TW201905500A - 長波長紅外線抗反射疊層 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種長波長紅外線抗反射疊層，其包括一矽基板和一抗反射複合層；該矽基板具有相對的一上表面和一下表面；該抗反射複合層設置於該矽基板上，該抗反射複合層包括至少一第一抗反射膜，該至少一第一抗反射膜設置於該矽基板上，該至少一第一抗反射膜包含一第一氮化矽層和一第一二氧化矽層，該第一氮化矽層設置於該矽基板和該第一二氧化矽層之間；該第一氮化矽層和該第一二氧化矽層的厚度比值為175至225。本發明的長波長紅外線抗反射疊層在入射光波長為8至12微米的範圍內，其穿透率可達到90%以上。
Description
本發明是關於一種抗反射膜，尤指一種長波長紅外線抗反射疊層。
多數光學或光電系統為了降低反射造成的耗損以及調變較大範圍的頻寬，會於光學或光電元件上塗布多層抗反射膜，如太陽能晶片、雷射、鏡頭或平面鏡，以便降低入射光通過元件後因反射造成的耗損，進而提升元件的工作效能。
常見的紅外光光學材料包括單晶鍺、單晶矽、硫化鋅和硒化鋅，各材料的透射波段有些微不同，但大致介於0.5微米至14微米之間，與長波長紅外線(long wavelength infrared，LWIR)的波長範圍8微米至12微米大致相符，其中，在硫化鋅上鍍鍺和硫化鋅為目前最通用的鍍膜材料，但由於鍺和硫化鋅的成本較高，導致製作此種鍍膜材料的成本一直高居不下。
在半導體產業中，矽為使用率極高的材料，具有高硬度以及可在高溫下使用的特性，因此常被用於紅外光元件光窗、鏡頭和濾波器等元件，但矽具有高折射率的特性(折射率為4.24)，若要提升入射光穿過矽基材的穿透率，則必需於矽基材上塗布幾十層抗反射膜，透過塗層結構修正入射光的路徑，並藉此提升元件的穿透率。
然而，於矽基材上塗布幾十層抗反射膜會使鍍膜製程具有複雜度高和成本高的缺點。
有鑒於上述問題，本發明的目的為提升矽基材的穿透率，並解決現有技術中抗反射膜層數較多所導致的問題。
為達上述目的，本發明的長波長紅外線抗反射疊層包括： 一矽基板，其具有相對的一上表面和一下表面；以及 一抗反射複合層，其設置於該矽基板上，該抗反射複合層包括至少一第一抗反射膜，該至少一第一抗反射膜設置於該矽基板上，該至少一第一抗反射膜包含一第一氮化矽層和一第一二氧化矽層，該第一氮化矽層設置於該矽基板和該第一二氧化矽層之間；該第一氮化矽層和該第一二氧化矽層的厚度比值為175至225。
藉由上述技術手段，本發明長波長紅外線抗反射疊層以矽為基板，並在矽基板上設置氮化矽層和二氧化矽層，並控制氮化矽層和二氧化矽層的厚度來降低以往需於矽基板上設置的層數，藉此達到提升穿透率的效果。
較佳的，該第一氮化矽層的折射率為1.70至2.30，該第一二氧化矽層的折射率為1.21至1.50。
於另一實施例，該抗反射複合層具有二第一抗反射膜，且分別設置於該矽基板的上表面和下表面。
為加強抗反射的效果，該抗反射複合層具有至少一第二抗反射膜，該至少一第二抗反射膜設置於該第一抗反射膜上；該至少一第二抗反射膜包含一第二氮化矽層和一第二二氧化矽層，該第二氮化矽層設置於該第一二氧化矽層和該第二二氧化矽層之間；該第二氮化矽層和該第二二氧化矽層的厚度比值為175至225。
於另一實施例，該抗反射複合層具有二第二抗反射膜，該等第二抗反射膜分別設置於該等第一抗反射膜上；各第二抗反射膜包含一第二氮化矽層和一第二二氧化矽層，該第二氮化矽層設置於該第一二氧化矽層和該第二二氧化矽層之間；該第二氮化矽層和該第二二氧化矽層的厚度比值為175至225。
上述「該第一氮化矽層和該第一二氧化矽層的厚度比值」代表該第一氮化矽層的厚度除於該第一二氧化矽層的厚度的數值；「該第二氮化矽層和該第二二氧化矽層的厚度比值」代表該第二氮化矽層的厚度除於該第二二氧化矽層的厚度的數值。
較佳的，該第二氮化矽層的厚度比該第一氮化矽層的厚度厚25至35奈米。更佳的，該第二氮化矽層的厚度比該第一氮化矽層的厚度厚30奈米。
具體而言，該抗反射複合層的總厚度為603微米至2472微米。
本發明的長波長紅外線抗反射疊層具有一矽基板和至少一第一抗反射膜。
實施例
1
：單邊二層
抗反射疊層
請參閱圖1所示，長波長紅外線抗反射疊層具有一矽基板10和一抗反射複合層。
該矽基板10具有相對的一上表面11和下表面12。
該抗反射複合層設置於該矽基板10上，該抗反射複合層包括一第一抗反射膜20，該第一抗反射膜20設置於該矽基板10的上表面11，且第一抗反射膜20包括一第一氮化矽層21(Si3
N4
)和一第一二氧化矽層22(SiO2
)，其中，該第一氮化矽層21設置於該矽基板10和該第一二氧化矽層22之間，
具體而言，該第一氮化矽層21是以電子槍蒸鍍法(Electron Beam Gun Evaporation)形成於該矽基板10上，第一氮化矽層21的折射率為2.03、厚度為600奈米；同樣的，該第一二氧化矽層22是以電子槍蒸鍍法形成於該第一氮化矽層21上，第一二氧化矽層22的折射率為1.46、厚度為3奈米；因此，該第一氮化矽層21和該第一二氧化矽層22的厚度比值為200。
由於在矽基板10的上表面11設置有該第一氮化矽層21和該第一二氧化矽層22，因此，本說明書中將實施例1的長波長紅外線抗反射疊層簡稱為單邊二層抗反射疊層，且該抗反射複合層的厚度為603奈米。
實施例
2
：雙邊二層
抗反射疊層
請參閱圖2所示，第二實施例與第一實施例相似，其差異在於：該抗反射複合層具有二第一抗反射膜20。
矽基板10的上表面11和下表面12各設置有第一氮化矽層21和第一二氧化矽層22，且各第一氮化矽層21分別設置於矽基板10和各第一二氧化矽層22之間，因此，實施例2的長波長紅外線抗反射疊層簡稱為雙邊二層抗反射疊層，且該抗反射複合層的厚度為1206奈米。
實施例
3
：單邊四層
抗反射疊層
請參閱圖3所示，第三實施例與第一實施例相似，其差異在於：該抗反射複合層具有一第一抗反射膜20和一第二抗反射膜30。
其中，該第一抗反射膜20同第一實施例設置於該矽基板10上，該第二抗反射膜30設置於該第一抗反射膜20背對該矽基板10的面上，該第二抗反射膜30包括一第二氮化矽層31和一第二二氧化矽層32，該第二氮化矽層31設置於該第一抗反射膜20的第一二氧化矽層22上，該第二二氧化矽層32設置於該第二氮化矽層31上，藉此形成一單邊四層的長波長紅外線抗反射疊層。
於本實施例中，第二氮化矽層31的折射率為2.03、厚度為630奈米，第二二氧化矽層32的折射率為1.46、厚度為3奈米；因此，該第二氮化矽層21和該第一二氧化矽層22的厚度比值為210。
由於在矽基板10的上表面11設置有第一氮化矽層21、第一二氧化矽層22、第二氮化矽層31和第二二氧化矽層32，因此，本說明書中將實施例3的長波長紅外線抗反射疊層簡稱為單邊四層抗反射疊層，且該抗反射複合層的厚度為1236奈米。
實施例
4
：雙邊四層
抗反射疊層
請參閱圖4所示，第四實施例與第三實施例相似，其差異在於：該抗反射複合層具有二第一抗反射膜20和二第二抗反射膜30。
其中，該等第一抗反射膜20分別設置於該矽基板10的上表面11和下表面12，該等第二抗反射膜30分別設置於該等第一抗反射膜20背對該矽基板10的面上。
由於在矽基板10的上表面11和下表面12各設置有第一氮化矽層21、第一二氧化矽層22、第二氮化矽層31和第二二氧化矽層32，因此，本說明書中將實施例4的長波長紅外線抗反射疊層簡稱為雙邊四層抗反射疊層，且該抗反射複合層的厚度為2472奈米。
比較例
1
：矽基板
另為了方便比較單純矽基板10和上述實施例1至4於穿透率的差異，本發明另齊備一未設置該抗反射複合層的矽基板10。
試驗例
1
：穿透率的測量
為證實本發明可有效提升紅外線入射光的穿透率，試驗例1利用傅立葉紅外線光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR)測量實施例3和比較例1於入射光波長為8微米至12微米範圍間的平均穿透率光譜數據(簡稱為平均穿透率)，另特別列出入射光波長為10微米時的穿透率(簡稱為T10 μm
)。
波長10微米為人體紅外線輻射的峰值波段，若入射光波長10微米時的穿透率越高，代表本發明的長波長紅外線抗反射疊層應用於光學儀器時，較不會受紅外線光窗反射或吸收，因此可偵測到的訊號強度也越大。
由FTIR的測量結果可得知，實施例3單邊四層抗反射疊層的平均穿透率為91.37%、T10 μm
為92.45%；比較例1矽基板的平均穿透率為52.37%、T10 μm
為52.66%。
根據上述實驗結果，實施例3以FTIR測量而得的平均穿透率相較於比較例1的穿透率整整提升了39%。實施例3以FTIR測量而得的T10 μm
相較於比較例1的穿透率整整提升了40%，代表將實施例3的單邊四層抗反射疊層應用於偵測人體紅外線輻射的光學儀器上時的確可具有較高的穿透率，以便使光學儀器可接收到較大的偵測訊號。
另比較實施例3單邊四層抗反射疊層的平均穿透率和T10 μm
，可發現二者的穿透率數值非常接近，代表本發明長波長紅外線抗反射疊層不會因波長改變導致穿透率有明顯的起伏變動。
試驗例
2
：穿透率的模擬
於本試驗例中，以Essential Macleod軟體所內建的Simplex模組進行模擬，可分別取得實施例4於入射光波長為8微米至12微米範圍間的模擬穿透率(簡稱為平均穿透率)，亦同樣列出波長為10微米時的穿透率(簡稱為T10 μm
)。
由測量結果可得知，實施例4雙邊四層抗反射疊層的平均穿透率為95.16%、T10 μm
為96.47%。
若將實施例4的模擬結果與比較例1的FTIR測量結果比較，實施例4的平均穿透率相較於比較例1的穿透率整整提升了43%。實施例4的T10 μm
相較於比較例1的穿透率整整提升了44%，代表將實施例4的雙邊四層抗反射疊層應用於偵測人體紅外線輻射的光學儀器上時的確可具有較高的穿透率，以便使光學儀器可接收到較大的偵測訊號。
另比較實施例4雙邊四層抗反射疊層的平均穿透率和T10 μm
，可發現二者的穿透率數值非常接近，代表本發明長波長紅外線抗反射疊層不會因波長改變導致穿透率有明顯的起伏變動。
觀察上述試驗例1以及試驗例2的結果可得知，無論是以FTIR進行測量(實施例3)或是以模擬獲得數據(實施例4)，本發明長波長紅外線抗反射疊層(實施例3和4)的穿透率皆明顯優於矽基板(比較例1)的穿透率，即於矽基板10上設置該抗反射複合層的確可有效提升穿透率；另外，當入射光的波長為8微米至12微米的範圍之間時，實施例3和4的穿透率並未明顯起伏變動。
為進一步觀察上述結果，請參閱圖5所示，其中，實施例3和4的穿透率明顯優於比較例1的穿透率，即本發明的確可有效提升穿透率，另外，當入射光的波長為8微米至12微米的範圍之間時，實施例3和4的穿透率並未明顯起伏變動。
綜合上述，本發明設置該抗反射複合層的技術手段的確可提升矽基板的穿透率，故可取替傳統高成本鍍有硫化鋅和鍺的硫化鋅鍍膜材料，降低生產成本，並可解決以往於矽基材上塗布數十層抗反射膜所可能發生的問題。
10‧‧‧矽基板
11‧‧‧上表面
12‧‧‧下表面
20‧‧‧第一抗反射膜
21‧‧‧第一氮化矽層
22‧‧‧第一二氧化矽層
30‧‧‧第二抗反射膜
31‧‧‧第二氮化矽層
32‧‧‧第二二氧化矽層
圖1為本發明長波長紅外線抗反射疊層實施例1的示意圖。 圖2為本發明長波長紅外線抗反射疊層實施例2的示意圖。 圖3為本發明長波長紅外線抗反射疊層實施例3的示意圖。 圖4為本發明長波長紅外線抗反射疊層實施例4的示意圖。 圖5為實施例3、實施例4和比較例1的FTIR光譜圖。
無
Claims (10)
- 一種長波長紅外線抗反射疊層，其包括： 一矽基板，其具有相對的一上表面和一下表面；以及 一抗反射複合層，其設置於該矽基板上，該抗反射複合層包括至少一第一抗反射膜，該至少一第一抗反射膜設置於該矽基板上，該至少一第一抗反射膜包含一第一氮化矽層和一第一二氧化矽層，該第一氮化矽層設置於該矽基板和該第一二氧化矽層之間；該第一氮化矽層和該第一二氧化矽層的厚度比值為175至225。
- 如請求項1所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該第一氮化矽層的折射率為1.70至2.30，該第一二氧化矽層的折射率為1.21至1.50。
- 如請求項1所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該至少一第一抗反射膜為二第一抗反射膜，該等第一抗反射膜分別設置於該矽基板的上表面和該矽基板的下表面。
- 如請求項1所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該抗反射複合層具有至少一第二抗反射膜，該至少一第二抗反射膜設置於該第一抗反射膜上；該至少一第二抗反射膜包含一第二氮化矽層和一第二二氧化矽層，該第二氮化矽層設置於該第一二氧化矽層和該第二二氧化矽層之間；該第二氮化矽層和該第二二氧化矽層的厚度比值為175至225。
- 如請求項3所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該抗反射複合層具有二第二抗反射膜，該等第二抗反射膜分別設置於該等第一抗反射膜上；各第二抗反射膜包含一第二氮化矽層和一第二二氧化矽層，該第二氮化矽層設置於該第一二氧化矽層和該第二二氧化矽層之間；該第二氮化矽層和該第二二氧化矽層的厚度比值為175至225。
- 如請求項4所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該第二氮化矽層的厚度比該第一氮化矽層的厚度厚25至35奈米。
- 如請求項5所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該第二氮化矽層的厚度比該第一氮化矽層的厚度厚25至35奈米。
- 如請求項6所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該第二氮化矽層的厚度比該第一氮化矽層的厚度厚30奈米。
- 如請求項7所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該第二氮化矽層的厚度比該第一氮化矽層的厚度厚30奈米。
- 如請求項1至9中任一項所述之長波長紅外線抗反射疊層，其中該抗反射複合層的總厚度為603微米至2472微米。
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