金屬反射膜材料簡介

1、金屬反射膜材料簡介李秉璋 1, 王正和1 工業(yè)材料研究所 研究員 2 工業(yè)材料研究所 副研究員、前言When Godbegan creating the heavens and the earth, the earth was at first a shapeless, chaotic mass, with theSpirit of God brooding overthe darkvapors.Then God said “Let there be light.”. And l ight appeared. And God waspleased with it, and divided th

2、e light from the darkness.從舊約圣經(jīng)的記載 , “光”起源于混沌之初。由于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, 只讓特定頻譜范圍的光線 （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?！肮狻笔鞘裁矗抗饩哂胁▌?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(xiàn)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) o圖一簡單地把三者之間的關系，以三個互相垂直的向量來表

3、示？并且以電磁正弦振蕩(sinusoidaloscillation)的波長(wave length)來表示光的能量。圖二以對數(shù)指針列出各種不同波長(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。隨著半導體科技的突飛猛進 , 光電工業(yè)開發(fā)了大量的消費產(chǎn)品 , 進入了我們每一個人的生活。表一把光電產(chǎn)品依據(jù)照明、電子裝置及雷射等分類 ，分別介紹各 種光電技術及組件。各種光電組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(tǒng)光學組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

4、出不同的半反射鏡、光線分割棱鏡與中性光密濾光片等光學組件。圖一光波可視為電場及磁場交互振蕩而成圖二各種不同波長（頻率）的電磁波表一二、材料為甚么透明？為甚么反射？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 （Lore ntz model）來表示電子與原子核之間 的振蕩。當光波（電磁波）進入時,由于光波 的電場（E）對電子產(chǎn)生交互作用，造成電子 位移，而使固體產(chǎn)生極化（polarization）,光 波的能量被電子振蕩吸收一部份而造成光 速與波長改變，稱為光的色散現(xiàn)象。圖三Lorentz模型，中間白色球為原子核，其它小黑

5、球為電子，不同粗細的彈簧代表固體的異方向性在此非導體介質中的光速可以用下列的公式來表示V=C/nV:光在介質中的速度C: 光在真空中的速度n:介質的折射系數(shù)(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e2k'x遞減，其中k'為吸收系數(shù)(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 )并沒有被原子核束縛 , 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(chǎn)生與光相同頻率的振蕩 , 此振蕩 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

6、電子的振 蕩隨著深度的增加而減小，使電子振蕩的振幅(amplitude)減小到原來1/e時(e 為自然對數(shù))的深度稱為穿透深度(skin depth, S ),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系如下 :S =7 (入 / n)入:真空中光的波長速c : 光速卩；導磁系數(shù)c :靜導電系數(shù)(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 , 這就是為什么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 , 金屬的導電系數(shù)愈

7、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。圖四光照射到導體而使自由電子振蕩，此振蕩隨著深度的增加而減小光學組件的反射主要可以分類成前反射式(fron t-surfaced reflectio n)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

8、氧化。背反射式只需考慮將透明介質的表面研磨、拋光后，再鍍上一層足夠厚度的反射膜即可，對于 鍍膜的表面品質要求比較不嚴格。光線光線背反射前反射遴明介質圖五前反射與背反射、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 通常用于背反射膜，當用于前反射膜時，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(xiàn)不錯，但是當波長小于500nm時，金、銅的反

9、射率卻遠低于鋁、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%乍呂 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(evaporati on)2. 濺鍍(sputteri ng)3. 離子披覆(ion plating)蒸鍍是在真空中將金屬加熱蒸發(fā)產(chǎn)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

10、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。一般金屬鍍膜大都采用直流濺鍍，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硅與 鈦。離子披覆與濺鍍類似，但是將

11、基板與周圍保持0.52KV的負電壓，使基板的前端產(chǎn)生暗區(qū)(darkspace),在此狀態(tài)下由蒸發(fā)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(qū)加速后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兒糸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?yōu)R鍍離子披覆粒子能量eV0.1-11-10>

12、100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?。褐?大鍍膜速率 mm/min.0.1-75 '0.01-0.5 0.1-50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(shù)的關系。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

13、射率，如圖八所示，離子披覆的鋁膜由于 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%而濺鍍薄膜由于表面形成凸起（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(fā)生的缺陷。圖九為純 鋁濺鍍薄膜表面hillock的電子顯微鏡（seanning electron microscope, SE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分布情形，可以使用原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFh來觀察薄膜表面。圖十為可重復

14、讀寫光盤(re-writable compact disc, CD-RW中的Al-Ti反射膜的hillock分布情形。Hillock的形成主要與薄膜沉積時的熱應力/應變 (thermal stress/strai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 系,由圖中可看到，當鍍膜速率低于3 A/s以下及基板溫度低于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

15、鍍膜參數(shù)的關系。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系。由于鍍膜原子到達基板后必需經(jīng)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(shù)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hillock1BM/F riw圖十濺鍍Al-Ti反射膜的表面情形圖十一蒸鍍純鋁膜時，基板溫度、鍍膜速率與hillock密度的關系1.&12£-4644,0151000-T丨你圖十二為蒸鍍純鋁膜時，基板溫