內的脈絡 膜毯(tapetum lucidum,例如狗,鯊魚,貓)蜜蜂蜻蜓的翅膀,都是一層很薄的薄膜形成的。
光學薄膜主要有兩個研究領域,薄膜光學及薄膜沉積(或鍍膜)技術。
薄膜光學(Thin-film optics)
薄膜光學就是光在不同 材質間穿透(入射)時產生的干涉現象的研究。 當光線穿透薄膜時,它會有 很多種特性的改變。例如穿透率,反射率,吸收性,散射,極化,相位等的改變。它的基礎理論可以用 物理電磁波學說的干涉現象來解 釋。透過馬克士威爾方程式(Maxwell equation), 可以解釋光穿透 不同材質時,因折射率變化產生的各種現象。由於電磁波理論已經可以完整解釋薄膜光學的基礎 理論,因此目前的學術研究,都放在如何應用薄膜光 學上。
設計及製造薄膜改變入 射光的性質,是目前這個學科的重點。在薄膜結構設計理論上,有兩種常見 的設計方法,導納設計法(Novel Monitoring Method)與向量法(Vector Method)。在沒有電腦的年代,因 為導納法可以經由作圖及紙筆計算的方式完成設計,所以在 1970 年之前,這是一般設計者廣泛使 用的方式。向量法因為 需要大規模的計算,在電腦未發明之前,很難應用在實際設計的階段。電腦 普遍使用,且計算功能大幅提升後,向量法因為能夠提供比較準確的計算結果,所以設計 者大多採
薄膜光學是物理光學的一個分支,主要研究不同材質的薄膜結構,對光線的影響。人類所 能看見的薄膜光學,主要是薄膜膜層的厚度達到某一特定厚度後,能對可見光 波段的光 強度,做不同程度的干涉增強或減弱產生的。這個干涉現象,主要是光線通過不同折射率 的材質(空氣,薄膜,玻璃基板)時所產生的。
用以向量法為基礎撰寫的電腦程式。
二次大戰後,隨著科技突飛猛進,薄膜光學應用在非常多的光電子產品中。例如干涉儀,相機,天文望 遠鏡,顯微鏡,光學引擎,顯示器,投影機,光通訊,人造衛星,飛彈,裝飾....等等。薄膜光學因此變成光學 學科的一個重要分支,您可以找到很多的教科書,來瞭解相關的知識。
光學薄膜沉積技術(光學鍍膜)
光學薄膜的沉積技術只 是所有沉積技術的一個小部份而已,除了光學薄膜外,薄膜沉積技術還有 不同的薄膜領域可以應用。例如: 電磁膜層,機械特性膜層,化學物質膜層....。尤其半導體產業大量 的使用薄膜沉積技術來沉積各種不同特性不同種類的膜層,散怖在半導體長晶,晶粒成長, 晶粒聚 合,縫道填補,薄膜成長等等,各種不同的製程程序中。因為薄膜沉積的技術,範圍太過廣泛,這邊只討 論光學薄膜的沉積方法。
在自然界中生成的薄膜,因為實在太薄,很難被人類直接擷取使用。人類如果希望使用薄膜的功效, 通常都只能用人工的方法自行製造它。而且必須在應用的產品直接生成它,或者使用一個基板搭 載薄膜,無法先做好單純的薄膜,再安裝到產品上面。
薄膜的生成方法,可以區分成兩大方法: 液體成膜法(Liquid forming)和氣體成膜法(vapor deposition)
液體成膜法(Liquid forming):
它的基本方法,是將基板沉入液體中,經由化學或者電化學反應,讓薄膜生成(或附著)在基板上。
酸侵蝕法: 讓基板沉入混合氯化氫或硝酸的酸性溶液中,它會在玻璃表面生成一層 矽基酸的薄膜,將薄膜與基板烤乾,就可以得到一個抗反射(anti reflection)膜層。
溶液沉積法: 我們可以將金屬化合物中的金屬離子設法析出。利用還原劑的作用, 在基板表面將金屬離子還原成金屬膜層,這種方法廣泛使用在化學鍍銀,鍍銅,鍍金, 鍍鎳上面。
電鍍法:將鈀材做成陽極,將被鍍基板做成陰極,浸在適當的電解液中,通過電流,使鈀材膜層因氧化 還原的化學作用,沉積在陰極的被鍍基板上面。這個做法,被應用在大面積的鍍鎳,鍍銀反射鏡。
Sol-Gel(溶膠-凝膠): 此法是將含有金屬成分的有機溶液做成凝膠狀,利用浸泡拉起法(Dip),或旋轉 塗佈法(spin coating)將凝膠均勻的塗佈在基板上。經過加熱烘烤後,就可以得到透明的薄膜。例如 Sio2,TiO2,Al2O3,ZrO2 等種類的膜層。
Langmuir - Blodgett 法: Langmuir-Blodgett 成膜法是應用有機大分子材料,因為不會溶於水而懸浮水 面的特性,於水面上形成單分子層的薄膜,再利用一端親水一端疏水的特性,以垂直抽拉的方式,將 單層分 子的薄膜附著到固態的基板上。此法應用在一些發光元件,太陽能光元件等。
Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法): 將溶質泡在溶劑中,然後均勻加熱,使其成為均勻溶液。然後在 晶體基板上逐漸冷卻,因降溫關係,溶液會超過結晶飽和點時,溶質晶體會逐漸在基板上形成磊晶 薄膜。這種方法常應用在半導體雷射,光電材料類的薄膜。
氣體成膜法 (Vapor Deposition)
在 氣體成膜法中,依照薄膜生成的原理又可區分為物理氣相沉積法 PVD(Physical Vapor Deposition) 和化學氣相沉積法 CVD (Chemical Vapor Deposition)兩種。 物理氣相沉積法利用物理性方式,例如 加熱或原子濺射(可以再加上電漿效果)鈀材材料,來生成薄膜。化學氣相沉積法則應用化學性方式 (化學氧化還原,化合物 生成)來生成薄膜。化學氣相沉積法主要是生成有機材料或是氫化物的合 成物薄膜,利用熱解法來析出較低溫的薄膜材料生成在玻璃基板上。這兩種方法,又各自可 細分為 數種不同的技巧。
化學氣相沉積法(CVD,chemical vapor deposition)
化學氣相沉積法(CVD)應用化學原理生成高純度的薄膜,通常基板會先放在易揮發的前置性溶液 中,溶液中的溶質會和玻璃表面化學反應,生成所需要的薄膜。 CVD 常應用在半導體產業,也部份 應用在光學薄膜產業。
今日的化學氣相沉積法發展出很多輔助性的方法,可以加速反應的速度,例如輔助以電漿,雷射,粒 子加速器,同步輻射,電漿脈衝等。不僅可以產出高純度的薄膜,也可以增強膜層的附著力。
MOCVD
物理氣相沉積法(PVD,Physical Vapor Deposition)
這個方法主要應用熱昇華或原子濺射的方法在基板上沉積薄膜,它主要有三個過程 I. 將鈀材固態材料加熱昇華到氣態。
II. 將氣態的原子,分子,或離子加速通過一個高度真空的空間,到達附著的基板表面。
III.將鈀材材料在欲鍍面的表面沉積形成薄膜。
在物理氣相沉積法(PVD)中,也同樣發展出不同的應用技巧。常用的有下列這些方法:
A. 熱蒸鍍沉積 ...- 電阻式加熱法 ...- 雷射蒸鍍沉積法
...- 弧光放電加熱法(Arc) 沉積 ...- 電子槍加熱沉積
...- 射頻加熱(RF Heating)
...- 分子磊晶長膜法(MBE,Molecular Beam Epitacy)
B. 電漿濺鍍法 Plasma Sputtering
....- 平面二極濺鍍 Planar Diode Sputtering Deposition (DC Sputtering Deposition) ....- 射頻濺鍍 RF Sputtering Deposition
....- 雙陰極濺鍍 Dual Cathodes Sputtering Deposition ....- 三極濺鍍 Triode Sputtering Deposition
....- 磁控濺鍍 Magnetron Sputtering Deposition
C. 離子束濺鍍法 Ion Beam Sputtering Deposition, IBSD.
如何改變透明無色的玻璃，以達到要求的光譜或顏色，還能維持甚至提高穿透率， 而且需不褪 色、不剝落，作法就是在玻璃上鍍上一層薄膜。
單層薄膜厚度一般在數十至數千埃（埃=10-7mm），由於要將一般塊狀材料，製作成如此薄的型 態，必須使用特殊的方法。 目前光學薄膜製作以物理蒸鍍法為主，其方法為：將薄膜材料由固 態轉化為氣態或離子態。氣態或離子態之材料，由蒸發源穿越空間，抵達玻璃表面。材料抵達 玻璃表面後，將沉積而逐漸形成薄膜。
由於為求製得之薄膜，能擁有高純度，因此鍍膜製程是在高真空環境下完成。
光學鍍膜的實際作業流程簡化如下：基材以超音波洗淨機洗淨，洗淨後排上夾具，送入鍍膜機，
開始加熱及抽真空。達到高真空後，開始鍍膜。
光學鍍膜的實際作業流程簡化如下：基材以超音波洗淨機洗淨，洗淨後排上夾具，送入鍍膜機，
開始加熱及抽真空。達到高真空後，開始鍍膜。
鍍膜製程進行時，以電子槍或電阻式加熱，將鍍膜材料變成離子態，由於鍍膜機內為高真空狀 態，離子態的鍍膜藥材可順利抵達基材。一般多層膜會以高折射材料及低折射材料搭配， 常見 的高折射材料如氧化鈦系(TiO2, Ti3O5)或氧化鉭(Ta2O5)，低折射材料如氧化矽系(SiO2)或氟化鎂 (MgF2) ，有時還會搭配中折射材料如氧化鋁(Al2O3)或氧化鋯(ZrO2)。
鍍膜時間則視層數及程式不同而有長短，數十分鐘至幾小時不等。鍍膜完畢後，待溫度冷卻後 取出。而鍍膜後的玻璃，由於具有干涉光線及過濾某些波長的功用，統稱為光學干涉濾光片。
依照濾光片的各項特性，可再細分為抗反射(AR Coating)或增透膜、紅外截止(IR Cut)或熱鏡(Hot Mirror)、紅外穿透(IR Pass)或冷鏡(Cold Mirror)、紫外截止(UV Cut)、 窄波(Band Pass)或窄帶濾光 片、長波通(Long Pass)、短波通(Short Pass)濾光片等等。
AR 抗反射多層膜
由 NASA 航太科技研發出來的光束干 擾系統，在鏡片光學元件面鍍上多層 光學薄膜造成光束干擾介面，使經由 各介面反射回來光束與光波間產生破 壞性干擾，去除有害反射光。
AR 膜 可 降 低 鏡 片 反 射 現 象，減 少 光 穿 過 鏡 片 時 的 損 耗，光 穿 透 率 可 達 98%以 上 可 製 作 在 各 式 光 學 玻 璃 、 PC 或 PMMA 等 材 質 上 .
抗反射膜 (Anti- reflection Coatings, ARCs) 之作法與原理
(A) 利用材料表面起伏等表面結構及形狀引起之反射率變化與波長相關特性 此原理為使材料表面粗糙化，使反射光漫射模糊，而不會直接反射刺激眼睛，
製作方法主要是利用酸蝕和研磨等方法，只要使表面光滑程度降低即可，製程簡 單成本低廉，但很明顯的，雖然反射光被霧化了，但影像清晰度並沒有提高，反 而還因表面的不平整而降低了，此法為較老舊的抗反射膜製程的方法，實在不 符合我們現在的需要。
(B) 利用半導體層中之能帶間躍遷吸收 (1) 利用半導體中干涉，實例有 Si/Mo , PbS/Al
(2) 在半導體上製備抗反射膜，實例有 SiO/Ge/Al , SiNx/Si/Ag/Cr2O3/SuS (3) 通過半導體的表面結構，實例有 Black Si , Black Ge
但這些抗反射效果通常並非針對可見光區，而是著眼於一些人眼不能視之特 殊波長光線，通常是作為濾光鏡等特殊設備使用。
(C) 利用光學薄膜中的薄膜干涉現象，達成抗反射效果
此法為在基材上鍍上單層或多層的透明金屬或氧化物薄膜，由於光線通過不 同介質會產生不同的現象，當不同薄膜層之反射光互相產生破壞性干涉時，反射 光就會被抵銷，如此就可達成抗反射的效果
