焊接技术
  粘接技术
  粘贴技术
  紧固技术
  润滑技术
  测试技术
  测量技术
  ESD技术
  净化技术
  SMT技术
  光学技术
  环境技术
欢迎投稿
首页->> 制程解决方案 ->>正文  
 
光学薄膜制程技术与应用
作者: 揭丽娜
责任编辑: 发布日期: 2008年07月04日
  /国立中央大学光电科学研究所   李正中

长久以来,“光学薄膜制程技术”一直是光学领域中不可忽略重要基础技术,而且品质要求也越来越高,加上这五年来在资讯显示及光通讯科技快速发展之下,不论是在显示设备中分、合色组件,又或是在光通讯主、被动组件开发制程上,薄膜制程技术都是不可忽略重要技术。而在显示器技术、光通讯技术、生医光电技术等,在全方位薄膜技术有其决定性的影响。本文以多年来在光学显示器相关镀膜、各种类光学薄膜之光学特性及非光学特性研究经验与其发展技术,一同探讨光学薄膜制程技术是如何成为产业中,各个产业应用的最佳绿叶技术,求得理论及实务并重。

光学薄膜与镀膜技术的重要性

从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用;比方说,平时戴的眼镜、数位相机、各式家电用品,或者是钞票上的防伪技术,皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础,近代光电、通讯或是雷射技术发展速度,将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展重要性。

一般来说,要使用多层薄膜时,必须根据设计者需求,藉用高低折射率薄膜堆叠技术,做为各类型光学薄膜设计之用,才能达到事先预期后评估的光学特性。比方说:抗反射镜、高反射镜、分光镜、截止滤光镜、带通滤光镜、带止滤光镜等;而在电脑分析软、硬体发展健全的今日,不仅使光学薄膜在设计上变得更为便捷,且光学薄膜技术研究发展也将更为快速。

就目前设计端而言,若以合理特性范围来考虑,光学薄膜制作门槛已经降低不少,技术困难点也很少出现,通常只要在合理要求范围之内,设计者不难发出适用的光学多层膜结构。不过,光学薄膜最主要关键问题,在于薄膜镀膜工艺技术的改善?这关系到要如何精准地掌控每一层薄膜厚度与折射率,才能获得预期光学性质和机械特性,甚至在制程量产化及成本降低都有其帮助。另外,包括:薄膜材料开发(包括:材料测试、化学纯度、材料创新、材料型式)、先进镀膜技术开发(包括:真空镀膜机、监控技术)及薄膜的量测分析(膜层设计、厚度误差分析技巧)等,都是光学薄膜工程上所要面对到的首要课题。

不过,在光学薄膜技术应用上,由于技术本身被归纳为广泛应用性质,不容易以某一或单一产品作为载具并加以区分;因此,在光学薄膜产品技术,最终应用则是在众多光学组件上,若以光学组件各个相关应用市场来探究,更可看出主要附加价值与相关性。

光学薄膜技术发展基础及特性分析表

真空技术原理

以组装奈米球作为模板,快速地制作大面积周期性奈米结构,可结合相关真空薄膜及微机电制程可开发各种奈米颗粒阵列、奈米碳管与模仁结构。

真空系统测漏技术

以真空结构元件材料为例,通常需考量机械强度(尤其在不同温度条件下的变形容许度及临界长度)、释气所造成之虚漏、加工焊接的气密程度、真空封合的技术(如:弹性垫圈O形环封合时密塞情形)、管路内壁是否经过电解抛光等诸多因素。

电浆技术

薄膜技术的电浆改善技术,可应用于复合材料制备、气体分离及生医工程,也可应用于半导体及光电工程之各类电浆镀膜技术。

各种化学气相沉积法

如:CVDPECVDMBEMOCVD

各种物理气相沉积法

如:sputteringEvaporationFilter Cathode Arc

薄膜层之光学特性分析

包括:光之透射、反射、吸收、散射、偏振及相位变化等,进而设计及制造各种单层及多层之光学薄膜来达到科学与工程上应用。

 

光学薄膜技术在显示器产业中的应用

对于显示器画面尺寸及影像品质及辐射量多寡的要求日渐严苛,过去显示器尺寸也从14吋、20吋、29吋、32吋,甚至更大尺寸,也从CRT萤幕发展到LCD萤幕或投影萤幕。因为超过40CRT显示器动辄超过100公斤、厚度也超过35吋;因此,在一般CRT显示器生产过程中,40吋以上就是一个技术瓶颈。目前要打破尺寸瓶颈技术,就是利用投影技术来达成,藉用光学技术放大显示器尺寸,使其机身厚度变薄,体积变得更为轻盈。

▲对于投影机产业而言,必须快速对应到灯源进步程度,以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求。

揭开投影机显示技术中重要光学关键零组件,就像是光学引擎、光阀、偏光转换器等开发技术,对投影显示技术中的影像品质有着关键性影响。举例来说,在光学引擎的偏振分光棱镜便是光学引擎中,不可或缺的光学组件,其可见光波要求在420∼680nm范围(入射角范围约30°之内),才能大幅度地分开p偏振光及s偏振光,并维持p偏振光穿透率Tp90%以上及消光比达到Tp/Ts500以上,这是因为消光比越高及Tp穿透率也就越高,影像对比度才会更好,色彩一致性越高,获得较高的光能利用率。

在光学引擎中要用到大量偏振、分光及滤光组件,这些都需要仰赖光学薄膜、镀膜技术来实现,不过这些组件镀膜技术要求层级很高,导致生产困难度加大。一般来说,目前发展投影机技术,包括:LCDDLPMEMS)、LCOS数种发展技术。影像成形技术,则分为穿透式LCD及反射式DLPLCOS,而在投影机系统中,便需要运用光学薄膜滤光片新的开发技术,藉以达到最佳影像品质。

各式投影机所需光学镀膜元件分类表

投影机技术列表

相关滤光片种类

LCD

UV-IRPBSBPFDichroic-mirror)、ARHR

DLP

UV-IRBPFColor wheelSCR)、ARHR

LCOS

UV-IRARHR

 

对于投影机产业而言,为了因应灯源技术,以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求,对于其中所使用的各式光学组件都必须有相对应解决之道。而为了达到需求,这对光学薄膜技术来说,已不能单纯使用传统的整数膜堆设计来完成,非整数膜堆设计必要时也要能被大量采用。不过,对非整数膜堆技术而言,除了先天上设计的困难性之外,在实际的制镀上也有相当的困难性。另一方面,对于环境测试要求更为严格,在滤光片材料选用则应更为审慎,基板选择上也要考虑到整体滤光片应力行为…等等,这都在先前设计之初就必须被纳入考虑。

使用薄膜元件的条件分析表

项目

条件内容

1

更大范围的光照射角度,约以UV-IR约需要30度或以上

2

更佳的偏振分光比,TP:TS>1000:1

3

更严格的环境测试要求,包括:MIL-Standard

4

更严格的光谱规格。

5

特殊功能镀膜技术。

光学薄膜技术也在奈米技术上有其助力

奈米材料及技术因应科技发展速度,不断受到重视,归究其主要原因在于奈米材料应用广泛,加上以未来层面来考虑。一方面是因为现有理论基础不足涵盖奈米材料完整发展;另一方面来自物理、化学、生物医药领域的冲击性与整合性,提供极为有力的帮助。其中,在物理方面着重于奈米制造、材料检测技术与原子操纵;而在化学方面则提供由小而大、由下而上的组装方式、各式化学方法合成奈米材料;生物领域主要提供是仿生概念及生物制造工程的奈米材料合成技术。

回过头来看光学薄膜技术制程,过去的光学薄膜技术已经进入成熟化地步,也受到广泛的应用。也曾经有专家提出,再过五年之后,以“硅”为主要材料的微米级电子电路技术将有可能面临到发展之末。然而,在光学薄膜在奈米尺度下的特性,也是因为这几年中,由于制程技术进步后,才逐渐受到业界所探讨。这是因为一旦光子组件想要在更小、更快且低耗能线路上与电子线路相互呼应,则光子的操控必须在空间、速度及能量上,远比目前微小上百倍情况下才能顺利进行。因此,奈米光波导(nanophotonic waveguide)将有可能成为代替部分硅及其它半导体材料的最佳材料,则能有效开发出远比目前传输速度及密度高达50∼100倍以上;另外,在省能效益方面则高出50∼100倍通讯及运算装置。如此一来,光学薄膜技术在奈米级尺寸即将到来的催促之下,其技术研究将成为非常重要的关键因素。

目前在积体光学技术所能制造的光学组件,大都是以电光、声光调变器、光分离器、分工/解分工器…为主,倘若要做到全光式或者多组件的积体光学组件,不可或缺的便是“奈米光学薄膜组件”。这当中最受到关注的就是,结合薄膜技术及微影技术(Optical Lithography)所形成的光子晶体(photonic crystals),使其带有周期性的介电质分布结构特性,藉以提高分辨率转而制作更微小特征尺寸,才能拥有在相同单位面积上,有更高密度下可容纳更多的电晶体。

一般光子晶体依照光子能带的方向特性可分为两类,分别为讯号传递具有方向性(Uni-directional)、(Omni-directional);在Uni-directional光子能带仅能够使某特定传播方向的光波被抑制其传播特性,而omni-directional光子能带能够使各个传播方向上的光模态皆被抑制其传播特性。因此,可藉由结构上的设计使光皆被反射,产生零能量穿透。除了光子晶体外,光学薄膜在奈米等级的尺度下,在金属薄膜上制作奈米级的周期性孔洞时,当入射光的光波长大于孔洞的周期时,入射的零阶光有和平常不一样的高穿透率,并且没有绕射现象的发生。此类光学组件主要应用金属之表面电浆特性,产生完全不同于传统光学理论的特性,才会别于光子晶体特性下的一种新型态及表面电浆组件。

上述两项不同类型组件,不论是光子晶体还是表面电浆组件,都需要奈米等级下进行精密微影、蚀刻技术及光学薄膜技术。因此,若以光学薄膜技术为主要发展基础,再搭配上微影制程技术,及薄膜特性分析技术等,最终目标便能达到充分了解光学薄膜在奈米尺寸等级下,各项分析特性及组成结构,以提供奈米光学薄膜技术应用在积体光学领域中地发展与应用。

 

▲中央大学成立的薄膜技术中心展示多项薄膜产品应用技术,薄膜应用随处可见,各式各样的薄膜都有其功用。

非主要明星产业 但其重要性不可忽略

可以这么说:“光学薄膜技术并不是一项亮丽的技术显学”。但却是台湾产业发展过程中不可缺少的其中一环,不仅左右产品优劣也影响产品效能。光学薄膜技术给人的感觉是“透明的”、“薄薄的”,但这当中的学问无法只用言语就能概以全数。虽然光学薄膜应用多属绿叶技术,只是个辅助性质角色。不过,一旦有了光学薄膜技术,不仅使产品功能更加显而易见,并能提升它的附加价值。

就像一般所配载的眼镜,运用了光学薄膜的镀膜技术,便能降低眼镜反射率,使它具有更高穿透率,而抗紫外线镜片及抗红外线镜片,也都是光学薄膜技术的应用。而在光通讯、显示器、照明、节能等方面,也可以应用光学薄膜技术,例如,尖端技术基础的研究及应用,则需要较小、较为精致型组件,使产品变得更轻薄短小。换句话说,只要有运用到光学组件之处,都可以利用光学薄膜改善它的品质和技术,使产品变得更完善,并与生活息息相关。

光学薄膜的技术与理论虽然起源已久,然而随着相关科技环境迅速提升与成长,如何使光学薄膜技术得以创新,将是从事光学薄膜技术者尚须追求的目标。目前,台湾厂商专注于OEM以下阶段技术及塑胶镀膜厂商,但在光学品质可靠性上,仍必须持续提升。至于OEM以上等级的光学镀膜技术,例如:雷射镜片虽亦有厂商投入研发,只在量产上则仍不易达到。因此,台湾厂商一旦能尽早于新的光学薄膜技术开发方面大力投入,将有助于在整体光学组件市场上取得重要的契机,并建立完整光学产业结构根基。

 

 
 
  发给好友 我要报错 投稿给我们 加入收藏 返回顶部  
 
站内导航 | 总编在线 | 杂志简介 | 读者构成 | 免费订阅 | 广告咨询 | 联系我们 | 在线投稿
版权所有 (C) 2006 《电子制程方案》杂志网站  粤ICP备07018571号-1
    照博会