金属反射膜材料简介

金属反射膜材料简介

李秉璋1, 王正和2

1 工业材料研究所研究员

2 工业材料研究所副研究员

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 l ight appeared. And God was pleased with it, and divided the light from the darkness.

从旧约圣经的记载, “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)吸收, 只让特定频谱范围的光线(太阳光)照射到地球表面, 因此孕育了地球上亿万个依赖太阳能量的物种。

“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,必须以粒子理论来解释。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)。图一简单地把三者之间的关系, 以三个互相垂直的向量来表示¸并且以电磁正弦振荡(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(400~800 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可或缺的角色。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、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、材料为甚么透明? 为甚么反射? 自然

界所有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

子因为受原子核的束缚, 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收一部份而造成光

速与波长改变, 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

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下列的公式来表示

V=C/n V: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改变之外,其电场的振幅也会随穿透距离而依e-2k’x递减,其中k’为吸收系数(coefficient of absorption), 而x 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, 当被光波照射时, 光波的电场使自由电子吸收了光的能量, 而产生与光相同频率的振荡, 此振荡又放出与原来光线相同频率的光, 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,δ) , 此穿透深度决定了材料是透明还是反射, 通常大部份金属的穿透深度只有几十或百奈米(nanometer, nm)。

穿透深度与材料的基本性质的关系如下:

δ=√(λ/πcμσ)

λ: 真空中光的波长速

c : 光速

μ;导磁系数

σ:静导电系数(static conductivity)

由上述公式可以了解,光线的波长愈长愈容易穿透金属, 这就是为什么波长较长的红外线比短波长的紫外光更容易穿透金属。另外值的注意的是, 金属的导电系

数愈高, 穿透深度愈浅, 反射率(reflectivity)愈高。因此金属反射膜材料大都使用高导电度的金(Gold, Au)、银(Silver, Ag)、铝(Aluminum, Al)与铜(Copper, Cu)等材料。

图四光照射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, 光线直接照射在反射膜上的方式称

为前反射, 光线穿过透明介质再照到反射膜的方式称为背反射。前反射式效果最佳, 但是必需考虑反射膜的表面品质而且容易被刮伤及容易氧化。背反射式只需考虑将透明介质的表面研磨、拋光后, 再镀上一层足够厚度的反射膜即可, 对于镀膜的表面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佳的反射膜材料, 如表二所示, 银膜在波长800 nm 时的反射率可以达到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容易氧化, 通常用于背反射膜, 当用于前反射膜时, 其表面必需镀上保护膜, 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650~800nm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。

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, 使其附着在基板上凝聚成薄膜。

蒸镀的基板材质没有限制, 从纸、金属到陶磁都能使用。图六为简单的加热式蒸镀, 另外还有电子枪加热式及离子辅助式蒸镀。溅镀的原理如图七所示, 主要利用辉光放电(glow discharge)将氩气(Ar)离子撞击靶材(target)表面, 靶材的原子被弹出而堆积在基板表面形成薄膜。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。新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周围的氩气离子化, 造成靶与氩气离子间的撞击机率增加, 提高溅镀速率。一般金属镀膜大都采用直流溅镀,而不导电的陶磁材料则使用RF 交流溅镀。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