複合薄膜及多層膜的應力分析技術

摘要：光學系統所需之光學元件規格日趨嚴格，其中光學薄膜扮演的角色也日益重要，而部份應用檢測中，使用單一的薄膜材料無法鍍製出符合規格的濾光片，或無法使用傳統高低折射率材料之堆疊方式，設計出符合規格的光學薄膜濾光鏡功能，因此新的材料開發及可精確調控薄膜折射率之製程，已是目前光學多層干涉薄膜重要的研究方向。文中探討濺鍍製程中之高品質多層薄膜的應力問題，乃以硬性玻璃基板的薄膜應力理論為基礎，輔以薄膜鍍膜的技術及應力量測實驗來尋找最佳的製程參數，期使單層高、低折射率薄膜為設計基礎之多層膜殘留應力能有效降低，進而探討多層膜疊加後的應力行為。主題為多層膜應力的物理模型建置、量測與模擬分析等說明。根據彈性力學與應變不匹配等原理，從理論上建立一個包含薄膜本徵應力的薄膜殘留應力分配預測模型，以分析薄膜殘留應力提供一個輔助設計的工具，期使對薄膜製程及應用具有實際的功效助益。

Abstract：This work investigates multilayer thin film stress issue for the sputtering process.  The theory is based on thin films deposited onto glass substrates, and using thin film deposition and stress measurement experiments to optimize process parameters. We reduced the residual stress of multilayer thin films, which include high and low refractive index layers, and further investigated the stress accumulation behavior on the stacked multilayers.  The physical model of multilayer films stress was built, measured and simulated according to the principles of elasticity and strain mismatch. An intrinsic prediction model for the residual stress distribution and analysis of the films was established. The model provides computer-aided design that can benefit thin film manufacturing processes and applications.

關鍵詞：薄膜應力、濺鍍、多層薄膜
Keywords：Stress, Sputter, Multilayer thin films

前言
近年由於高科技的迅速發展演變，光學系統所需之光學元件規格日趨嚴格，其中光學薄膜所扮演的角色也越來越重要。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)薄膜、良好的機械附著力與硬度及高化學性穩定等功能，在某些特殊的條件下(高溫、高濕、強幅射照射環境、…) ，部份的應用檢測中，使用單一的薄膜材料無法鍍製出符合規格的濾光片，或無法使用傳統高低折射率材料之堆疊方式，設計出符合規格的光學薄膜濾光鏡功能，因此新的材料開發及可精確調控薄膜折射率之製程，已是目前光學多層干涉薄膜重要的研究方向。當前常用的材料有TiO2、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、SiO2、及MgF2、...等，如表1所示(其中殘留應力值為負值表示為壓應力，正值表示為張應力。) 。但要製鍍出高硬度、高附著性及良好的環境穩定性等之光學多層膜，這些常用光學薄膜材料已無法達到某些特殊的規格，因此選擇良好的材料就成為很重要的研究課題。一般光學多層膜所使用之低折射率材料為SiO2、MgF2及Na3AlF6...等，其中SiO2相較於其他低折射率材料有較佳的環境穩定性與機械特性。高折射率材料為TiO2、Nb2O5、Ta2O5、ZnO及Si3N4等，其中TiO2於高溫下容易失氧及產生結晶的結構，而再結晶會使TiO2薄膜形成柱狀結構，會對折射率、吸收損耗及機械特性等造成影響。且TiO2對製程溫度較敏感，故對於環境穩定度有較高的要求 ; Ta2O5雖有前者較高的環境穩定性及較小吸收，但Ta含量在地殼很稀少(0.0008%)，因此成本較高。而ZnO的顆粒較大易造成膜面粗糙而缺陷大，Nb2O5雖有較高折射率，但其硬度也較小。因此材料的開發與選用成為一個很重要的研究課題。一般來說良好的光學薄膜需具備高穩定性與耐久性，而氮化物材料Si3N4則具有高折射率、高硬度與高環境穩定性等特性，雖然與TiO2、Nb2O5、Ta2O5及ZnO相比其薄膜的折射率略低，但沒有失氧問題，穩定性高且硬度高，並可透過控製氮氣及氧氣比例形成SiOxNy薄膜。綜合以上Si3N4及SiO2薄膜之優點(有良好的環境穩定性)外，亦可準確的調變折射率便於設計的應用，且預期也有良好的硬度表現。氮氧化矽多層薄膜具優異的光學特性和機械特性如表2，較一般傳統兩種金屬材料以上的光學多層膜有許多優勢，如寬帶的抗反射膜、漸變薄膜、紅外光多層膜…等[1][2]，但由於製作上的困難度高，因此一直沒有較廣泛的應用，隨著各種鍍膜方式的進步，如電子束共蒸鍍、直流或交流磁控共濺鍍、離子束共濺鍍…等[2]-[12]的技術改良，使更為穩定混合膜的折射率、鍍率及薄膜應力製程等控制，期薄膜折射率有更多的選擇，使在光學薄膜設計能更精確的被實現，如表1。