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薄膜人生

薄膜光学,魅力人生

 
 
 

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光學薄膜介紹  

2010-05-18 09:04:47|  分类: 镀膜技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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。

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。 (參考 Wikipedia)

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

因為億達薄膜公司並不採用CVD 方式鍍膜,因此不詳細討論,您可以經由網路及書籍,查詢到更多的資料。

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.

 

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