中 華 大 學

碩 士 論 文

題目:運用在 LED 藍寶石基板上之高反射率金屬

鍍膜光學性質量測之研究

系 所 別：機械與航太工程研究所

學號姓名：E09508013 許政義

指導教授：林育立 博士

中華民國 九十七 年 七 月

I

摘要

本研究使用研磨拋光厚度至90µm之藍寶石做為基板，利用電子

束物理蒸鍍(Electron Beam Evaporation)的方式沉積單層或多層如

鈦、鉻、氧化鋁、銀和錫金等材料在藍寶石基板背面，觀察單層或多

層金屬鍍膜在不同厚度下之反射率和穿透率特性；因為銀粒子不易與

其它材料結合且容易跟空氣產生反應變暗而降低反射率，因此本研究

主要是尋找可以保護銀鍍層不跟空氣接觸而仍保有高反射率狀態的

保護層，同時又因銀不易與其它材料結合，尋找最佳緩衝層材料增加

鍍層間結合強度也是本研究之重點。本研究在藍寶石基板的表面鍍上

多層金屬鍍層結構如鈦/銀/錫金、鉻/銀/錫金、氧化鋁/銀/錫金等鍍層

組合，並找出多層薄膜在不同厚度下最佳反射率之組合。

由實驗結果得知在單層鍍層如鈦、鉻、氧化鋁、銀和錫金等材料，

測量所得以銀鍍層在藍寶石基板上的反射率是最高，且鍍層厚度在

1KÅ以上則反射率可達47%以上，比鈦或鉻單層鍍層可以有200%提

昇，但銀鍍層與藍寶石間之附著性比鈦或鉻單層鍍層差，因此須加緩

衝層以解決附著性問題，在本次實驗所量測之多種金屬鍍層組合結構

中以氧化鋁/銀/錫金鍍層組合所測得的反射率是最高可達48%，比另

外多種鍍層結構如鈦/銀/錫金、鉻/銀/錫金鍍層，其反射率可以有200%

II

提昇。本研究所設計之鍍層結構中以銀鍍層為達成高反射率之主要因

素，實驗結果也發現使用鈦、鉻之緩衝層會降低反射率，只有使用氧

化鋁鍍層做為緩衝層，整組結構仍能維持高的反射率，其中又以Al2O3

0.6KÅ/Ag 10KÅ/AuSn 30KÅ之效果最佳。

關鍵字：蒸鍍、反射率、薄膜、藍寶石基板

III

Abstract

The effect of high reflectance metallic thin films of reference mirror

layers is investigated using three different thin film structures on sapphire

substrate: the sapphire/Ti/Ag/AuSn, sapphire/Cr/Ag/AuSn, and

sapphire/Al2O3/Ag/AuSn structures. Various coating thickness was

deposited on sapphire substrate. The experimental results indicate that the

Ti and Cr buffer layer are not very effective on the enhancement of

reflectance on the Ag layer. Results show that the reflectance properties

of the mirror layer can be improved significantly by using Al2O3/Ag

coating. In a buffer layer solution, the reflectance of reference mirror

layer can have about 200% of improvement with the Al2O3 buffer layer

comparing to that using Ti and Cr as the buffer layer.

Keywords: Coatings, reflectance, thin films, sapphire

IV

誌謝

碩士求學過程是人生的一種歷練也是個人的一個夢想，在研究所

的這段時間，利用每個週末及寒、暑假到校求知，如今研究生生活匆

匆過去，終於苦盡甘來，完成了碩士學位。首先，要感謝我的指導教

授 林育立博士，在研究的過程中不辭辛勞的指導我，給予許多寶貴

的意見及觀念，幫助我得以順利完成論文，謹此致以由衷的感謝。

在口試期間承蒙口試委員: 賴宏仁老師和葉明勳老師的不吝指

教，提供許多重要的見解，讓我受益良多，使我的論文更趨完美，在

此一併致上崇高的謝意。

研究期間，感謝美鈴、明泰等同學和學長及學弟妹們在學業及生

活上的陪伴、支持及各項協助，讓我的研究所生涯十分值得回味。還

要感謝我學校長官及老朋友們，你們的關心及鼓勵，豐富了我的生

命，給我無限的鼓勵。

謹以此論文獻給我的指導教授林育立博士，以及長久以來支持著

我的家人，和實驗室的各位同伴們，在此獻上我誠摯的感謝，也祝福

各位未來能一切順利。

V

總 目 錄

摘要............................................................................................................. I

Abstract .....................................................................................................III

誌謝.......................................................................................................... IV

總 目 錄....................................................................................................V

表 目 錄................................................................................................. VII

圖 目 錄.................................................................................................. IX

第一章 序論...............................................................................................1

1.1 研究動機.......................................................................................1

1.2 前言...............................................................................................2

第二章 文獻回顧.....................................................................................10

2.1 光學薄膜的種類.........................................................................10

2.2 薄膜技術的過程.........................................................................18

第三章 實驗設備與實驗步驟 ................................................................22

3.1 藍寶石基板的研磨拋光製作 ....................................................23

3.2 金屬鍍層的製作.........................................................................24

3.3 後處理.........................................................................................26

3.4 鍍層觀察與光譜檢測.................................................................27

第四章 實驗結果與討論 ........................................................................30

4.1 藍寶石基板研磨拋光後的觀察 ................................................30

VI

4.2 基板反射率和穿透率的觀察 ....................................................31

4.3 單鍍層反射率和穿透率的觀察 ................................................33

4.4 多鍍層反射率和穿透率及微結構的觀察 ................................43

第五章 結論.............................................................................................49

參考文獻...................................................................................................52

VII

表 目 錄

【表 1-1】各種光源比較表 ....................................................................60

【表 2-1】光學薄膜技術發展基礎及特性分析表 ................................61

【表 3-1】金屬之比較特性表 ................................................................62

【表 3-2】各種高介電薄膜物理特性之比較表 ....................................62

【表 4-1】厚度 430µm 未研磨之表面粗糙情形...................................63

【表 4-2】厚度 90µm 研磨後之表面粗糙情形.....................................63

【表 4-3】比較單鍍層不同厚度在藍寶石基板所得之反射率和穿透率

表.............................................................................................64

【表 4-4】比較單鍍層不同厚度在玻璃基板所得之反射率和穿透率表

.................................................................................................64

【表 4-5】比較不同鈦-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射率和穿

透率表.....................................................................................65

【表 4-6】比較不同鈦-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之反射率和穿透

率表.........................................................................................65

【表 4-7】比較不同鉻-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射率和穿

透率表.....................................................................................66

【表 4-8】比較不同鉻-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之反射率和穿透

率表.........................................................................................66

VIII

【表 4-9】比較不同氧化鋁-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射率

和穿透率表 ..........................................................................67

【表 4-10】比較不同氧化鋁-銀-錫金厚度在玻基板所得之反射率和穿

透率表 ..................................................................................67

【表 4-11】比較不同鍍層和厚度在藍寶石基板所得之反射率和穿透率

表...........................................................................................68

【表 4-12】比較不同鍍層和厚度在玻璃基板所得之反射率和穿透率表

...............................................................................................69

IX

圖 目 錄

【圖 1-1】為典型以氮化鎵為主的 LED ...............................................70

【圖 1-2】標準結構和 ITO top 結構和表面粗糙化結構 .....................70

【圖 1-3】表面未粗糙化 ........................................................................71

【圖 1-4】表面粗糙化 ............................................................................71

【圖 1-5】為圖形化藍寶石結構圖 ........................................................71

【圖 1-6】為製備高反射鏡於藍寶石基板背面結構圖 ........................71

【圖 2-1】反射膜反射率 R 與薄膜層數關係圖 ...................................72

【圖 3-1】實驗流程圖 ............................................................................73

【圖 3-2】2 吋基板 .................................................................................73

【圖 3-4】全自動上蠟機 ........................................................................74

【圖 3-5】臥式精密研磨機 ....................................................................74

【圖 3-6】精密拋光機 ............................................................................74

【圖 3-7】電子鎗蒸鍍機圖 ....................................................................75

【圖 3-8】真空系統示意圖 ....................................................................75

【圖 3-9】電子鎗蒸鍍系統示意圖 ........................................................76

【圖 3-10】電子鎗蒸鍍的坩堝和電子槍示意圖 ..................................76

【圖 3-11】鑲埋後之試片 ......................................................................77

【圖 3-12】場發射掃描式電子顯微鏡 ..................................................77

X

【圖 3-13】HITACH U-4100 光譜儀圖 ................................................78

【圖 3-14】光入射透鏡圖 ......................................................................78

【圖 3-15】Detak 膜厚量測儀...............................................................79

【圖 3-16】Detak 膜厚量測儀動作之示意圖 ......................................79

【圖 4-1】抽測 5 點位置示意圖 ............................................................80

【圖 4-2】厚度 430µm 未研磨之正面粗糙情形...................................80

【圖 4-3】厚度 430µm 未研磨之背面粗糙情形...................................81

【圖 4-4】厚度 90µm 研磨後之背面粗糙情形.....................................81

【圖 4-5】厚度 90µm 研磨後之背面外觀情形.....................................82

【圖 4-6】為反射率校正圖 ....................................................................82

【圖 4-7】穿透率校正圖 ........................................................................83

【圖 4-8】藍寶石基板和反射率校正圖 ................................................83

【圖 4-9】藍寶石基板和穿透率校正圖 ................................................84

【圖 4-10】玻璃基板和反射率校正圖 ..................................................84

【圖 4-11】玻璃基板和穿透率校正圖 ..................................................85

【圖 4-12】鍍鈦厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在藍寶石基板所得之反射率圖

.............................................................................................85

【圖 4-13】鍍鈦厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基板所得之反射率圖 86

【圖 4-14】鍍鈦厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在藍寶石基板所得之穿透率圖

.............................................................................................86

XI

【圖 4-15】鍍鈦厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基板所得之穿透率圖

.............................................................................................87

【圖 4-16】鍍銀厚度 1kÅ 和 5kÅ 和 10kÅ 在藍寶石基板所得之反射

率圖.....................................................................................87

【圖 4-17】鍍銀厚度 1kÅ 和 5kÅ 和 10kÅ 在玻璃基板所得之反射率

圖.........................................................................................88

【圖 4-18】鍍銀厚度 1kÅ 和 5kÅ 和 10kÅ 在藍寶石基板所得之穿透

率圖.....................................................................................88

【圖 4-19】鍍銀厚度 1kÅ 和 5kÅ 和 10kÅ 在玻璃基板所得之穿透率

圖.........................................................................................89

【圖 4-20】鍍錫金厚度 30kÅ 在藍寶石基板所得之反射率圖 ...........89

【圖 4-21】鍍錫金厚度 30kÅ 在玻璃基板所得之反射率圖 ...............90

【圖 4-22】鍍錫金厚度 30kÅ 在藍寶石基板所得之穿透率圖 ...........90

【圖 4-23】鍍錫金厚度 30kÅ 在玻璃基板所得之穿透率圖 ...............91

【圖 4-24】鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在藍寶石基板所得之反射率圖

...................................................................................................................91

【圖 4-25】鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基板所得之反射率圖

.............................................................................................92

【圖 4-26】鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在藍寶石基板所得之穿透率圖

.............................................................................................92

XII

【圖 4-27】鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基板所得之穿透率圖 93

【圖 4-28】鍍氧化鋁厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 藍寶石基板所得之反射率

圖...........................................................................................93

【圖 4-29】鍍氧化鋁厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基板所得之反射率

圖...........................................................................................94

【圖 4-30】鍍氧化鋁厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在藍寶石基板所得之穿透

率圖.......................................................................................94

【圖 4-31】鍍氧化鋁厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基板所得之穿透率

圖...........................................................................................95

【圖 4-32】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.3KÅ 和不同單鍍層在藍寶石

基板所得之反射率圖 ..........................................................95

【圖 4-33】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.3KÅ 和不同單鍍層在玻璃基

板所得之反射率圖 ..............................................................96

【圖 4-34】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.3KÅ 和不同單鍍層在藍寶石

基板所得之穿透率圖 ..........................................................96

【圖 4-35】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.3KÅ 和不同單鍍層在玻璃基

板所得之穿透率圖 ..............................................................97

【圖 4-36】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.6KÅ 和不同單鍍層在藍寶石

基板所得之反射率圖 ..........................................................97

XIII

【圖 4-37】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.6KÅ 和不同單鍍層在玻璃基

材所得之反射率圖 ..............................................................98

【圖 4-38】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.6KÅ 和不同單鍍層在藍寶石

基板所得之穿透率圖 ..........................................................98

【圖 4-39】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度 0.6KÅ 和不同單鍍層在玻璃基

板所得之穿透率圖 ..............................................................99

【圖 4-40】比較不同鈦-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射率圖

...............................................................................................99

【圖 4-41】比較不同鈦-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之反射率圖 100

【圖 4-42】比較不同鈦-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之穿透率圖

.............................................................................................100

【圖 4-43】比較不同鈦-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之穿透率圖 101

【圖 4-44】比較不同鉻-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射率圖

.............................................................................................101

【圖 4-45】比較不同鉻-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之反射率圖 102

【圖 4-46】比較不同鉻-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之穿透率圖

.............................................................................................102

【圖 4-47】比較不同鉻-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之穿透率圖 103

【圖 4-48】比較不同氧化鋁-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射率

圖.........................................................................................103

XIV

【圖 4-49】比較不同氧化鋁-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之反射率圖

.............................................................................................104

【圖 4-50】比較不同氧化鋁-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之穿透率

圖.........................................................................................104

【圖 4-51】比較不同氧化鋁-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之穿透率圖

.............................................................................................105

【圖 4-52】比較不同反射面的微結構(a)藍寶石基板-鈦-銀-錫金結構(b)

藍寶石基板-鉻-銀-錫金結構(c)藍寶石基板-氧化鋁-銀-錫

金結構 ................................................................................105

1

第一章 序論

1.1 研究動機

隨著科技的日新月異及光電領域的蓬勃發展，不但帶動了光學薄

膜製程技術的應用，更推動了臺灣產業向前邁進，因此「光學薄膜技

術」一直是光學領域中不可忽略重要基礎技術，二十一世紀也稱為光

電科技的時代。

本研究之動機即啟發於現今熱門的光電科技與光學薄膜技術，提

出一個嶄新的構想-利用最新發展之光學薄膜技術，搭配現有之藍寶石

基板之研磨技術來製造高反射率的鏡面。本研究將以藍寶石材料做為

高反射鏡之底材，藉由銀粒子之優異特性，搭配現有利用研磨拋光技

術法製作厚度較薄的藍寶石基板之製作與電子束蒸鍍技術法製鍍多

種介電質膜和金屬光學薄膜後的反射率變化作高反射鏡之製作等技

術相互配合，並探討薄膜穿透率、反射率等光學特性之影響，以及薄

膜之結晶性，表面（內部）之微觀結構、附著性情況及表面粗糙鍍之

分析等物理性質，製造出具競爭優勢之高反射率的鏡面及高結合強度

在藍寶石材料。

2

1.2 前言

在眾多發展之光電科技中，光學薄膜技術又以薄膜的材料為光電

科技發展中最重要的一環；如在元件的表面或結構上需要鍍膜技術的

處理，鍍膜技術區分利用物理或化學方法，在原材料的表面鍍上一層

或多層具有特殊性質與功能之爭材料，以發揮原有材料所不及之特

性。比如利用射頻磁控濺鍍系統製鍍氧化鉿 (HfO2) 與氧化矽 (SiO2)

光學薄膜，以應用於衛星遙測儀器系統，在不同的真空度環境下，以

單介面抗反射膜或雙介面抗反射膜，可改變紫外線之薄膜穿透率

(transmittance) 、折射率 (refractive index) 及消光係數 (extinction

coefficient)等光學性質。又或以熱噴塗的方式，於元件表層噴塗以碳

化鎢(WC)或 McrAlYa 等也得到其耐磨、耐氧化、耐腐蝕之特性，皆

為鍍膜技術之典型應用。其他應用諸如壓電薄膜之製作及其在光電元

件及表面聲波元件之應用、表面聲波元件在生醫感測元件之應用、以

及鑽石薄膜表面聲波元件之研製等等，不勝枚舉。亦即在衛星導航與

微機電元件的製程與應用中，無論在功能性的發揮，或是對抗惡劣使

用環境，增長使用壽命等，鍍膜技術為最具關鍵性的技術。但為改善

或確定鍍膜技術，需要相對的量測設備與技術配合，以確保鍍膜品

質。這些包括薄膜的成長、薄膜的可靠度、薄膜的電學性質、焦電性

質、壓電性質、光電性質、光學性質、機械性質等等，都需要先進而

3

可靠的設備與技術配合。因此而衍生出廣泛的應用價值，都跟光學薄

膜技術有其關連性；舉凡光纖通訊、生物晶片、光顯示器、人造衛星、

太空遙測系統、半導體雷射、微機電系統、光資訊儲存及各式光學元

件、照明、能源的節約、生醫光電技術等，都應用到此項技術，在全

方位薄膜技術有其決定性的影響，也是未來十分看好之應用領域之ㄧ

【1-10】。

另外在 1950 年代，以 GaN 為主要製造材料的藍光 LED 率先於

美國問世；可是它卻經歷了數十年才真正成為可量產的技術。日本科

學家中村修二（Shuji Nakamura）教授可說是整個藍光 LED 技術突破

的主要推手，成功研發出 1 燭光亮度的藍色發光二極體，使得發光二

極體進入全彩的時代。中村博士於 1990 年代中就職於日亞化學工業

時，帶領其研發團隊率先生產高亮度藍光 LED，繼而以生產藍寶石

（Sapphire）基板為主要基板材料來製造藍光。這個突破不但影響整

個照明事業之技術發展，緊接著台灣、中國大陸及南韓的 GaN LED

生產量更在 2004 年前成長超過 3 倍，成為全球藍光 LED 主要生產區

域。

以半導體技術製造的「白色發光二極體」是一種冷光源，這種燈

泡不含水銀、體積小、省電、使用壽命長，可望在二十一世紀取代鎢

絲燈和水銀燈，成為兼具省電和環保概念的新照明光源。

4

照明燈泡是現代生活所不可或缺的民生用品，儘管世界各國隨著

現代化層次和生活品質的需求不同，對照明燈泡的需求程度亦不同。

而全球花在照明的總平均用電量，約為全球總用電量的百分之四十，

是非常可觀的。石油危機使人類對物質的看法有了新的轉變，因此科

學家積極在研究節省能源的新型照明的技術。

鎢絲燈泡和水銀燈管是目前最普遍使用的傳統照明燈，鎢絲燈的

發光過程，將大部份的電能轉換成輻射熱，因此發光效能不高，其所

產生的輻射熱，在亞熱帶地區更增加空調系統的負擔。水銀燈管的發

光效能雖然優於鎢絲燈，但燈管內壁所塗抹的水銀，在燈管被丟棄時

會造成環境污染。

各先進國家皆積極投入光電半導體氮化鎵開發計畫研究，更提出

不需經過光轉換的照明用白色發光二極體燈泡製作的想法，使得發光

二極體成為繼電晶體和雷射二極體之後，半導體技術再一次產生革命

性的影響。目前全世界積極朝向更高亮度以上的藍綠光發光二極體發

展。

為什麼藍色發光二極體的發現，是半導體應用技術上的突破性的

發展？到底發光二極體有什麼神奇，能取代傳統照明燈泡？事實上，

藍色發光二極體是一個困難度高的技術，把藍色發光二極體和黃色發

光二極體結合，才能產出白色發光二極體，因此在藍色發光二極體尚

5

未研發出來之前，白色發光二極體根本就不存在。也因為藍色發光二

極體的出現，使發光二極體能以全彩色化的方式呈現，目前已經開始

應用於發光二極體全彩色化戶外顯示幕。

白光 LED 的優點:因為發光二極體是一種半導體元件，故壽命

長；由電轉換為光的效率高，耗電量少；同時發光二極體元件是一種

極小的發光源，所以可配合各種應用設備的小型化。和一般燈泡比較

起來，發光二極體燈泡的壽命要高出 50-100 倍，二極體本身耗費的

電量約是一般燈泡的 1/3-1/5，由於白色發光二極體燈泡具有多項優

點，可望在二十一世紀取代鎢絲燈和水銀燈，成為兼具省電和環保概

念的新照明光源。

發光二極體（Light Emitting Diode ; LED）係利用各種化合物半

導體材料及元件結構之變化，設計出紅、橙、黃、綠、藍、紫等各顏

色，以及紅外、紫外等不可見光 LED。其中適合製作 1000mcd 以上

之高亮度 LED 的材料，由長波長而短波長觀之，分別為 AlGaAs、

AlGaInP 和 GaInN。

AlGaAs 適合於製作高亮度紅光及紅外光 LED，商業上以 LPE

磊晶法進行量產，元件使用雙異質接面構造(DH)為主；雖然 DDH 結

構可發出比 DH 結構更高的亮度，但因為需製作 AlGaAs 基板，困難

度很高，故投資開發的廠商較少。

6

AlGaInP 適合於高亮度紅、橘、黃及黃綠光 LED，商業上以

MOVPE 磊晶法進行量產，元件使用雙異質接面 (DH)及量子井(QW)

構造，效率更為提高。由於 AlGaInP 紅光 LED 在高溫與高溼環境下，

其壽命試驗結果優於 AlGaAs LED，未來有逐漸取代 AlGaAs 紅光

LED 的趨勢。

GaInN 適合於高亮度深綠、藍、紫及紫外光 LED，以高溫 MOVPE

磊晶法量產，元件也使用雙異質接面 (DH)及 量子井(QW) 構造，可

達效率比前兩者高。日本日亞公司是第一家在 GaInN/GaN 磊晶技術

上有所突破者，目前技術仍遙遙領先全世界，所生產波長 450nm 的

藍光 LED 及 520nm 的純綠色 LED，亮度分別為 2cd 與 6cd 以上，並

且掌握自材料生長至元件結構之大部分專利所有權。

白光 LED 乃是日本日亞公司於 1996 年所發展出的產品，於 1998

年 4 月其光電轉換效率已提昇至 15 流明/瓦，略高於傳統燈泡，以常

見照明燈具之開發歷程來看，白光 LED 未來於照明產業之應用極具

潛力。

由於氮化鋁鎵銦材料的開發成功，使得發光二極體得以產生白

光，產生白光的方式有下列三種：

利用紅、綠、藍三種發光二極體調整其各別亮度來達到白光，而

為了或得白光，紅、綠、藍的亮度比 3：6：1。或只利用紅、綠或藍

7

黃兩顆 LED 調整其各別亮度來發出白光。但缺點是價格較貴，難以

推展。利用藍色 InGaN 的 LED 去激發黃色的螢光粉或利用綠色的

InGaN 去激發紅色的螢光粉。

日亞化學公司於 1996 年推出的白色 LED 即是屬於此類，乃將藍

光的 LED 與 YAG 螢光物質放在一起，以藍光激發螢光物質，其發出

的光譜即為白光，可以知道，藍光強度高、頻寬窄；而 YAG 所發出

的螢光偏黃綠光，強度較弱、頻寬較寬。利用紫外光的 GaN 的 LED

去激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生白光。

傳統照明燈具的問題，如白熾燈泡雖便宜但有發光效率低、高耗

電、壽命短、易碎等缺點。而日光燈雖很省電但其廢棄物具有汞污染、

易碎 等問題。相對而言，符合節能環保安全的白光 LED，因是屬於

化合物半導體的一種，其比較【表 1-1】為白光 LED 亮度亦不斷地在

提昇當中。

藍光 LED 典型以氮化鎵為主，【圖 1-1】為使用 Sapphire 為基板，

由於沒有晶格相匹配的基板可供給 GaN 生長，故先以低溫成長的一

氮化鋁(AlN)做為緩衝層，使之晶格匹配。即可在藍寶石(AlO3)基板

上成長高品質的 GaN。而我們的主動層為未摻雜的 GaxIn1-xN，即是

我們藍光所產生的地方，它是介於兩個較大能隙的半導體中間，一個

是 p 型的 AlxGa1-xN 層，另一個是 n 型的 GaN 層。當我們從 p 型

8

電極通入電流後，經由透光的 p 電極均勻地散佈電流，使充分的電

子能與電洞在主動層復合過程中進而發出光，效率約為 5 lm/W，普

遍使用在手機按鍵。

1.標準結構

因為 Sapphire 為絕緣材料並不導電，因此 P、N 兩極需鍍於同側

方能導電；之後在表面再覆蓋上一層 TCL（Transparent Contact Layer）

NiAu，使得電流能夠擴散，這種結構可以長出低亮度藍光 LED，效

率約為 25 lm/W，【圖 1-2】為標準結構和 ITO top 結構和表面粗糙化

結構，晶電則將 TCL 採用 ITO，使發光效率由約 25lm/W 增加到

40lm/W，粗化後再增為 60lm/W，ITO 也成為高亮度藍光的代表。

2. ITO top 結構

不過 NiAu 會造成遮光，晶元光電遂把 TCL 換成用銦錫氧化物

ITO (Indium Tin Oxide) )當電流傳輸層，使得發光效率提升為 180％，

成為高亮度藍光 LED，這種結構效率約為 40 lm/W，如【圖 1-2】。

3.表面粗糙化結構

之後再進一步將表面層(p-cladding)做粗化處理，主要是破壞表面

全反射角使光可以被取出來，【圖 1-3】和【圖 1-4】為發展出 Venus，

亮度可再提升 10∼20％。ITO 也成為高亮度 LED 的代表，這種結構

9

效率約為 60 lm/W，【圖 1-2】。

4. 圖型化結構

由於藍寶石基板與 GaN 磊晶層的晶格常數相差許多，使得磊晶

層與藍寶石基板的介面處會產生許多的晶格缺陷與張力作用，而這些

不好的現象可能導致些許電流流經晶格缺陷處，此處載子將以非輻射

復合的方式來產生熱，而非產生光，這樣將使元件的發光效率降低而

張力作用可能使磊晶層產生龜裂。因此，可以利用蝕刻的技術讓藍寶

石基版產生一些空洞，來使部分晶格與晶格間的鏈結強度趨於平緩。

如此便能使磊晶層與藍寶石基板能更緊密的結合也能降低晶格缺陷

的密度。而缺陷密度的降低，將使更多電流平均分佈於主動層，使得

載子復合機率變高，這樣將可增加元件的發光效率 5~10%，【圖 1-5】

為圖形化藍寶石結構圖。

本研究所欲製造之高反射率薄膜即是啟發於現正蓬勃發展之發

光二極體的藍寶石基板，搭配未來潛力十足之光學薄膜科技應用，利

用以銀材料所具備如高反射率等特性為主體，搭配現有之鍍膜技術製

備高反射鏡於藍寶石基板背面，期望能提高藍光二極體之發光效率，

並運用在白光上可以增加其發光強度，【圖 1-6】為製備高反射鏡於

藍寶石基板背面結構圖。

10

第二章 文獻回顧

2.1 光學薄膜的種類

光學薄膜(optical thin films)是一類重要的光學元件。這一領域主

要有以下幾方面的內容﹕薄膜的光學性質、力學性質以及其他有關性

質的研究﹔薄膜的生長、薄膜的結構以及它們對薄膜性質的影響﹔光

學薄膜元件的設計、製備及其性能的測試等。

主要的光學薄膜器件包括反射膜、減反射膜、偏振膜、干涉濾光

片和分光鏡等等。它們在國民經濟和國防建設中得到了廣泛的應用，

獲得了科學技術工作者的日益重視。例如採用減反射膜後可使複雜的

光學鏡頭的光通量損失成十倍地減小﹔採用高反射比的反射鏡可使

激光器的輸出 功率成倍提高﹔利用光學薄膜可提高硅光電池的效率

和穩定性。

從精密及光學設備、顯示器設備到日常生活中的光學薄膜應用；

比方說，平時戴的眼鏡、數位相機、各式家電用品，或者是鈔票上的

防偽技術，皆能被稱之為光學薄膜技術應用之延伸。倘若沒有光學薄

膜技術作為發展基礎，近代光電、通訊或是雷射技術發展速度，將無

法有所進展，這也顯示出光學薄膜技術研究發展重要性。

一般來說，要使用多層薄膜時，必須根據設計者需求，藉用高低

折射率薄膜堆疊技術，做為各類型光學薄膜設計之用，才能達到事先

11

預期後評估的光學特性。比方說：抗反射鏡、高反射鏡、分光鏡、截

止濾光鏡、帶通濾光鏡、帶止濾光鏡等；而在電腦分析軟、硬體發展

健全的今日，不僅使光學薄膜在設計上變得更為便捷，且光學薄膜技

術研究發展也將更為快速。

光學薄膜最主要關鍵問題，在於薄膜鍍膜技術技術的改善？這關

係到要如何精準地掌控每一層薄膜厚度與折射率，才能獲得預期光學

性質和機械特性，甚至在製程量產化及成本降低都有其助益。另外，

包括：薄膜材料開發（包括：材料測試、化學純度、材料創新、材料

型式）、先進鍍膜技術開發（包括：真空鍍膜機、監控技術）及薄膜

的量測分析（膜層設計、厚度誤差分析技巧）等，都是光學薄膜工程

上所要面對到的首要課題。

不過，在光學薄膜技術應用上，由於技術本身被歸納為廣泛應用

性質，不容易以某一或單一產品作為載具並加以區分；因此，在光學

薄膜產品技術，最終應用則是在眾多光學元件上，若以光學元件各個

相關應用市場來探究，更可看出主要附加價值與相關性。【表 2-1】

所示。

就像一般所配載的眼鏡，運用了光學薄膜的鍍膜技術便能降低眼

鏡反射率，使它具有更高穿透率，而抗紫外線鏡片及抗紅外線鏡片，

也都是光學薄膜技術的應用。而在光通訊、顯示器、照明、節能…等

12

方面，也可以應用光學薄膜技術，例如，尖端技術基礎的研究及應用，

則需要較小、較為精緻型元件，使產品變得更輕薄短小。換句話說，

只要有運用到光學元件之處，都可以利用光學薄膜改善它的品質和技

術，使產品變得更完善，並與生活息息相關。

光學薄膜的技術與理論雖然起源已久，然而隨著相關科技環境迅

速提升與成長，如何使光學薄膜技術得以創新，將是從事光學薄膜技

術者尚須追求的目標。目前，台灣廠商專注於 OEM 以下階段技術及

塑膠鍍膜廠商，但在光學品質可靠性上，仍必須持續提升。至於 OEM

以上等級的光學鍍膜技術，例如：雷射鏡片雖亦有廠商投入研發，只

在量產上則仍不易達到。因此，台灣廠商一旦能儘早於新的光學薄膜

技術開發方面大力投入，將有助於在整體光學元件市場上取得重要的

契機，並建立完整光學產業結構根基，因此利用別種材料若及早開發

高反射鏡，並降低元件價格如嘗試製作藍寶石材料為底材之高反射

鏡，將可以獲得很大的市場競爭力。

在文獻中可找到的論文大都以玻璃基版或矽基板上如何製做及

設計抗反射膜、反射膜及濾光膜包含反射率或穿透率等為主要研究對

象，因此大部份之文獻皆稱此種元件為”光學薄膜製程元件”。首先是

抗反射膜的應用。它增加了光學元件的透射率，使雙筒望遠鏡能看得

更清楚，使進入偵器的光信號強度增加。這在紅外線光學系統中表現

13

得更為明顯。其次是金屬反射膜的應用。它使反射式望遠 鏡變得非

常易行有用。它在改變光的路徑，如潛望鏡，它使在隱藏中 觀測敵

情變成非常簡單。第二次世界大戰後，由於飛彈的開發，各種 光網

及紅外光濾光膜的研製變得非常重要，不但薄膜設計上有了很大 的

進展，薄膜材料的開發上也有很大的進步。待雷射發明後，工業科技

及軍事科技上 對光學薄膜的需求更是有增無減，而且品質要求更

高，種類也更多。

最簡單的光學薄膜模型【26-27】是表面光滑、各向同性的均勻

介質薄層。在這種情況下，可以用光的干涉理論來研究光學薄膜的光

學性質。當一束單色平面波入射到光學薄膜上時，在它的兩個表面上

發生多次反射和折射，反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律

給出，反射光和折射光的振幅大小則由菲涅耳公式確定。相鄰兩反射

或折射光束的位相差 δ為

(1)

上式中 λ 為入射光波長，n 為薄膜的折射率，d 為光學薄膜的幾

何厚度，θ為光在薄膜內部的折射角。

多光束干涉的結果得到光學薄膜的反射係數為

(2)

14

光學薄膜的反射位相變化為

(3)

光學薄膜的反射率為

(4)

式中 r1、r2分別為第一、第二界面的反射係數，在入射角確定的

情況下，界面的反射係數僅由薄膜的光學常數確定，而薄膜的位相差

僅由薄膜的光學厚度決定，這樣光學薄膜的性質也就由光學薄膜的光

學常數和厚度來確定。由式(4)可以看出，當δ 為 π 的整數倍時出

現極值。

實際的光學薄膜一般由幾層、幾十層組成，除了最簡單的情況

外，對光學薄膜的計算要用電子計算機來完成。

光學薄膜的簡單模型可以用來研究其反射、透射、位相變化和偏

振等一般性質。如果要研究光學薄膜的損耗、損傷以及穩定性等特殊

性質，簡單模型便無能為力了，這時必須考慮薄膜的結晶構造、體內

結構和表面狀態，薄膜的各向異性和不均勻性，薄膜的化學成分、表

面污染和界面擴散等等。考慮到這些因素後，那就不僅要考慮它的光

學性質，還要研究它的物理性質、化學性質、力學性質和表面性質，

以及各種性質之間的滲透和影響。因此光學薄膜的研究就躍出光學範

15

疇而成為物理、化學、固體和表面物理的邊緣學科。

光學薄膜已得到很大發展，光學薄膜的生產已逐步走向系列化、

程序化和專業化，但是，在光學薄膜的研究中還有不少問題有待進一

步解決，光學薄膜現有的水平在不少工作中還不能滿足要求，需要提

高。在理論上，不但薄膜的生長機理需要搞清，而且薄膜的光學理論，

特別是應用於極短波段的光學理論也有待進一步完善和改進。在工藝

上，人們還缺乏有效的手段實現對薄膜澱積參量的精確控制，這樣，

薄膜的生長就具有一定程度的隨機性，薄膜的光學常數、薄膜的厚度

以及薄膜的性能也就具有一定程度的不穩定性和盲目性，這一切都限

制了光學薄膜質量的提高。就光學薄膜本身來說，除了光學性能需要

提高，吸收、散射等光損耗需要減少之外，它的機械強度、化學穩定

性和物理性質都需要進一步改進。在激光系統中，光學薄膜的抗激光

強度較低，這是光學薄膜研究中最重要的問題之一。下面介紹幾種常

用的光學薄膜元件。

減反射膜【28-29】

稱增透膜，它的主要功能是減少或消除透鏡、棱鏡、平面鏡等光

學表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統的雜

散光。

16

反射膜【30-34】

它的功能是增加光學表面的反射率。反射膜一般可分為兩大類，

一類是金屬反射膜，一類是全電介質反射膜。此外，還有把兩者結合

起來的金屬電介質反射膜。

金屬膜反射是利用高反射率的金屬的特性，如銀、鋁或金等金屬

都具有其高反射率特性，但依使用波長的範圍仍有所區別，如金金屬

在紅光波段具有高反射率，但在藍光或紫外光波段，反射率下降很

快，表示有吸收現象。

一般金屬都具有較大的消光係數，當光束由空氣入射到金屬表面

時，進入金屬內部的光振幅迅速衰減，使得進入金屬內部的光能相應

減少，而反射光能增加。消光係數越大，光振幅衰減越迅速，進入金

屬內部的光能越少，反射率越高。人們總是選擇消光係數較大，光學

性質較穩定的那些金屬作為金屬膜材料。在紫外區常用的金屬薄膜材

料是鋁，在可見光區常用鋁和銀，在紅外區常用金、銀和銅，此外，

鉻和鉑也常用作一些特種薄膜的膜料。由於鋁、銀、銅等材料在空氣

中很容易氧化而降低性能，所以必須用電介質膜加以保護。常用的保

護膜材料有一氧化硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。金屬反射

膜的優點是製備工藝簡單，工作的波長範圍寬﹔缺點是光損耗大，反

射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進一步提高，可以在膜

17

的外側加鍍幾層一定厚度的電介質層，組成金屬電介質反射膜。需要

指出的是，金屬電介質反射膜增加了某一波長(或者某一波區)的反射

率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點。

全電介質反射膜是建立在多光束干涉基礎上的。與增透膜相反，

在光學表面上鍍一層折射率高於基體材料的薄膜，就可以增加光學表

面的反射率。最簡單的多層反射膜是由高、低折射率的二種材料交替

蒸鍍而成的，每層膜的光學厚度為某一波長的四分之一。在這種條件

下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動方向相同。合成振幅隨

著薄膜層數的增加而增加。【圖 2-1】為反射膜反射率 R 與薄膜層數

關係圖，圖中 3、5、7、9 表示層數給出這種反射膜的反射率隨著層

數而變化的情形。

原則上說，全電介質反射膜的反射率可以無限接近於 1，但是薄

膜的散射、吸收損耗，限制了薄膜反射率的提高。目前，優質激光反

射膜的反射率雖然已超過 99.9％，但有一些工作還要求它的反射率繼

續提高。應用於強激光系統的反射膜，則更強調它的抗激光強度，圍

繞提高這類薄膜的抗激光強度所開展的工作，使這類薄膜的研究更加

深入。

18

2.2 薄膜技術的過程

薄膜的技術最早是用化學鍍膜於在光學元件表面製備保護膜。隨

後，1817 年，Fraunhofe 在德國用濃硫酸或硝酸侵蝕玻璃，偶然第一

次獲得抗反射膜，1835 年以前有人用化學濕選法沉積了銀鏡膜它們

是最先在世界上製備的光學薄膜。後來，人們在化學溶液和蒸氣中鍍

製各種光學薄膜。50 年代，除大快窗玻璃增透膜的一些應用外，化

學溶液鍍膜法逐步被真空鍍膜取代。

自 50 年代以來，光學薄膜主要在鍍膜技術和計算機輔助設計兩

個方面發展迅速。在鍍膜方面，研究和應用了一系列離子基新技術。

1953 年，德國的 Auwarter 申請了用反應蒸發鍍光學薄膜的專利，並

提出用離子化的氣體增加化學反應性的建議。1964 年，Mattox 在前

人研究工作的基礎上推出離子鍍系統。那時的離子系統在 10Pa 壓力

和 2KV 的放電電壓下工作，用於在金屬上鍍耐磨和裝飾等用途的鍍

層，不適合鍍光學薄膜。後來，研究采用了高頻離子鍍在玻璃等絕緣

材料上沉積光學薄膜。70 年代以來，研究和應用了離子輔助沉積、

反應離子鍍和等離子化學氣相等一系列新技術。它們由於使用了帶能

離子，而提供了充分的活化能，增加了表面的反應速度。提高了吸附

原子的遷移性，避免形成柱狀顯微結構，從而不同程度地改善了光學

薄膜的性能，是光學薄膜製造技術的研究和發展方向。

19

薄膜製作的方法有兩種，分別是物理氣象沉積法(PVD)和化學氣

象沉積法(CVD)，本文模擬使用物理氣象沉積法的薄膜生長過程。

物理氣象沉積法有熱蒸發蒸鍍法（ Thermal Evaporation

Deposition）、電漿濺鍍法（Plasma Sputtering Deposition）和離子束濺

鍍法（Ion Beam Sputtering Deposition, IBSD）【11-25】，以上三種蒸鍍

方法的差別在於入射粒子的載能不同，蒸鍍法的入射粒子動能為

0.1ev~2.0ev，而濺鍍法的入射粒子動能則高達 10ev~20ev。

固態的蒸鍍材料經由蒸鍍變為氣態的物質，當飄移至基板的上空

將會以以下兩個主要的過程在基板上形成薄膜：（1）氣態的原子碰撞

基板表面，產生吸附，稱為吸附過程；（2）吸附在基板表面的蒸鍍材

料原子，除了一部分可能通過表面滲透溶入基板中，其餘將進行表面

遷移而重新排列，同時也可能重蒸發，發生脫附，這個過程稱為遷移

過程。在蒸發材料原子的遷移過程中，如果碰到基板表面上另一吸附

原子將形成核，成核的大小與核的穩定性密切相關；在臨界尺寸以下

的核不能穩定存在；大於臨界尺寸的核會不斷地增長為穩定的島。大

量穩定的島隨著吸附原子的不斷加入，最後會連接起來而成為薄膜。

這是薄膜生長基本理論中的島狀生長機制（Volmer-Weber growth

mode），當薄膜原子間的相互作用比薄膜原子與基板原子的相互作用

強時，大多以這種機制形成薄膜。相反地，如果薄膜原子與基板原子

20

的相互作用大於薄膜原子與薄膜原子之間的相互作用時，則採用層對

層的生長機制（Frank-van der Merwe growth mode）形成薄膜。當兩

種作用相近時則依層-島（Stranski-Krastanov）的生長機制成膜，先形

成一單分子層，然後再以島狀生長。

實驗上發現如果基板的溫度較低、入射原子斜向入射、沉積的速

度過快及入射原子的動能較低時，將會使得薄膜在形成時，生長的機

制由層對層的生長機制轉為島狀生長機制，而使得膜層空隙度增加，

表面粗操度增加。

而不論是利用那種鍍膜方法，理想中的光學薄膜在光學的特性上

須具備膜質均勻、沒有光的吸收與散射，機械性質須具有附著力強、

硬度高、耐磨。但實際上卻是非常難以達到上述之特性，主要是因為

薄膜微結構會造成薄膜特性的差異，而影響這些微結構的重要參數就

取決於薄膜的製程參數上。

界面之間的鍵結是影響薄膜附著力的一個主要因素。因此可藉由

對基板表面性質作改質，來增加基板和薄膜間的鍵結強度以增加鍍膜

的可靠性。利用電漿處理或是離子束轟擊作表面改質正是達到此種效

應有潛力的方法，主要的機制就是在表面形成新的化學物質，而與隨

後覆蓋的薄膜產生鍵結。

不同製鍍的方法技巧 (包括熱電阻加熱蒸鍍法、電子槍蒸鍍法、

21

離子濺鍍法等)，來改善薄膜的各種性質，包括光學、物理及化學性

質，其中以光學性質為首要考量。舉例來說，當薄膜的消光係數 k

小於 10-4

order 時，或吸收係數小於 10-3

(cm-1

)時，我們才能將其視為

一弱吸收介電質光學薄膜材料。此外，我們也希望能有大量折射率不

同的光學薄膜材料，而且折射率值差距愈大愈好，使我們在設計各種

光學薄膜時有更大的彈性。

對於材料的選擇、真空度、鍍膜方法、膜沈積速度、基版溫度、

加熱區域及方法、製鍍後之測量等，都是在製鍍紫外光或可見光或紅

外光區薄膜時應相當注意的地方。

本研究之目的主要是針對 Ti、Cr、Ag、AuSn 與 Al2O3單層薄膜

在藍寶石基板的附著和光學特性，改變不同結構之搭配組合多層薄

膜，來探討其與沉積厚度、光學性質及薄膜微結構之關係，並調整不

同結構之搭配組合薄膜厚度，期望得之最佳製程參數結構能應用在藍

寶石基板上反射膜製鍍上，並搭配(林美鈴同學之論文剪力強度結果)

做比較。

22

第三章 實驗設備與實驗步驟

本章節在陳述金屬鍍層基板，從基板研磨製作和金屬鍍層到最後

鍍層的反射率和穿透率測試與微端面觀察等三種步驟的過程。

一般而言，大都以玻璃基版或矽基板上如何製做及設計抗反射

膜、反射膜及濾光膜包含反射率或穿透率等為主要研究對象。

本研究以銀金屬及其它材料如鈦、鉻、氧化鋁、錫金【35-49】

與藍寶石基板【50-53】做高反射及微端面觀察為主要研究，同時以

玻璃基板當作參考基準，並在上面鍍相同薄膜之結構，與藍寶石基板

做比較，而尋求最佳之薄膜的結構組合之各項性質、條件（尤其是其

反射率及穿透率）及其光譜儀測試為論文之重點。之後研究則是將重

點放於結構之相互間之結合強度及金相分析，而尋求具最佳化之組合

之各項性質、條件（尤其是結合強度）並搭配拉伸試驗機測試為論文

之重點(由林美玲同學負責)。【圖 3-1】為實驗流程圖。

第一部份是將藍寶石基板做研磨拋光至厚度到 90µm 之薄片，利

用電子束物理蒸鍍的行為在薄的藍寶石基板背面及玻璃片上同時鍍

上鈦/銀/錫金、鉻/銀/錫金、氧化鋁/銀/錫金等鍍層，尋找最佳反射率

之組合。因銀金屬不易與其它材料結合，因此第二部分，則是後處理

切成試片做鑲埋，並研磨拋光使得各膜層之間更清楚並分析其結構，

23

將各結構做不同組合之試片貼合，最後第三部分，將尋找最佳結合強

度之組合，如此可找到最佳的結合強度及最佳的反射率特性。

3.1 藍寶石基板的研磨拋光製作

3.1.1 製作設備

本實驗中所採用的實驗設備如下：（1）藍寶石基板，由晶向科

技所生產的藍寶石基板，為一般藍光用的2吋基板【圖3-2】，厚度約

0.43 mm，且正面是拋光鏡面和背面非鏡面；（2）研磨治具盤【圖3-3】，

可以維持製程的平整度；（3）全自動上蠟機【圖3-4】；（4）臥式

精密研磨機【圖3-5】；（5）精密拋光機【圖3-6】；（6）鑽石研磨

液。

3.1.2 研磨拋光的過程

基板研磨拋光製作步驟如下:

A. 將研磨治具置於加熱盤上加熱至攝氏 150 度，把臘條置於研磨治

具上方使它溶化約 3 分鐘，並將藍寶石基板用真空吸盤吸取，加壓置

放臘液上，移動研磨治具離開加熱盤上使其冷卻，將研磨治具放置粗

磨研磨機上做研磨.並加鑽石液做為研磨液體，直到厚度至 120µm

時。再將研磨治具放置拋光研磨機上做拋光.並加鑽石液做為拋光液

體，直到厚度至 90µm。這一階段的拋光是為了能夠在藍寶石基板表

24

面產生好的平整度，此步驟可加強披覆物能在基板表面有更強的機械

性附著力，而不會輕易脫落且透光性可以提高。此部份應注意拋光時

間的控制，藉此達到最佳的成效。

B. 拋光程序完成的藍寶石基板，浸泡於去臘液中，並用丙酮去脂且

清潔基板表面後用去離子水液體做清洗，此步驟是為了將藍寶石基板

表面的臘完全去除並清潔表面與空氣隔絕，以免造成藍寶石基板表面

的氧化，而影響基板表面。

3.2 金屬鍍層的製作

3.2.1 製作設備

本實驗中所採用的實驗設備如下：（1）ACE、IPA 等有機溶液

做為清洗之用；（2）去離子水，可以去除表面殘留離子溶液；（3）

低壓氮氣，可以將基板表面水份吹乾；（4）蒸鍍靶材，鈦和鉻和銀

和氧化鋁和錫金等材料，做為鍍層材料；（5）電子鎗蒸鍍機，做為

薄膜材料蒸發系統，【圖 3-7】為電子鎗蒸鍍機圖，【圖 3-8】為真

空系統示意圖，包含了真空系統、薄膜材料蒸發系統、及監控系統。

真空系統真空度可達 10-7torr。以電子鎗(E-Gun)提供蒸鍍材料動能所

組成的薄膜材料蒸鍍系統，電子鎗為 ULVAC 之 EGC-10S 型，電子

掃描方式由 Programmable Sweep 控制，操作電壓為 7KV，操作電流

25

為 0 到 400mA，【圖 3-9】為電子鎗蒸鍍系統示意圖，【圖 3-10】

為電子鎗蒸鍍的坩堝和電子槍示意圖。使用石英監控，石英監控可達

厚度誤差為 2-3%。

石英振盪測厚儀(Quartz Crystal deposition Monitor)來監控薄膜的

厚度與蒸鍍速率，第一次樣品製成後再用橢圓偏振儀校正厚度，以確

保往後蒸鍍時石英震盪測厚儀的準確性。

Tooling 校正參數=材料參數 x 膜厚計讀出之厚度/ 樣品實際厚度

石英震盪測厚儀的原理，主要是利用石英共振頻率 f 與其質量成

反比的原理，來測定其膜厚。當石英震盪片上鍍上膜厚 ∆d 後其震盪

頻率減少 ∆f，因此可由 ∆f 反求出 ∆d 值。

3.2.2 金屬鍍層的過程：

金屬鍍層製作步驟如下:

一、晶片清洗(wafer cleaning)

首先將藍寶石基板依序放入 ACE、IPA 等有機溶液中以超音波

(ultrasonic)震盪清洗，並以去離子水沖洗後，利用低壓氮氣(LN2)吹

乾。

二、蒸鍍設備

將所須之乾淨薄膜材料放置再在蒸鍍機之坩鍋上，再將清洗好之

藍寶石基板，置放在蒸鍍機之轉鍋上，並確認蒸鍍機內部是乾淨，並

抽真空到 3x10^-6 torr 時，表現已達到高真空狀態，可以開始蒸鍍，

針對不同材料之蒸鍍條件如下:

26

A. 蒸鍍鈦金屬時,靶材須先做預溶動作，且電子束能量在 10%，蒸鍍

速率 2Å /S。

B. 蒸鍍銀金屬時,靶材須先做預溶動作，且電子束能量在 10%，蒸鍍

速率 5 Å /S。

C. 蒸鍍鉻金屬時,靶材不須做預溶動作，且電子束能量在 2%，蒸鍍

速率 2 Å /S。

D. 蒸鍍氧化鋁時,靶材不須做預溶動作，且電子束能量在 5%，蒸鍍

速率 2 Å /S。

E. 蒸鍍錫金金屬時,靶材不須做預溶動作，且電子束能量在 5%，蒸

鍍速率 5 Å /S 。

3.3 後處理

後處理製作步驟如下:可分為三種方法，切成試片做鑲埋處理及

研磨拋光處理和試片貼合處理，這三種方式各有利弊，我們可以需求

來做最適當的選擇。

A. 切成試片做鑲埋法

已完成蒸鍍在藍寶石基板上之薄膜，切成試片做鑲埋法，此種方

法可快速的將其鑲埋。步驟如下:

（a）以鑽石刀切割 1 小試片要做鑲埋處理。

27

（b）將小試片放入和固定在鑲埋治具內，並灌膠於鑲埋治具內。

（c）經過自然凝固硬化後。

B. 研磨拋光處理法

將已經完成鑲埋後之試片，後續處理程序是將試片放在研磨拋光

機上以鑽石液當研磨液，在研磨拋光後，將試片進行分析。【圖 3-11】

C. 試片貼合處理法

已完成蒸鍍在藍寶石基板上之薄膜，切成試片做貼合處理法，此

種方法可快速的將其貼合。步驟如下:

（a）以鑽石刀切割成小試片。

（b）將不同結構之小試片，以錫當接著劑加熱互相貼合在一起，貼

合面積約長度 0.5~1 公分*寬度 0.5~1 公分左右的尺寸。

（c）將貼合後之試片進行分析。

3.4 鍍層觀察與光譜檢測

鍍層觀察與光學測試方面，主要為觀察鍍層與測試鍍層之反射率

和穿透率之各項性質，由其反射率為主要重點。此部份也可分成三個

步驟進行：

3.4.1 鍍層觀察

（a）SEM 結構觀察：

28

使用場發射掃描式電子顯微鏡是觀察鍍層顯微結構之常用之儀

器【圖 3-12】，因其儀器可具有高倍率之鑑別率，因此初步的觀測

可以藉此儀器來觀察。而且試片之準備也不是十分困難，所以擁有強

大的應用性。

（b）EDAX 成份分析觀察：

利用 SEM 儀器其上附有的化學元素分析器，亦可分析鍍層上微

小區域之化學成份分析（EDAX）【圖 3-12】。

3.4.2 光譜檢測

（a） 光譜儀之量測

實驗中所使用的光譜儀是 HITACH 公司製造，U-4100 型的光譜

儀，如【圖 3-13】所示。其功用包括 1.穿透率的量測，2. 5 度角反射

之量測，3.散射率之量測。掃描波長範圍由 300nm-1600nm。量測範

圍涵蓋紫外光、可見光及紅外光區域。穿透率量測是使用雙光束工作

原理，一是參考光束，以空氣為參考並校正其值為 100%，另一為測

量樣品之光束，實驗樣品為藍寶石基板和上面之單層或多層金屬鍍層

之組合結構，量測時先執行基線校正穿透率，使兩光束之比為 Ib/Ir。

再將待測薄膜放入光譜儀中，使兩光束之比為 Is/Ir，經電腦算出每一

波長之 Is/Ib 值，並於螢幕顯示光譜圖。反射率量測是使用單光束工

作原理，先以鋁鏡為校正片並校正其值為 100%，之後測量樣品之反

29

射率以鋁鏡做為基準比較其相對值，實驗樣品為藍寶石基板和上面之

單層或多層金屬鍍層之組合結構。

我們利用所量得之穿透率相對波長之光譜圖，並找出薄膜在各個

波長上穿透率之值。

在理論基礎是控制折射和反射的百分比，使用高低折射材料將金

屬 coating 在鏡頭上(依照不同的光譜規格和要求)。簡單說就是提高

透光性，鍍膜的折射率通常計算後約 8%。若是由介質 n1 垂直入射

至 n2，【圖 3-14】為光入射透鏡圖

反射率＝[ (n2－n1) / (n1+n2) ]^2

穿透率＝4n1n2/ (n1+n2)^2

鍍膜厚度反射光A與反射光B相差 nc×2D的光程差。如果 nc×2D

＝（N+ 1/2）λ其中 N= 0，1，2，3，4，5，λ為光在空氣中的波長，

會造成該特定波長的反射光有相消的效應，因此反射光的顏色會改

變。

3.4.3 表面粗糙度之量測：

表面粗糙度之量測是使用膜厚量測儀為 Detak-300型，Detak 的

量測方式是以機械傳動的方式，讓探針由鍍膜區域掃向未鍍膜區域，

藉由薄膜與基板表面之高低差，計算求得薄膜厚度，【圖3-15】為

Detak 膜厚量測儀圖和【圖3-16】為Detak 膜厚量測儀動作之示意圖。

30

第四章 實驗結果與討論

本章節將就實驗的結果，分成四部分來討論，包括了第一部份：

藍寶石基板研磨拋光後的觀察與討論，探討研磨表面粗糙情形、研磨

厚度的關係；第二部份：鈦鍍層及鈦-銀-錫金鍍層的觀察與討論，探

討鍍層表面情形、鍍層厚度及其與反射率和穿透率間在二種基板(藍

寶石基板和玻璃)材料上的關係；第三部分：鉻層及鉻-銀-錫金鍍層的

觀察與討論，探討鍍層表面情形、鍍層厚度及其與反射率和穿透率間

在二種基板(藍寶石基板和玻璃)材料上的關係；以及第四部分：氧化

鋁層及氧化鋁-銀-錫金鍍層的觀察與討論，探討鍍層表面情形、鍍層

厚度及其與反射率和穿透率間在二種基板(藍寶石基板和玻璃)材料

上的關係；最後尋求最佳之薄膜的結構組合之各項性質、條件（尤其

是其反射率及穿透率）及其光譜儀測試為之重點。

4.1藍寶石基板研磨拋光後的觀察

【表4-1】為厚度430µm未研磨之表面粗糙情形、【表4-2】為厚

度90µm研磨後之表面粗糙情形，由表面粗糙度掃瞄儀可以得知，厚

度430µm未研磨之表面粗糙情形，正面為鏡面，是因為磊晶所需高均

勻性之平整度值，抽測5點位置如【圖4-1】所示，其粗糙度值約19 Å，

【圖4-2】為厚度430µm未研磨之正面粗糙情形，厚度430µm未研磨之

31

表面粗糙情形背面為粗糙面，其粗糙度值約22207Å，【圖4-3】為厚

度430µm未研磨之背面粗糙情形，是因為晶粒製程到後段時，還需研

磨成薄片厚度，可以減少藍寶石基板吸光問題，當藍寶石基板背面經

研磨拋光後，厚度從430µm變成90µm後之表面粗糙情形，正面仍為

鏡面，所以其粗糙度值約19 Å，背面為研磨拋光後，其粗糙度值約212

Å，所以在設計第一層薄膜厚度須大於表面粗糙度，故設計厚度為

0.3KÅ和0.6KÅ，【圖4-4】為厚度90µm研磨後之背面粗糙情形，【圖

4-5】為厚度90µm研磨後之背面外觀情形且表面粗糙度。

4.2 基板反射率和穿透率的觀察

從【圖4-6】之反射率校正圖、【圖4-7】之穿透率校正圖，由光

譜儀測試可以得知，反射率標準校正片是以鋁鏡為主，所以校正後值

為100%，且掃瞄波長範圍從300nm到1600nm，穿透率標準校正片是

以空氣為主，所以校正後值為100%。

4.2.1 藍寶石基板

【圖4-8】為藍寶石基板和反射率校正圖、及【圖4-9】為藍寶石

基板和穿透率校正圖，由光譜儀測試可以得知，反射率值約在13.1%

左右，理論值是13.4%，穿透率值約在91.3% 左右，理論值是93.2%，

且掃瞄波長範圍從300nm 到1600nm。

32

從理論上公式計算得知反射率如下:

公式: 反射率 R＝[ (n2－n1) / (n1+n2) ]^2

Sapphire n2=1.7，air n1=1

R=((1.7-1)/(1.7+1))^2=0.067= 6.7%

sapphire 有兩個面，所以 R 是 13.4% .

從理論上公式計算得知穿透率如下:

公式: 穿透率 T＝4n1n2/ (n1+n2)^2

Sapphire n=1.7 ， air n1=1

T=(4*1*1.7/(1.7+1)^2)=0.932= 93.2%

4.2.2 玻璃基板

【圖4-10】為玻璃基板和反射率校正圖、及【圖4-11】為玻璃基

板和穿透率校正圖，由光譜儀測試可以得知，反射率值約在8~9% 左

右，理論值是8%，穿透率值約在91~92% 左右，理論值是96%，且掃

瞄波長範圍從300nm 到1600nm。

從理論上公式計算得知反射率如下:

公式: 反射率 R＝[ (n2－n1) / (n1+n2) ]^2

Glass n2=1.5，air n1=1

R=((1.5-1)/(1.5+1))^2=0.04= 4%

sapphire 有兩個面，所以 R 是 8%

從理論上公式計算得知穿透率如下:

33

公式: 穿透率 T＝4n1n2/ (n1+n2)^2

Glass n2=1.5，air n1=1

T=(4*1*1.5/(1.5+1)^2)=0.96= 96%

4.3 單鍍層反射率和穿透率的觀察

4.3.1 鈦金屬鍍層

由【圖4-12】為鍍鈦厚度0.3KÅ和0.6KÅ在藍寶石基板所得之反

射率圖、【圖4-13】為鍍鈦厚度0.3KÅ和0.6KÅ在玻璃基板所得之反

射率圖及【圖4-14】則為鍍鈦厚度0.3KÅ和0.6KÅ在藍寶石基板所得

之穿透率圖、【圖4-15】為鍍鈦厚度0.3KÅ和0.6KÅ在玻璃基板所得

之穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，鈦鍍層在二種基板上結果是不

同，在玻璃基板之反射率比藍寶石基板高，在玻璃基板之穿透率比藍

寶石基板高，且鈦鍍層可以均勻的附著於基板表面。參考供應廠商所

提供的資料，電子束蒸鍍鈦的鍍層生成速度較慢約1Å/sec，並在室溫

25℃的溫度下，蒸鍍鈦的鍍層約5分鐘時間，可得約0.3KÅ的鈦鍍層

厚度，蒸鍍鈦的鍍層約10分鐘時間，可得約0.6KÅ的鈦鍍層厚度，又

鈦鍍層的鈦蒸鍍速度與溫度成明顯的正比，所以溫度越高時，鈦鍍層

的生成速度越快；但由於溫度若太高，會形成氧化鈦層，且特性就從

導電層變成為絕緣層，由於本實驗鍍鈦的主要目的是當作後續鍍銀製

程之附著層，選定5分鐘的鍍鈦時間則為取得較薄之鈦鍍層，並能形

34

成薄膜；【圖4-12】~【圖4-15】為電子束蒸鍍鈦鍍層厚度0.3KÅ和0.6KÅ

在玻璃基板和藍寶石基板所得之反射率和穿透率圖，結果顯示鈦鍍層

厚度0.6KÅ比0.3KÅ所得之反射率高，但相對的穿透率則較低，而且

鍍層厚度可以提高反射率，但穿透率也因此下降，鍍層外觀顏色變成

不太透明，用金屬鑷子去刮抹鈦鍍層藍寶石基板表面，不會有剝落的

情形產生，顯示鈦鍍層可以以一定的附著力附著於藍寶石基板表面，

且可以均勻的鍍上藍寶石基板表面；而從鈦鍍層表面可以觀察到，鈦

鍍層的表面平整光滑，且表面帶有金屬光澤，呈現暗灰色的狀態。根

據李正中之研究結果【12】，為了增加銀金屬附著在基板上，及降低

材料間所造成的鍍層剝落，在選擇金屬鍍層的材質時，需選擇楊氏模

數（Young modulus）、包松比（Poisson ratio）和熱膨脹係數（the volµme

coefficient of heat expansion）較小的，而鈦和鉻和氧化鋁正符合這些

條件，所以如果將鈦事先鍍在藍寶石基板上，之後再將欲鍍材料鍍於

在鈦鍍層上，可望獲得較佳的附著效果，也可解決銀金屬無法直接鍍

在藍寶石和玻璃基板上的問題。

4.3.2 銀金屬鍍層

【圖4-16】為鍍銀厚度1kÅ和5kÅ和10kÅ在藍寶石基板所得之反

射率圖、而【圖4-17】則為鍍銀厚度1kÅ和5kÅ和10kÅ在玻璃基板所

35

得之反射率圖及【圖4-18】為鍍銀厚度1kÅ和5kÅ和10kÅ在藍寶石基

板所得之穿透率圖、而【圖4-19】則為鍍銀厚度1kÅ和5kÅ和10kÅ在

玻璃基板所得之穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，銀鍍層在二種基

板上結果是不同，在玻璃基板所測得之反射率比藍寶石基板高，且在

玻璃基板所測得之穿透率也比藍寶石基板高，另外銀鍍層不容易附著

於藍寶石基板表面。參考供應廠商所提供的資料，電子束蒸鍍銀的鍍

層生成速度較快約5Å/sec，並在室溫25℃的溫度下，蒸鍍銀的鍍層約

4分鐘時間，可得約1kÅ的銀鍍層厚度，蒸鍍銀的鍍層約17分鐘時間，

可得約5kÅ的銀鍍層厚度，蒸鍍銀的鍍層約34分鐘時間，可得約10kÅ

的銀鍍層厚度，又銀鍍層的銀蒸鍍速度與溫度成明顯的正比，所以溫

度越高時，銀鍍層的生成速度越快；但由於溫度若太高,會形成氧化

銀層，且特性就從導電層變成為有些絕緣層，且容易跟氧反應而硫化

產生黑色粒狀生成物並破壞均勻的膜，使反射率下降，所以希望鍍率

要快，表面溫度才不會升高，由於本實驗鍍銀的主要目的是當做反射

層，也是本實驗的主要重點，而鍍錫金在於後續的封裝黏著製程，選

定5分鐘的鍍銀時間為取得較薄銀鍍層，並能形成薄膜；【圖4-16】~

【圖4-19】為電子束蒸鍍銀鍍層厚度1kÅ和5kÅ和10kÅ在玻璃基板和

藍寶石基板所得之反射率和穿透率圖，在玻璃基板上銀鍍層厚度1kÅ

和5kÅ和10kÅ反射率相對鋁鏡校正片值高於4%，因為理論值在波長

36

450nm時銀金屬反射率約97.1%，而鋁金屬反射率約92.2%，所以銀金

屬比鋁金屬反射率高於5%，這是合理論值，但穿透率幾乎為0%，主

要是銀鍍層厚度1kÅ以上時不會有光穿透過膜層，所以銀可以用來當

反射鏡面，且可以均勻的鍍上玻璃基板表面；而從銀鍍層表面可以觀

察到，銀鍍層的表面平整光滑，且表面帶有金屬光澤，呈現光亮的銀

色的狀態，用金屬鑷子去刮抹銀鍍層玻璃基板表面，有剝落的情形產

生，顯示銀鍍層無法直接的附著於玻璃基板表面。

在藍寶石基板上銀鍍層厚度1kÅ和5kÅ和10kÅ反射率幾乎相

近，但低於100%，所以比校正片鋁還低，主要是因為藍寶石基板的

正面是拋光面非常平整但背面拋光不是平整，也造成銀鍍層在上面也

不平整，所以在波長460nm時反射率剩下約50% 左右，但穿透率幾

乎為0%，主要是銀鍍層厚度1kÅ以上時不會有光穿透過膜層，銀鍍層

的表面不平整光滑，且表面帶有金屬光澤，呈現較暗的銀色的狀態，

用金屬鑷子去刮抹銀鍍層藍寶石基板表面，有剝落的情形產生，為解

決此項問題，可將附著層事先鍍在藍寶石基板上，之後再將銀鍍材料

鍍於在其上，可望獲得較佳的附著效果，也可解決銀金屬無法直接鍍

在藍寶石和玻璃基板上的問題。

37

4.3.3 錫金金屬鍍層

【圖4-20】為鍍錫金厚度30kÅ在藍寶石基板所得之反射率圖、【圖

4-21】為鍍錫金厚度30kÅ在玻璃基板所得之反射率圖及【圖4-22】為

鍍錫金厚度30kÅ在藍寶石基板所得之穿透率圖、【圖4-23】則為鍍錫

金厚度30kÅ在玻璃基板所得之穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，

錫金鍍層在二種基板上結果也是不同，在玻璃基板之反射率比藍寶石

基板高，在玻璃基板之穿透率和藍寶石基板一樣，且錫金鍍層可以均

勻的附著於基板表面。參考供應廠商所提供的資料，電子束蒸鍍錫金

的鍍層生成速度較快約10Å/sec，並在室溫25℃的溫度下，蒸鍍錫金

的鍍層約10分鐘時間，可得約5kÅ的錫金鍍層厚度，間隔10幾分鐘，

主要是先讓溫度下降後，再蒸鍍一次,共重覆6次，直到錫金的鍍層約

30kÅ 的厚度，又錫金鍍層的錫金蒸鍍速度與溫度成明顯的正比，所

以溫度越高時，錫金鍍層的生成速度越快；但由於溫度若太高,會形

成氧化錫層，且特性改變及成份比率也不準，造成固晶時不穩定，所

以希望鍍率要快，表面溫度才不會升高，由於本實驗鍍錫金的主要目

的是在利於後續的固晶製程，當做黏著層，選定30kÅ 的厚度錫金為

取得較厚錫金鍍層，並在固晶時能均勻接合；【圖4-20】~【圖4-23】

為電子束蒸鍍錫金鍍層厚度30kÅ在玻璃基板和藍寶石基板所得之反

射率和穿透率圖，在玻璃基板上當錫金鍍層厚度為30kÅ時，使用波

38

長460nm時反射率可達55%，但穿透率幾乎為0%，主要是錫金鍍層厚

度30kÅ時不會有光穿透過膜層，且可以均勻的鍍上玻璃基板表面；

而從錫金鍍層表面可以觀察到，錫金鍍層的表面平整光滑，且表面帶

有金屬光澤，呈現光亮的錫金色的狀態，用金屬鑷子去刮抹錫金鍍層

玻璃基板表面，有剝落的情形產生，顯示錫金鍍層無法直接的附著力

附著於玻璃基板表面。

在藍寶石基板上當錫金鍍層厚度30kÅ，且使用波長460nm時所測

得之反射率約為25%，但穿透率幾乎為0%，主要是因為藍寶石基板

的正面是拋光面非常平整但背面拋光不是平整，也造成錫金鍍層在上

面也不平整，主要是錫金鍍層厚度30kÅ時不會有光穿透過膜層，錫

金鍍層的表面不平整光滑，且表面帶有金屬光澤，呈現較暗的錫金色

的狀態，用金屬鑷子去刮抹錫金鍍層藍寶石基板表面，有剝落的情形

產生，顯示錫金鍍層無法直接的附著力附著於藍寶石基板表面。

4.3.4 鉻金屬鍍層

【圖 4-24】為鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在藍寶石基板所得之反

射率圖、【圖 4-25】為鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基板所得之

反射率圖及【圖 4-26】為鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在藍寶石基板所

得之穿透率圖、【圖 4-27】則為鍍鉻厚度 0.3KÅ 和 0.6KÅ 在玻璃基

39

板所得之穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，鉻鍍層在二種基板上結

果是不同，在玻璃基板之反射率比藍寶石基板高，在玻璃基板之穿透

率比藍寶石基板高，且鉻鍍層可以均勻的附著於基板表面。參考供應

廠商所提供的資料，電子束蒸鍍鉻的鍍層生成速度較慢約 1Å/sec，並

在室溫 25℃的溫度下，蒸鍍鉻的鍍層約 5 分鐘時間，可得約 0.3KÅ 的

鉻鍍層厚度，蒸鍍鉻的鍍層約 10 分鐘時間，可得約 0.6KÅ 的鉻鍍層

厚度，又鉻鍍層的鉻蒸鍍速度與溫度成明顯的正比，所以溫度越高

時，鉻鍍層的生成速度越快；但由於溫度若太高,會形成氧化鉻層，

且特性就不是導電層，由於本實驗鍍鉻的主要目的是在利於後續的鍍

銀製程，當做附著層，選定 5 分鐘的鍍鉻時間為取得較薄鉻鍍層，並

能形成薄膜；【圖 4-24】~【圖 4-27】為電子束蒸鍍鉻鍍層厚度 0.3KÅ

和 0.6KÅ 在玻璃基板和藍寶石基板所得之反射率和穿透率圖，且鉻

鍍層厚度 0.6KÅ 比 0.3KÅ 反射率高，但相對穿透率較低，主要是厚

度增加反射率可以提高，但穿透率也因此下降，外觀顏色變成不太透

明，用金屬鑷子去刮抹鉻鍍層藍寶石基板表面，不會有剝落的情形產

生，顯示鉻鍍層可以以一定的附著力附著於藍寶石基板表面，且可以

均勻的鍍上藍寶石基板表面；而從鉻鍍層表面可以觀察到，鉻鍍層的

表面平整光滑，且表面略有金屬光澤，呈現暗褐色的狀態。

40

4.3.5 氧化鋁（Al2O3）金屬鍍層

【圖4-28】為鍍氧化鋁厚度0.3KÅ和0.6KÅ在藍寶石基板所得之

反射率圖、【圖4-29】為鍍氧化鋁厚度0.3KÅ和0.6KÅ在玻璃基板所

得之反射率圖及【圖4-30】為鍍氧化鋁厚度0.3KÅ和0.6KÅ在藍寶石

基板所得之穿透率圖、【圖4-31】則為鍍氧化鋁厚度0.3KÅ和0.6KÅ

在玻璃基板所得之穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，氧化鋁鍍層在

二種基板上結果是不同，在玻璃基板之反射率比藍寶石基板略高，在

玻璃基板之穿透率比藍寶石基板略高，且氧化鋁鍍層可以均勻的附著

於基板表面。參考供應廠商所提供的資料，電子束蒸鍍氧化鋁的鍍層

生成速度較慢約1Å/sec，並在室溫25℃的溫度下，蒸鍍氧化鋁的鍍層

約5分鐘時間，可得約0.3KÅ的氧化鋁鍍層厚度，蒸鍍氧化鋁的鍍層

約10分鐘時間，可得約0.6KÅ的氧化鋁鍍層厚度，又氧化鋁鍍層的氧

化鋁蒸鍍速度與溫度成明顯的正比，所以溫度越高時，氧化鋁鍍層的

生成速度越快，且膜厚會越致密；但由於後續有金屬層要蒸鍍在上

方，若溫度太高,會造成後續金屬的變化，由於本實驗鍍氧化鋁的主

要目的是在利於後續的鍍銀製程，當做附著層，選定5分鐘的鍍氧化

鋁時間為取得較薄氧化鋁鍍層，並能形成薄膜；【圖4-28】~【圖4-31】

為電子束蒸鍍氧化鋁鍍層厚度0.3KÅ和0.6KÅ在玻璃基板和藍寶石基

板所得之反射率和穿透率圖，且氧化鋁鍍層厚度0.6KÅ比0.3KÅ反射

41

率相似，但相對穿透率也相似，主要是厚度薄反射率比空的藍寶石基

板稍高，但穿透率也比空的藍寶石基板稍高，外觀顏色變成幾乎透

明，用金屬鑷子去刮抹氧化鋁鍍層藍寶石基板表面，不會有剝落的情

形產生，顯示氧化鋁鍍層可以以一定的附著力附著於藍寶石基板表

面，且可以均勻的鍍上藍寶石基板表面；而從氧化鋁鍍層表面可以觀

察到，氧化鋁鍍層的表面平整光滑，且表面透明光澤，呈現透明色的

狀態。

小結論:

從【圖4-32】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度0.3KÅ和不同單鍍層在藍

寶石基板所得之反射率圖、【圖4-33】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度0.3KÅ

和不同單鍍層在玻璃基板所得之反射率圖及【圖4-34】比較鈦和鉻和

氧化鋁厚度0.3KÅ和不同單鍍層在藍寶石基板所得之穿透率圖、【圖

4-35】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度0.3KÅ和不同單鍍層在玻璃基板所得

之穿透率圖、【圖4-36】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度0.6KÅ和不同單鍍

層在藍寶石基板所得之反射率圖、【圖4-37】比較鈦和鉻和氧化鋁厚

度0.6KÅ和不同單鍍層在玻璃基板所得之反射率圖及【圖4-38】比較

鈦和鉻和氧化鋁厚度0.6KÅ和不同單鍍層在藍寶石基板所得之穿透

率圖、【圖4-39】比較鈦和鉻和氧化鋁厚度0.6KÅ和不同單鍍層在玻

42

璃基板所得之穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，不同單鍍層和不同

厚度在二種基板上結果是不同如下;【表4-3】比較單鍍層不同厚度在

藍寶石基板所得之反射率和穿透率表，由表可知並搭配林美鈴同學之

論文剪力強度結果:

1. 不同單層銀金屬厚度所得到的反射率是近似，在波長 460nm 反射

率可達 51%和剪力強度可達 3.7MPa，另外錫金金屬反射率可達 30%

和鉻金屬反射率可達 24%和剪力強度可達 56MPa 和鈦金屬反射率可

達 22%和剪力強度可達 33MPa 和氧化鋁反射率可達 11%和剪力強度

可達 74MPa，以銀金屬反射率最好，跟其他金屬比較，當作反射層

但附著性不佳且剪力強度是最差，須要緩衝層增加附著性，和保護層

可以減少銀金屬跟空氣反應而影響反射率，所以設計多層鍍層結構。

2. 不同單層銀金屬厚度所得到的穿透率是近似，在波長 460nm 為

0%，另外錫金金屬穿透率為 0% 和鉻金屬穿透率可達 7%和鈦金屬穿

透率可達 22%和氧化鋁穿透率可達 88%，以氧化鋁穿透率最好，跟

其他金屬比較，並將氧化鋁設計當緩衝層用。

3. 氧化鋁反射率可達 11%近似於空的藍寶石基板可達 13%，且氧化

鋁穿透率可達 88%也近似於空的藍寶石基板可達 91%。

43

【表 4-4】比較單鍍層不同厚度在玻璃基板所得之反射率和穿透率

表，由表可知:

1. 不同單層銀金屬厚度所得到的反射率是近似，在波長 460nm 可達

103%，另外錫金金屬反射率可達 61% 和鉻金屬反射率可達 42%和鈦

金屬反射率可達 40%和氧化鋁反射率可達 12%，以銀金屬反射率最

好，跟其他金屬比較。

2. 不同單層銀金屬厚度所得到的穿透率是近似，在波長 460nm 為

0%，另外錫金金屬穿透率為 0% 和鉻金屬穿透率可達 7%和鈦金屬穿

透率可達 22%和氧化鋁穿透率可達 90%，以氧化鋁穿透率最好，跟

其他金屬比較。

3. 氧化鋁反射率可達 12%近似於空的玻璃基板可達 9%，且氧化鋁穿

透率可達 90%也近似於空的玻璃基板可達 91%。

4.4 多鍍層反射率和穿透率及微結構的觀察

4.4.1 鈦-銀-錫金 金屬鍍層

【圖 4-40】為比較不同鈦-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射

率圖、【圖 4-41】為比較不同鈦-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之反射

率圖及【圖 4-42】為比較不同鈦-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之穿

透率圖、【圖 4-43】則為比較不同鈦-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之

44

穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，在玻璃基板之反射率比藍寶石基

板高，在玻璃基板之穿透率和藍寶石基板一樣，且 鈦-銀-錫金鍍層

可以均勻的附著於基板表面。【圖 4-40】~【圖 4-43】為電子束蒸鍍

不同鈦-銀-錫金鍍層厚度在玻璃基板和藍寶石基板所得之反射率和

穿透率圖，在藍寶石基板上鈦-銀-錫金鍍層不同厚度的組合中，當鈦

厚度 0.6KÅ 的多層組合反射率可達 22%比鈦厚度 0.3KÅ 的多層組合

反射率可達 19 %，所以高出 3%，但穿透率幾乎 0%，【表 4-5】為

比較不同鈦-銀-錫金厚度在在藍寶石基板所得之反射率和穿透率

表、【表 4-6】為比較不同鈦-銀-錫金厚度在在玻璃基板所得之反射

率和穿透率表，主要是鈦厚度增加反射率可以提高約 3%，但穿透率

幾乎 0%，外觀顏色變成不透明，用金屬鑷子去刮抹鈦-銀-錫金鍍層

藍寶石基板表面，不會有剝落的情形產生，顯示鈦-銀-錫金鍍層可以

以一定的附著力附著於藍寶石基板表面，且可以均勻的鍍上藍寶石基

板表面；而從 鈦-銀-錫金鍍層表面可以觀察到，鈦-銀-錫金鍍層的表

面平整光滑，且表面帶有金屬光澤，呈現銀色的狀態。

小結論:

反射率的多層膜組合是: 鈦鍍層厚度 0.6kÅ-銀鍍層厚度 10 KÅ-

錫鍍層厚度 30KÅ 在藍寶石基板上反射率可達 22%和剪力強度可達

45

36MPa，但由於反射率值很相近，應屬於變異範圍內，如果是成本考

量，建議多層膜組合是鈦鍍層厚度 0.3kÅ-銀鍍層厚度 1KÅ -錫鍍層

厚度 30KÅ。

4.4.2 鉻-銀-錫金 金屬鍍層

【圖 4-44】為比較不同鉻-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之反射

率圖、【圖 4-45】為比較不同鉻-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之反射

率圖及【圖 4-46】為比較不同鉻-銀-錫金厚度在藍寶石基板所得之穿

透率圖、【圖 4-47】則為比較不同鉻-銀-錫金厚度在玻璃基板所得之

穿透率圖，由光譜儀測試可以得知，在玻璃基板之反射率比藍寶石基

板高，在玻璃基板之穿透率和藍寶石基板一樣，且鉻-銀-錫金鍍層可

以均勻的附著於基板表面。【圖 4-44】~【圖 4-47】為電子束蒸鍍不

同鉻-銀-錫金鍍層厚度在玻璃基板和藍寶石基板所得之反射率和穿

透率圖，在鉻-銀-錫金鍍層不同的厚度組合中，當鉻厚度 0.6KÅ 的多

層組合比鉻厚度 0.3KÅ 的多層組合反射率高，但相對穿透率幾乎

0%，如【表 4-7】比較不同鉻-銀-錫金厚度在在藍寶石基板所得之反

射率和穿透率表、【表 4-8】比較不同鉻-銀-錫金厚度在在玻璃基板

所得之反射率和穿透率表，主要是鉻厚度增加反射率是近似，但穿透

率幾乎