應力對光學薄膜之影響

Abstract

隨著資訊與網路時代的來臨，光電系統的應用日益普及化。其中的光學元件也幾乎需要鍍製各類膜層以彰顯其效果，但無論製造方法為何，幾乎所有的膜都有應力存在的問題，此應力在精密光學應用上會引起一些問題。此應力若為壓應力(膜在平行於表面方向膨脹)，當應力太大時，膜層會挫曲。若應力為張應力(膜在平行於表面方向收縮)，當應力超過膜層的彈性限度時，會導致膜破裂。因此，膜的應力會造成光學元件的變形，這在精密光學上是必須考量的重要因素。在本論文中經由反應氣體流量比，鍍後熱處理，離子助鍍，鍍率控制，及添加鎢元素等製程參數的控制，我們探討應力對高密度多工分波器，雙色鏡，及三元Ta1-xWxNy硬膜的性質影響效應。

高密度多工分波器(DWDM)是依據Fabry-Perot原理設計的全介質膜，以Ta2O5和SiO2分別當高低兩種折射率材料，並用反應式離子助鍍法製作。DWDM分波器中心波長對溫度的穩定性取決於對製程的精準度及穩定度。在本論文中，經由製程及壓力的調控，我們可以調整中心波長的大小使之符合ITU的規範需求，並選用適當熱膨脹系數的玻璃當基材，則可精準的控制中心波長的位置。

在本論文中，探討了鍍後熱處理製程對兩種型式濾波器的效應，一種是DWDM分波器；當退火溫度超過250oC時，中心波長會隨著溫度的增加而增加，並且此效應是永久的。因此，我們可以用此技術調整應力的大小以控制中心波長的漂移量。另一種是雙色鏡的T50% 波長位置隨溫度變化的情形，此溫度就如同雙色鏡置放在操作中的投影機內部所遭遇的溫度一般。此雙色鏡鍍製於不同種類的玻璃上，並比較T50%位置的漂移量。由實驗結果，我們可以預測不同折射率值的玻璃其波長漂移量，並依此找出最恰當的玻璃材料當基材，使T50%波長位置有最小的變化量，如此就可避免投影之影像色彩失真。在本論文中，我們研究了Ta2O5, TiO2, Nb2O5 和SiO2等材料之應力性質。

在本論文中，對二元TaN及三元Ta1-xWxNy硬膜經由反應氣體流量比，鍍後熱處理，離子助鍍，濺鍍鍍率控制，及添加鎢元素等製程參數的控制，我們探討了其對應力、硬度、抗刮度、抗氧化性，及表面粗糙度等性質的影響效應。從TaN及Ta1-xWxNy的硬度、抗刮度測試結果顯示最佳的N2/Ar流量比為0.9到1.0，而TaN滲W形成Ta1-xWxNy膜，則可增加膜層的硬度、抗刮度、抗氧化性，及降低表面粗糙度。最佳的比率為[W/(W+Ta)]=0.85。從鍍率及濺鍍加離子助鍍的實驗可得知主要的應力來源是濺鍍原子。在高N2/Ar流量比、低鍍率的情況下會造成高壓應力，而高壓應力又會導致高硬度，高壓應力主要是由離子及原子的敲擊效應造成的。從本論文的研究結果得知Ta1-xWxNy膜無論是在硬度、抗刮度、抗氧化性，及表面粗糙度等性質都比TaN膜優越。最終，我們提出未來將研究複合膜以用來降低應力值。