電子束、離子輔助和離子束濺射三種工藝對(duì)光學(xué)薄膜性能的影響

1、第15卷第9期強(qiáng)激光與粒子束Vol.15,No.92003年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2003文章編號(hào):100124322(20030920841204電子束、離子輔助和離子束濺射三種工藝對(duì)光學(xué)薄膜性能的影響王英劍,李慶國(guó),范正修(中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,上海201800摘要:運(yùn)用電子束、離子輔助和離子束濺射三種鍍膜工藝分別制備光學(xué)薄膜,包括單層氧化物薄膜和增透膜,然后采取一系列測(cè)試手段,如Zygo輪廓儀、原子力顯微鏡、表面熱透鏡技術(shù)和X射線(xiàn)衍射等技術(shù),來(lái)分析和研究不同的工藝對(duì)這些薄膜性能的不同影響,以判斷合理的沉積工

2、藝。關(guān)鍵詞:電子束;離子輔助;離子束濺射;薄膜特性中圖分類(lèi)號(hào):O484.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A在光學(xué)薄膜的沉積技術(shù)中,有許多成熟的技術(shù)手段,其中電子束(E2beam、離子輔助(ion assisted deposi2 tion,IAD和離子束濺射(ion beam sputtering,IBS是比較有代表的制備光學(xué)薄膜的技術(shù)手段。電子束蒸鍍作為熱蒸發(fā)技術(shù)的一種,是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的鍍膜技術(shù),其原理是:金屬燈絲在高溫狀態(tài)下,它內(nèi)部的一部分電子獲得足夠的能量,逸出金屬表面,發(fā)射出熱電子。在電磁場(chǎng)的作用下,熱電子高速運(yùn)動(dòng),并形成細(xì)束轟擊被鍍材料表面,熱電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能,使材料迅速升溫而蒸發(fā)。

3、電子束蒸鍍具有速度快、污染小、薄膜結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn),但薄膜堆積密度不夠高,薄膜在真空和空氣中性能有變化,如波長(zhǎng)的漂移等,在制備一些特殊薄膜時(shí)還有薄膜結(jié)合力不牢、薄膜脫落的現(xiàn)象。離子輔助技術(shù),是在電子束蒸鍍的同時(shí),以高能離子撞擊蒸發(fā)的薄膜分子,使其得到較大的能量,從而以高能沉積在基底材料上。這一技術(shù)已日臻成熟,有不少相關(guān)的報(bào)道,早期的有Martin,Macleod1,Mcneil2,3以及周九林4、湯雪飛5等,著重于薄膜性能的分析?，F(xiàn)在離子輔助在制備光通信薄膜及其它新型薄膜中已成為不可缺少的技術(shù)手段68。離子束濺射也是制備薄膜的一種主要技術(shù)手段。濺射這種現(xiàn)象在19世紀(jì)就已經(jīng)被觀察到,但是在20世紀(jì)

4、40年代以后才真正發(fā)展起來(lái),成為一種成熟的工藝9,目前也已經(jīng)用于高性能薄膜的生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)7,10,其特點(diǎn)是依靠動(dòng)量交換作用使固體材料的原子、分子進(jìn)入氣相,濺射出的粒子平均能量為10eV,高于真空蒸發(fā)粒子100倍左右,濺射和熱蒸發(fā)的根本區(qū)別就在于,熱蒸發(fā)是借助于焦耳熱發(fā)生蒸發(fā)的,而濺射是通過(guò)靶原子的動(dòng)量轉(zhuǎn)換而獲得蒸發(fā)的。本文就運(yùn)用這三種方法來(lái)制備光學(xué)薄膜,包括單層氧化物薄膜和增透膜,然后測(cè)量并分析這些薄膜的性能。1實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)是在兩臺(tái)鍍膜機(jī)上進(jìn)行的,型號(hào)分別為ZZXS-700(電子束和離子輔助和ZZXS-500(濺射。具體的實(shí)驗(yàn)條件由表1列出。在實(shí)驗(yàn)中,電子束和離子輔助采取光學(xué)極值法控制薄膜厚度,

5、離子束濺射采取石英晶振法控制薄膜厚度。離子輔助的工作氣體是高純氧(99.99%;離子束濺射的工作氣體是高純氬(99.99%,充氧是為了和濺射材料反應(yīng)生成氧化物。表1中的增透膜是同一膜系,所用的鍍膜材料是ZrO2,SiO2和Al2O3。2薄膜的測(cè)試與分析2.1三種工藝對(duì)薄膜折射率的影響折射率是薄膜的基本參數(shù)之一,確定薄膜的折射率是制備薄膜的基本要求。為此制備了一些常用薄膜材料的單層膜,有TiO2,ZrO2和Al2O3薄膜,以確定折射率的大小。這里利用薄膜的光譜曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算折射率。根據(jù)公式11n=1+R1-Rn0n s(1收稿日期:2003203221;修訂日期:2003206203基金項(xiàng)目:國(guó)家8

6、63計(jì)劃項(xiàng)目資助課題作者簡(jiǎn)介:王英劍(19702,男,副研究員,在讀博士生,主要從事強(qiáng)激光光學(xué)薄膜的研究;上海8002211信箱。表1不同工藝的沉積參數(shù)和制備的薄膜類(lèi)型T able1Experiment condition and the prep ared thin f ilmsfilm substrate E2beam IAD IBSAR sapphireK9300;p=2.0×10-3Pa;12nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;12nm/sroom temperature;p=2.2&#

7、215;10-2Pa,(n O2n Ar=21;TiO2sapphireK9300;p=2.0×10-3Pa,(p O2=2.0×10-2Pa;room temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;ZrO2K9300;p=2.0×10-3Pa;1nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;1nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa,(n O2n Ar=21;Al2O3K9300;p=:

8、2.0×10-3Pa;12nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;12nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa,(n O2n Ar=21;式中:R為反射率,可由透過(guò)曲線(xiàn)的透射率求得(對(duì)于高于基底的材料,取曲線(xiàn)的極小值;對(duì)于低于基底的材料,則取曲線(xiàn)的極大值,n0=1(空氣的折射率,n s為基底材料折射率,實(shí)驗(yàn)中用K9玻璃為基底,故取n s=1. 52。據(jù)此可以分別計(jì)算出薄膜的折射率,見(jiàn)表2。表2幾種材料在不同工藝下的折射率T able2R efractive ind

9、ex of several coating m aterials under the different techniquestechnique n TiO2n ZrO2n Al2O32.25(550nm 1.62(500nmE2beam 2.19(850nm 1.90(1000nm 1.60(900nm2.45(550nm 2.08(1000nm 1.65(500nmIAD 2.25(850nm 1.63(900nmIBS 2.10(1000nm 1.65(900nm表2的結(jié)果顯示,在三組數(shù)據(jù)中,用電子束制備的薄膜折射率最低,離子束濺射最高,離子輔助次之,但與濺射比較接近。表明在離子輔助和離

10、子束濺射的作用下,薄膜的折射率更接近相應(yīng)的固體材料。薄膜折射率的提高,尤其是高折射率材料折射率的提高,對(duì)制備高反射薄膜、偏振片等多層膜是有利的,因?yàn)榭梢詼p少膜層厚度,避免應(yīng)力過(guò)大造成薄膜破裂。另外,折射率的提高說(shuō)明薄膜的堆積密度提高,薄膜的穩(wěn)定性也相應(yīng)提高。2.2三種工藝對(duì)薄膜表面粗糙度的影響對(duì)于薄膜的光學(xué)性能來(lái)說(shuō),薄膜的損耗主要來(lái)自?xún)煞矫?散射和吸收。首先考慮散射。散射主要是由表面粗糙度的大小決定,降低散射損耗,就必須使表面粗糙度盡可能小。表3給出了用輪廓儀測(cè)量得到的增透膜蒸鍍前后的表面均方根粗糙度(RMS及變化率。數(shù)據(jù)顯示,在鍍膜之后,用離子輔助和離子束濺射制備的薄膜表面粗糙度變小,分別比

11、鍍膜前下降了6%和44%,而電子束制備的薄膜表面粗糙度卻大幅增加,高達(dá)63%。原子力顯微鏡測(cè)量的照片也證實(shí)了這一點(diǎn)。圖1的3幅照片是用原子力顯微鏡測(cè)量的薄膜表面微觀形貌。所觀察到的結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本一致。對(duì)此可以這樣解釋:蒸鍍材料粒子被離子輔助和離子束濺射后,獲得足夠大的能量,在它們到達(dá)基底表面時(shí),尚有足夠的剩余能量使其在表面移動(dòng),填補(bǔ)基底表面的空隙,正好彌補(bǔ)加工精度的不足,使表面粗糙度得到改善,而電子束蒸鍍的能量低,大量蒸發(fā)粒子到達(dá)基底后很少移動(dòng)或不移動(dòng),導(dǎo)致粗糙度惡化。這表明,離子束濺射和離子輔助對(duì)降低薄膜表面散射損耗是有效的。248強(qiáng)激光與粒子束第15卷 Fig.1Surface mor

12、phology of thin films measured by AFM圖1薄膜的原子力顯微鏡照片表3薄膜的表面粗糙度T able 3Surface roughness of thin f ilmsroughness (before coating RMSroughness (after coating RMSratio E 2beam 0.778nm 1.266nm 63%IAD 0.834nm 0.783nm -6%IBS-44%2.3三種工藝對(duì)薄膜吸收的影響吸收是損耗的另一個(gè)主要來(lái)源。對(duì)于在強(qiáng)激光條件下使用的薄膜元件,薄膜的吸收一直是一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù),因?yàn)槲者^(guò)大就很容易導(dǎo)致薄膜的破

13、壞,使整個(gè)激光系統(tǒng)失靈,因此對(duì)薄膜樣品進(jìn)行弱吸收的測(cè)量非常必要。測(cè)量弱吸收的方法是表面熱透鏡法(Surface Thermal Lensing ,STL ,其工作原理和具體的實(shí)驗(yàn)裝置可參見(jiàn)文獻(xiàn)12,在這里我們只給出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,見(jiàn)表4。表4用表面熱透鏡法測(cè)量薄膜的弱吸收T able 4Weak absorption of thin f ilms measured by surface therm al lensingNo.substrate film technique signal absorption 0sapphire calibrated IBS 1.4×10-40.501sa

14、pphire AR IBS 1.1×10-71.4×10-42sapphire AR IAD 3sapphire TiO 2IAD 4sapphire AR E 2beam 5sapphireTiO 2E 2beam在表4中,可以看到用離子束濺射制備的薄膜有比較大的吸收,如在白寶石基底上蒸鍍的增透膜的吸收達(dá)到了1.4×10-4,而用離子輔助和電子束制備的白寶石增透膜和單層氧化物薄膜吸收十分微弱,在我們的測(cè)量裝置上光熱信號(hào)十分微弱,和噪音所造成的干擾區(qū)分不開(kāi),與濺射膜相比可以忽略不計(jì)。在吸收方面,離子束濺射技術(shù)對(duì)薄膜的影響較大,其原因可能是濺射靶為純金屬或非金屬的單

15、質(zhì),在真空條件下生成相應(yīng)的氧化物薄膜,保持嚴(yán)格的化學(xué)計(jì)量比相對(duì)比較困難,而電子束和離子輔助由于是直接蒸鍍氧化物材料,化學(xué)計(jì)量比保持的較好,所以吸收可以控制在很低的水平上。由于降低吸收是光學(xué)薄膜追求的主要目標(biāo),因此用離子束濺射技術(shù)制備光學(xué)薄膜特別是強(qiáng)激光薄膜的工藝要受到限制。2.4三種工藝對(duì)薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響在這里采用大角度X 射線(xiàn)衍射(X 2ray Diffraction ,XRD 的方法測(cè)量薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖2給出了這些樣品的X 射線(xiàn)結(jié)構(gòu)。圖中橫坐標(biāo)為入射角,縱坐標(biāo)為相對(duì)強(qiáng)度。圖2(a 和圖2(c 分別在23°,37°附近有較明顯的突起,但并不是特征峰,三個(gè)樣品都呈非晶特

16、征。X 射線(xiàn)衍射的結(jié)果表明,所以三種工藝對(duì)薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響差別不大。3結(jié)論離子輔助技術(shù)在薄膜的折射率、薄膜的表面粗糙度、薄膜的吸收等方面都有比較的優(yōu)勢(shì),它結(jié)合了電子束和離子束濺射的優(yōu)點(diǎn),克服了兩者的不足,如電子束制備的薄膜折射率不太高,表面較粗糙,離子輔助則都有改善;離子束濺射制備的薄膜由于氧化不太完全,導(dǎo)致吸收偏大,而離子輔助制備的薄膜吸收卻很小。另外,電子348第9期王英劍等:電子束、離子輔助和離子束濺射三種工藝對(duì)光學(xué)薄膜性能的影響448強(qiáng)激光與粒子束第15卷 Fig.2Structure of thin films measured by X2ray diffraction圖2薄膜的X

17、射線(xiàn)衍射結(jié)構(gòu)束和離子輔助的蒸鍍速率相差不大,可以達(dá)到nm/s量級(jí),而離子束濺射則慢的多,10-2nm/s量級(jí),相差幾十倍乃至上百倍,使鍍膜成本大幅增加。由此,可以認(rèn)為離子輔助是比較合適的光學(xué)薄膜沉積手段。需要指出的是離子束濺射技術(shù),隨著離子源結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不斷改進(jìn),如果能使吸收降到很低,將會(huì)極大地提高光學(xué)薄膜的性能和質(zhì)量,這將是以后重點(diǎn)研究的方向。參考文獻(xiàn):1Martin P J,Macleod H A,Netterfield R P,et al.Ion2beam2assisted deposition of thin filmsJ.A ppl Opt,1983,22(1:178184.2Mcn

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