薄膜制造技术与工艺的研究

1武 汉 职 业 技 术 学 院毕 业 论 文薄膜制造技术与工艺的研究学院:电子信息工程学院专业：光电子技术班级: 12302姓名: 郑敏学号：12013199指导老师:陈书剑2014 年 11 月 17 日2摘要：反应离子镀(RIPD)是用来制备光学薄膜的一种新技术，是在传统电子束蒸镀的基础上通过低电压、低气压弧光放电将材料蒸汽和外加反应气体电离，在蒸发室内产生低温等离子体，利用基片表面自然形成的极薄电场来提高离子的入射动能，既保留了传统技术沉积速率高、面积大的优点，又克服了薄膜结构疏松、性能不稳定的缺陷，是有望取代传统技术的新一代光学薄膜制备技术。国外研究表明，RIPD 薄膜结构致密，机械强度高，光学损耗达到甚至超过了传统技术的最好水平，具有在激光陀螺上应用的潜力。关键词：反应离子镀技术；PRID；薄膜3目 录1 引言 .41.1 薄膜制备技术 .41.1.1 光学薄膜的应用 .41.1.2 光学薄膜的发展历史 .41.2 几种常用镀膜技术 .51.2.1 电阻蒸镀法 .51.2.2 电子束蒸发沉积 .71.2.3 离子束辅助沉积 .81.2.4 离子束溅射 .91.2.5 离子镀 .112 反应离子镀技术 .122.1 反应离子镀技术背景 .122.2 反应离子镀设备 .122.3 反应离子镀原理 .142.4 反应离子镀技术 .162.5 常用光学薄膜材料的反应离子镀工艺 .172.6 反应离子镀光学薄膜的性能分析测试 .173 总结与展望 .18参考文献 .20致 谢 .2141 引言1.1 薄膜制备技术1.1.1 光学薄膜的应用传统的光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组成部分，通过在各种光学材料的表面镀制一层或多层薄膜，利用光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态和相位变化1。薄膜可以被镀制在光学玻璃、塑料、光纤、晶体等各种材料表面上。它的厚度可从几个 nm 到几十、上百个 m。光学薄膜可以得到很好的牢固性、光学稳定性，成本又比较低，几乎不增加材料的体积和重量，因此是改变系统光学参数的首选方法，甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两百多年的发展过程中，光学薄膜形成了一套完整的光学理论薄膜光学。光学薄膜已广泛应用于各种光学器件(如激光谐振腔、干涉滤波片、光学镜头等)，不仅如此它在光电领域中的重要作用亦逐渐为人们所认识。1.1.2 光学薄膜的发展历史在两百多年的发展过程中，光学薄膜形成了一套完整的光学理论一薄膜光学。首先，罗伯特一波义尔(RobertBoyle)和罗伯特一胡克(RobertHooke)各自独立发现所谓的“牛顿环”现象，可以说是现代薄膜光学的萌芽 ll】 。1801 年，托马斯杨阐述了光的干涉原理，并对这种效应作了第一个圆满的解释。1832 年，菲捏尔提出了反射与折射定律，至今仍被称为“菲捏尔定律” ，它是研究薄膜系统内干涉的基础。在 1873 年，詹姆斯克拉克麦克斯(JamesClerkMaxwelt)的巨著论电与磁问世了，这时分析薄膜光学问题所必需的全部基本理论才告完成，因此 20 世纪以前是薄膜光学发展的早期阶段。二十世纪三十年代中期被认为是薄膜在光学上应用的真正开端。此时，由于电子工业的需要促进了真空技术的发展，商用扩散泵的问世，工业真空镀膜才有了现实基础，而真空蒸镀法成了生产光学干涉膜的最好方法。斯马库拉和斯屈郎可称为德国和美国的单层减反膜之父。与此同时，蒸镀高折射率膜层可增加基片的反射率，紧接着人们便能成功的蒸镀许多种不同的膜层。1935 年，有人研制出真空蒸发淀积的单层减反射膜，但它的最先应用是 1945 年以后镀制在眼镜片上。1938 年，美国和欧洲研制出双层减反射膜，但到 1949 年才制造5出优质的产品。德圈的格夫肯于 1939 年制成了世界上第一批金属膜滤光片，并首创了湿法镀膜和气体反应镀膜方法。从 20 世际 40 年代开始，薄膜进入全面发展时期，相继提出了各种薄膜光学理论和膜系计算方法。1949 年在法国马赛大学举行了第一届国际薄膜会议，事隔不久，有关光学薄膜的基础教程相继问世。1956 年瓦旌切克发表了第一本薄膜光学专著薄膜光学 ，在理论上全面地讨论了薄膜光学的一些问题。到了 60 年代，激光、空间技术和光谱技术的飞速发展对光学薄膜提出了更高的要求，比如激光器中的高反射镜等，同时电子计算机的推广使得光学薄膜的计算和分析有了良好的工具，因此推动了光学薄膜的飞速发展。1969 年麦克劳德用干涉矩阵解释和计算光学薄膜，出版了他的专著薄膜光学滤波器 。接着在 1976 年尼特尔发表了他的专著薄膜光学 ，在理论上全面讨论了薄膜光学的一些问题。1986 年，麦克劳德再出版了他的专著，提出了用导纳图方法来分析膜系的特性，并且用它来解释膜系监控的一系列问题。这些专著都从理论上，实验上全面讨论了薄膜光学的一些问题，形成了一套完整的从光学薄膜特性计算、设计、监控和测试到结构特性、稳定性、光学损耗、抗激光损伤特性等分析手段。光学薄膜的这些理论和实践的发展，为现在的薄膜理论及光学器件的应用打下了坚实的基础。1.2 几种常用镀膜技术薄膜的研究依赖于薄膜的制备，高质量的薄膜有利于薄膜物理的研究和薄膜器件应用的发展。长期以来，人们发明了多种薄膜的制备技术和方法，如电阻或电子束热蒸发、离子束溅射、离子束辅助沉积、反应射频磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积、离子镀、活化反应蒸发、低压化学气相沉积法、等离子金属有机物化学气相沉积法、双离子束溅射沉积和分子束外延法等，各种方法都有其优点和缺点。下面介绍一下物理气相沉积法中的几种常用方法。1.2.1 电阻蒸镀法电阻蒸镀法(如图 1)是在真空条件下通过电阻作为蒸发器加热使薄膜初始材料气化，材料的蒸发沉积在温度较低的基片上，形成所需要的薄膜，是最基本的成膜方法之一。它的发展主要体现在蒸发源技术上，早期用的都是电阻蒸发源，即用钨、钼等难熔金属或石墨作成电阻蒸发器，材料放在蒸发器中，由于温度有限很多高温材料与蒸发器化学反应的原因，可供使用的镀膜材料很少。6图 1 真空蒸镀法装置简图通常，电阻蒸镀选用与薄膜组分相同的初始材料(丝状、块状、颗粒状、粉末等)。例如为了得到铝膜，使用纯铝丝做初始材料，通过提高蒸发室的真空度来抑制材料与参与气体的化学反应，以减少膜层中的杂质。这种做法对镀金属膜一般是有效的；对化合物薄膜，由于各化学组分的蒸发速率和沉积速率不同，薄膜组分往往偏离正常的化学当量(如氧化物失氧)，这是造成光学吸收较大的一个重要原因。为了解决这个问题，在蒸镀时可通入适量的 O2、N2 等活性气体，利用化学反应来补充因材料热分解而易失去的 O、N 等成分，这称为反应蒸镀，其工作气压略高，约(89)10-3Pa。这种工艺扩大了初始材料的选择范围，例如为了得到 Ti02 薄膜，不仅可以用 Ti02，还可以用 Ti305、Ti203、TiO 等。电阻蒸镀法的缺点也是非常突出的，用这种方法制备的薄膜：(1)聚集密度小，折射率比块体数值低。(2)容易吸附残余气体和水汽，光学吸收大，实效性差。(3)表面、界面不平整，体内散射和表面散射大。7(4)应力高，各向异性。(5)硬度低，附着力小，牢固1.2.2 电子束蒸发沉积电子束蒸发沉积(EBD)的原理(如图 2)是：电子枪发射的高速电子流在电磁场中聚焦成细束，轰击蒸发材料的表面，动能转化为热能，使材料迅速升温而蒸发。电子枪以结构的不同分为直式和电磁偏转式两种，其中最常用的是 e 形枪。图 2 电子束蒸发源示意图主要介绍 e 形枪的工作原理。采焉 e 形枪可以基本上克服直式枪中二次电子的影响。它由阴极灯丝、聚焦极、阳极、偏转磁铁和无氧铜水冷坩埚组成。从灯丝发射的热电子经臻极和阳极之间的高压电场加速并聚焦，由磁场使之偏转到达蒸发材料表面。e 形检的聚焦特性主要决定于灯丝、聚焦极和阳极的相对位置；电子束偏转则由高压和磁场电流的大小决定。e 形枪采用内藏式阴极，既防止了极间等离子放电，又避免了灯丝污染。电子束加热可以蒸发高温材料，而且由于蒸汽分子动能大，可以得到比电阻加热方法更牢固致密的膜。电子束蒸发源的特点是：能量高度集中，膜料的局部表面可获得很高的温度；能准确而方便地通过调节电子束的加速电压和束电流控制蒸发温度，并且有较大温度调节范围。因此它对高、低熔点的膜料都能适用，尤其适合蒸镀熔点高达 2000左右的氧化物。如果以极大的功率密度实现快速蒸发，可以防止8合金分馏。此外，不需直接加热坩埚，又可通水冷却，蒸发仅仪发生在材料的表面，有效的抑制了坩埚与蒸发材料之间的反应，避免了坩埚材料对膜料的沾污。另外这种蒸发源产生的蒸汽分子动能较大，有利于获得牢固致密的膜层。但是，多数化合物受到电子束轰击与加热时会部分分解，同时由于残余气体分子和膜料分子(或原子)会部分地被电子所电离，将对薄膜的结构和物理性能产生影响。1.2.3 离子束辅助沉积离子束辅助沉积技术(IAD)是在真空镀膜的基础上发展起来的一种辅助段。它是这样一种工艺过程：膜料从热源或电子束加热源蒸发，沉积分子或原子不断受到来自离子源的离子轰击，从而获得较大的动量。这一简单的过程使得光学薄膜的生长发生了巨大变化，从而使薄膜性能得到很大的改善。图 3 是离子辅助镀膜结构示意图。图 3 离子辅助镀膜结构示意图关于离子辅助的机理，一般认为，离子的轰击给到达基板的膜料分子或原子提供了足够的动能，从而提高了吸附原子的迁移率。有人提出 IAD 包括以下重要过程：(1)表面原子的溅射；9(2)动量从入射离子传递给到达基板的膜料原子或分子；(3)膜料原子或分子填充由离子轰击所产生的空穴；(4)由于动量传递而导致三维运动，膜料原子或分子不仅沿着基板平面运动，而且会有垂直基板表面的动量而向下运动，很明显，这种运动导致了薄膜聚集密度的增加；(5)蒸气原子在表面下的一定深处混合，对化合物的形成很重要；(6)在离子能量和束流密度过高时会产生孔穴的表面跳跃和再溅射，从而导致薄膜的性能下降。大多数情况下，IAD 可以大大的改善薄膜的性能。它不仅可以增加薄膜的聚集密度，消除薄膜柱状晶体结构，提高薄膜的致密性，还可以提高薄膜光学常数的稳定性和均匀性，改善薄膜的化学计量比等。IAD 已经成为生产高质量膜的首选方法。但是理论和模型也证明，在离子轰击下生长的薄膜性能都有一个临界点，超过此临界点性能就会下降，因此对于某些材料只能用低能离子辅助沉积。1.2.4 离子束溅射离子束溅射(IBS)是用高能量(1Ke)的离子轰击靶(薄膜原材料)，产生溅射作用，溅出的粒子(主要是中性粒子)沉积到附近的基片上成膜。由于溅射粒子的动能(几电子伏特几十电子伏特)比蒸发粒子的动能(O1ev)大得多，再加上同如反应气体，有效的克服了真空蒸镀的缺点，薄膜的光、机性能大为改善。还可以再装一个低能宽束离子源，同时实施离子辅助沉积(IAD)工艺，即用高能离子轰击靶，用低能离子轰击基片，这称为双离子束溅射(DIBS)。图 4和图 5 分别为直流溅射和射频溅射的工作原理示意图。溅射是一个复杂的过程，伴随着各种离子轰击现象。固体表面在入射离子的高速碰撞下，放射出中性原子或分子，同时放射出二次电子，作为维持辉光放电的基本粒子，并使基板温度升高。常用的溅射技术有：直流溅射、射频溅射与磁控溅射等。其中磁控溅射的适用面最广，磁控溅射可