金属反射膜材料简介.docx

《金属反射膜材料简介.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属反射膜材料简介.docx（10页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、金属反射膜材料简介李秉璋 1, 王正和 21 工业材料争辩所 争辩员 2 工业材料争辩所 副争辩员一、前言When God began creating the heavens and the earth, the earth was at first a shapeless, chaotic mass, with the Spirit of God brooding over the dark vapors.Then God said “Let there be light.”. And light appeared. And God was pleased with it, and div

2、ided the light from the darkness.从旧约的记载, “光”起源于混沌之初。由于大气中的水分子把太空中的 X 光(短波长)与微波(长波长)吸取, 只让特定频谱范围的光线(太阳光)照耀到地球外表, 因此孕育了地球上亿万个依靠太阳能量的物种。“光”是什么? 光具有波动(电磁波)及粒子(俗称光子,photon)两种特性, 例如短波长的 X-光会被电子散射的现象,必需以粒子理论来解释。当把光当成电磁波的时候, 可以用三个物理量来描述它的性质, 这三个物理量分别是波向量(k)、电场(E)及磁场(B)。图一简洁地把三者之间的关系, 以三个相互垂直的向量来表示并且以电磁正弦振荡(

3、sinusoidal oscillation)的波长(wave length)来表示光的能量。图二以对数指针列出各种不同波长(或频率)的电磁波, 其中波长在4x10-5 到 8x10-5 公分(400800 nm)之间的电磁波称为可见光。随着半导体科技的突飞猛进, 光电工业开发了大量的消费产品, 进入了我们每一个人的生活。表一把光电产品依据照明、电子装置及雷射等分类,分别介绍各种光电技术及组件。各种光电组件除了充份运用各种半导体材料的光特性之外, 金属反射膜也扮演相当重要的地位。另外, 金属膜在传统光学组件中也是不行或缺的角色。利用金属的反射、半反射、分光、滤光等特性, 设计出不同的半反射镜、

4、光线分割棱镜与中性光密滤光片等光学组件。图一光波可视为电场及磁场交互振荡而成图二各种不同波长(频率)的电磁波表一二、材料为甚么透亮? 为甚么反射?自然界全部的固体皆由原子排列而成, 而原子由电子与原子核所组成。非导电材料的电子由于受原子核的束缚, 可以用弹簧模型(Lorentz model) 来表示电子与原子核之间的振荡。当光波(电磁波)进入时,由于光波的电场(E)对电子产生交互作用, 造成电子位移,而使固体产生极化(polarization), 光波的能量被电子振荡吸取一部份而造成光速与波长转变, 称为光的色散现象。图三 Lorentz 模型,中间白色球为原子核,其它小黑球为电子,不同粗细的

5、弹簧代表固体的异方向性在此非导体介质中的光速可以用以下的公式来表示V=C/nV:光在介质中的速度C: 光在真空中的速度n:介质的折射系数(refractive index)光在介质中除了光速转变之外, 其电场的振幅也会随穿透距离而依 e-2kx 递减,其中 k为吸取系数(coefficient of absorp而tixon为),穿透距离。导体材料中的外壳层电子(自由电子)并没有被原子核束缚, 当被光波照耀时, 光波的电场使自由电子吸取了光的能量, 而产生与光一样频率的振荡, 此振荡又放出与原来光线一样频率的光, 称为光的反射。如图四 所示, 这种电子的振荡随着深度的增加而减小, 使电子振荡的

6、振幅(amplitude)减小到原来 1/e 时(e 为自然对数)的深度称为穿透深度(skin depth, ) , 此穿透深度打算了材料是透亮还是反射, 通常大部份金属的穿透深度只有几十或百奈米(nanometer,nm) 。穿透深度与材料的根本性质的关系如下: =( / c ) : 真空中光的波长速c :光速 ;导磁系数 :静导电系数(static conductivity)由上述公式可以了解,光线的波长愈长愈简洁穿透金属, 这就是为什么波长较长的红外线比短波长的紫外光更简洁穿透金属。另外值的留意的是, 金属的导电系数愈高, 穿透深度愈浅, 反射率(reflectiv愈it高y)。因此金属

7、反射膜材料大都使用高导电度的金(Gold, Au、)银(Silver, A、g铝) (Aluminum, Al与) 铜(Copper, Cu等)材料。图四光照耀到导体而使自由电子振荡,此振荡随着深度的增加而减小 光学组件的反射主要可以分类成前反射式(front-surfaced reflection)及背反射式(back-surfaced reflection)两种, 如图五所示, 光线直接照耀在反射膜上的方式称为前反射, 光线穿过透亮介质再照到反射膜的方式称为背反射。前反射式效果最正确, 但是必需考虑反射膜的外表品质而且简洁被刮伤及简洁氧化。背反射式只需考虑将透亮介质的外表研磨、拋光后, 再

8、镀上一层足够厚度的反射膜即可, 对于镀膜的外表品质要求比较不严格。图五 前反射与背反射三、金属反射膜镀膜方式与性质银在可见光和近红外光部份为最正确的反射膜材料, 如表二所示, 银膜在波长800 nm 时的反射率可以到达 99.2%。铝在近紫外光、可见光、近红外光都有良好的反射率, 是镀光学反射镜最常使用的材料, 但是铝膜材质较软而且简洁氧化,通常用于背反射膜, 当用于前反射膜时, 其外表必需镀上保护膜, 也可以镀上金属或非金属膜来提高在特定波长的反射率。 金与铜在 650800nm 的反射率表现不错, 但是当波长小于 500nm 时, 金、铜的反射率却远低于铝、银。金属种类800nm反射率 %

9、650nm反射率 %500nm反射率 %铝 Aluminum86.790.591.8银 Silver99.298.897.9金 Gold98.095.547.7铜 Copper98.196.660.0表二 几种金属反射膜在不同波长的反射率金属反射膜的镀膜方式可以分类为三种:1. 蒸镀(evaporation)2. 溅镀(sputtering)3. 离子披覆(ion plating)蒸镀是在真空中将金属加热蒸发产生金属蒸气, 使其附着在基板上分散成薄膜。蒸镀的基板材质没有限制, 从纸、金属到陶磁都能使用。图六为简洁的加热式蒸镀, 另外还有电子枪加热式及离子关心式蒸镀。溅镀的原理如图七所示, 主要

10、利用辉光放电(glow dischar将ge氩) 气(Ar)离子撞击靶材(targe表t)面, 靶材的原子被弹出而积存在基板外表形成薄膜。溅镀薄膜的性质、均匀度都比蒸镀薄膜来的好, 但是镀膜速度却比蒸镀慢很多。型的溅镀设备几乎都使用强力磁铁将电子成螺旋状运动以加速靶材四周的氩气离子化, 造成靶与氩气离子间的撞击机率增加,提高溅镀速率。一般金属镀膜大都承受直流溅镀,而不导电的陶磁材料则使用 RF沟通溅镀。 表三列出几种常用的金属反射层材料的溅射率及平均镀膜速度, 由表中可已看到银的镀膜速度最快, 约为铝的三倍, 另外镀膜速度最慢的是硅与钛。离子披覆与溅镀类似, 但是将基板与四周保持 0.52KV

11、 的负电压, 使基板的前端产生暗区(darkspace)在, 此状态下由蒸发源放出的金属蒸气在辉光放电的电浆(plasma中) 形成离子, 再被暗区加速后打到基板形成披覆。图六电阻式加热蒸镀图七溅镀原理,靶材原子被 Ar+打出靶材外表而沉积到基板表三 几种常用的金属反射层材料的溅射率及平均镀膜速度元素溅射率平均镀膜速度nm/minAg3.42650Al1.2760Au2.82200Cr1.21000Cu2.31800Nb0.65500Pd2.41870Rh1.51170Si0.5400Ti0.6470表四 几种镀膜方式与薄膜性质比较蒸镀溅镀离子披覆粒子能量 eV0.1-11-10100镀膜理论

12、密度95%98%98%晶粒大小大小格外小非晶质膜的附着力小中大镀膜速率 mm/min.0.1-750.01-0.50.1-50表四将以上三种镀膜方式与薄膜性质作一个比较, 蒸镀薄膜的密度最差, 只能达到理论密度的 95%, 镀膜的附着力也最差, 但是蒸镀的镀膜速率最快。离子披覆不只密度最高、晶粒最小, 镀膜与基板的附着力也是三种镀膜中最大的, 可是离子披覆最大的缺点是基板必需是导电材料,而且镀膜时, 基板的温度会上升到摄式几百度, 上述的缺点使离子披覆的应用受到很大的限制。接下来争辩几种镀膜性质与镀膜方式、镀膜参数的关系。首先来看几种镀膜方式镀出来的纯铝薄膜在不同波长时的反射率, 如图八所示,

13、 离子披覆的铝膜由于电极的污染, 纯铝薄膜中混入杂质元素(Cu), 因此反射率普遍比蒸镀薄膜低5%。而溅镀薄膜由于外表形成凸起(hillock)造,成粗糙度增加,因而使反射率偏低,由其在短波长段特别明显。Hillock为沉积薄膜时最简洁发生的缺陷。图九为纯铝溅镀薄膜外表 hillock的电子显微镜(scanning electron microscope照, 片SE,M可)以看到圆形的 hilloc与k 薄膜基地有明显界面。为了更进一步了解整个薄膜外表的 hilloc分k 布情形, 可以使用原子力显微镜(atomic force microscope,来A观FM察)薄膜外表。 图十为可重复读写

14、光盘(re-writable compact disc, CD中-R的W)Al-Ti 反射膜的 hillock分布情形。Hillock的形成主要与薄膜沉积时的热应力/应变 (thermal stress/s有tr关ai,n)另外靶材的成份及真空中残留的氧或水分子也会影响hilloc的k 形成。在实际镀膜时, 将基板的温度提高及增加镀膜速率, 可以削减hilloc的k形成。图十一为蒸镀纯铝膜时, 基板温度、镀膜速率与hilloc密k度的关系, 由图中可看到,当镀膜速率低于 3 A/s以下及基板温度低于 350 K 以下时,hillock的密度可以高到每平方公分有 20 个。再来看看晶粒大小(gr

15、ain si与ze镀) 膜参数的关系。图十二为蒸镀纯铝膜时, 基板温度、镀膜速率与晶粒大小的关系。由于镀膜原子到达基板后必需经过成核(nucleatio与n)成长(growth来) 形成薄膜, 因此当基板温度上升, 晶粒成长速度增加,因此薄膜的晶粒较大。另外还有晶粒的方向性(orientati也on与) 镀膜参数有关, 在这篇文章中不作争辩。图八 几种镀膜方式镀出来的纯铝薄膜在不同波长时的反射率图九纯铝溅镀薄膜外表的 hillock图十溅镀 Al-Ti反射膜的外表情形图十一 蒸镀纯铝膜时, 基板温度、镀膜速率与 hilloc密k 度的关系图十二为蒸镀纯铝膜时, 基板温度、镀膜速率与晶粒大小的关系结语各种金属的光学性质差异很大 , 从最低折射率的银 (n=0.2)到最高折射率的钨(n=3.46),各有其特别的性质及应用。由于真空镀膜技术的进步, 使的各种特别的光学镀膜可以被开发出来。又随着半导体科技的进展, 人类对于材料的需求, 也愈来愈严苛, 金属材料对于光学的奉献, 也随着材料科技的进展, 而更加重要。当大部份的科学家始终要把半导体越作越小时 , 我们为什么不想一想在微观的世界里, 金属能扮演什么角色呢?