複合薄膜製程及多層膜特性分析技術

作者:

林士欽、賴識翔、梁沐旺、王慶鈞、唐謙仁、田春林

刊登日期:2020/05/28

摘要

傳統的光學濾光片使用高低折射率膜堆設計,需要有初始設計才有辦法得到與目標光譜相近之結果,新的光學薄膜濾光片製鍍方式可採用混合薄膜技術,除了具有能夠改善單一材料的物理及化學特性外,亦能使用折射率漸變光學濾光片為正弦函數分佈的混合膜設計方法取代傳統以高折射率及低折射率材料所構成之多層膜堆的光學濾光片設計。本文探討複合薄膜製程中之高品質薄膜特性問題,輔以濺鍍薄膜的技術及特性量測實驗,尋找出最佳的製程參數,使單層高、低折射率薄膜為設計基礎之多層膜光學效能提升、殘留應力有效降低,進而探討多層膜疊加後的光學效能、表面與應力行為,期使對薄膜製程及應用具有實際的功效助益。

The traditional optical filter uses high and low refractive index film reactor design that requires the initial design to get the results similar to the target spectrum. The new optical film filter coating method can use the composite film technology. In addition to the physical and chemical properties, that can not only improve the single material, but also can use the refractive index gradient optical filter of the hybrid film design method to replace the traditional high/low refractive index composition of the multi-layer optical coating design. In this paper, the characteristics of high quality thin films in the process of composite thin films are discussed and the optimum process parameters are found so that the single layer high and low refractive index films are designed to improve the optical efficiency and residual stress. Another hand, coating simulation used to state the phenomenon of molecular transmission. The model provides computer design that can benefit thin film manufacturing processes and applications.

關鍵詞(Keywords)

多層薄膜、薄膜應力、模擬

Multilayer thin films, Stress, Simulation

前言

高品質的光學介電質薄膜必須具有穩定之折射率、低吸收損耗、低散射損耗、高堆積密度(packing density)、低殘留應力、均向性(homogeneous)、良好的機械附著力與硬度及高化學性穩定等功能,而使用單一的薄膜材料,常無法鍍製出符合規格的之元件,若使用傳統高低折射率材料之堆疊方式,亦無法設計出符合規格的光學濾光鏡功能,因此可精確調控多層薄膜折射率之製程及新材料開發,已是目前先進光學元件重要的研究方向。使用快速交替式反應性磁控濺鍍系統,對製備用於光學多層膜濾光片所需之氮化矽及氮氧化矽薄膜,之製程參數進行分析研究,可得於穩定的製程條件下之氮化矽及氮氧化矽薄膜,在氮化矽的實驗中,可得折射率為1.936在550 nm波段,而且其吸收係數甚小,具有非常良好的光學特性。在氮化矽的實驗中通入不同流量的氧氣,以形成氮氧化矽薄膜,氮氧化矽薄膜製程非常穩定,固定氧氣流量即可鍍製出穩定且具有良好光學特性之薄膜,其折射率範圍可控制在1.909 ~ 1.479,並以該折射率分佈來設計與製鍍一個漸變折射率的單波段與三波段皺波濾光片,從結果來看單波段皺波濾光片的中心波段與設計相符,但在左右兩側的漣波(ripple)反而有些誤差在;而三波段皺波濾光片的中心波段與設計有些誤差,其可能的原因為折射率有些微變化,另外兩個波峰也與設計有些偏移,其原因有可能是色散造成,再加上長時間製程隨著靶面的凹陷變化,其濺鍍速率與靶面狀態也會產生變化,形成誤差。而單波段與三波段皺波濾光片其殘餘應力分別為-0.184 ± 0.009 GPa與-0.282 ± 0.010 GPa。

製鍍折射率漸變之鍍膜機與一般傳統用兩種高低折射率交互鍍的方法不同。要點是必須能鍍出某範圍內之任何折射率之膜層。同時蒸鍍高低折射率兩種材料但蒸鍍速率兩者不同,可得如圖1之膜層折射率與膜厚成長之關係[1]。

圖1 設計之帶止濾光片之膜層折射率變化情形

因為折射率漸變光學濾光片之膜層為連續結構,因此可以使原本的介面散射損耗降低,而電場於傳統高低折射率膜堆中最高的電場值會發生在介面處,當設計層數越多,入射介面附近的膜層電場越強,越容易造成雷射損壞,因此折射率漸變的混合膜具有高的雷射閾值(Threshold value),應用於高功率雷射鏡中越顯得重要[2],其他的應用還有寬波域的抗反射膜、帶止濾光片、拉曼光譜用之帶止濾光片等[3]。

可應用傅利葉合成法於微投影機、車用抬頭顯示或超高解析螢光顯微鏡之光學鏡片模組,利用皺波濾光片方式設計雙波長抬頭顯示器,可得到透過濾光片後仍保持高穿透性,亦維持高對比的投影顯示特性,本針對可見光波域進行雙或三波長抬頭顯示器用濾光片,除文獻中提及之特性外,另可提升色飽和度,使顯示效果更佳。

但製程的困難處在於如何穩定的製鍍混合光學薄膜,相關研究為了改善電子槍製程所鍍製的ZrO2薄膜會具有兩種結晶相和柱狀結構的產生,研究中發現混入少量的SiO2後(ZrO2)x(SiO2)1-x混合膜為非晶態,當SiO2的體積比超過20%混合膜為非結晶態且沒有柱狀結構產生,可以減少散射損耗[4]。以往製作混合光學薄膜及漸變折射率濾光片,多採用離子束濺鍍法,但其成本及量產性皆不佳,因此需要有新的鍍膜技術導入,近年磁控濺鍍技術的發展,有研究使用磁控濺鍍製鍍光學多層膜或漸變折射率的濾光片,對於漸變折射率材料的控制有較佳掌握性,Zhang Jun-Chao 及Fang Ming...etc使用傳統的脈衝直流雙磁控濺鍍技術[5],調整兩個靶材之功率調變Nb2O5-SiO2 薄膜混合比例,製鍍出皺波濾光片, Stefan Bruns 及Michael Vergöhl...etc,使用對稱式脈衝直流雙磁控濺鍍技術及電漿光譜監控技術,利用調整脈衝寬度之工作週期,控制HfO2-Al2O3 薄膜混合比例[6]。C. K. Hwangbo etc.研究單一材料不同反應氣體混合膜,使用電子束離子輔助蒸鍍法鍍製AlNxOy 薄膜,製備成皺波濾光片 [7]。 P. V. Bulkin etc.使用ECR-PECVD 分別調變不同氮氧氣體分量,鍍製SiNxOy 薄膜[8]及不同氮氣比例鍍製SiNx 薄膜[9]而製備出皺波濾光片。R. Vernhes使用PECVD 調變射頻功率產生不同折射率之SiN:H 薄膜而製備皺波濾光片[10]。

  1. Lau etc.使用反應性脈衝磁控濺鍍技術,鍍製SiNxOy 薄膜而製備皺波濾光片及抗反射膜[11],其中使用AlNxOy 薄膜的折射率調變範圍為1.65 至1.83 (近紫外光區),有較低之吸收,而SiNxOy 薄膜之折射率有較大之調變範圍為1.46 至1.99,相關文獻提及氮化物薄膜之製程需要具有較高的沉積動能。從上述文獻研究顯示Si3N4、SiO2 及不同比例之SiNxOy 光學混合薄膜等,是可應用於光學干涉式的濾光片。此外,薄膜之應力大小與基板材質、膜料材質、組成成份、製鍍方法及製鍍參數等很有關係[12],薄膜內應力是薄膜在高溫且真空下,基板表面有界面形成一個力場,其方向指向基板內部,當氣相原子或分子擴散飛向基板,即會受此力場影響吸附在表面上,並釋放出吸附熱,因此原子或分子急速的冷卻凝附在基板上,可以想像其分子排列並非在最低能位置,且有不規則的微觀結構,於是就存在有應力。另外薄膜與基板之間有很大的溫差,所以待降溫後取出於大氣中,其間也存在著熱應力。若膜應力大於膜與基板間之附著力,則薄膜會剝落。若應力小些則膜會龜裂,即使應力更小些也會使光波波前(wavefront)變形,或使濾光片之穿透光譜、反射光譜等中心波位隨溫度變化而飄移,因此如何控制多層薄膜應力是一很重要的問題。

漸變折射率之三波段皺波濾光片製程

比較氮氧化鋁(AlO­xNy)為材料並運用電漿迴授控制系統來製鍍漸變折射率之三波段皺波濾光片,從結果來看電漿迴授控制是能準確的監控製程,但因為鋁活性較大,鋁靶表面易與氧氣反應生成氧化物,而鋁的氧化物容易形成熱電弧(Arcing)的產生,進而影響製程,造成膜層不均勻等現象,導致實驗結果與設計有很大的誤差產生。因此我們更換材料,使用製程較為穩定的氮氧化矽(SiOxNy)為材料重新進行漸變折射率之三波段皺波濾光片之設計與鍍製。

製程固定平均功率為500 W,氬氣為15 sccm,脈衝時間寬度為Ton / Toff (μs) : 40/20,以此實驗參數為基礎,通入氮氣以觀察SiN的遲滯現象及氮氣流量、電壓與電流之變化,並繪製遲滯曲線,如圖2,以決定正式SiN薄膜的氮氣通量。從遲滯曲線中選定氮氣流量分別為10與12 sccm來做測試鍋,以選取最佳光學特性的實驗參數。

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