（光学工程专业论文）离子辅助沉积氧化物薄膜的特性分析.pdf

y 浙江大学硕士论文 6 8 9 0 9 9 摘要 本论文的主要工作是对常规工艺下和离子铺助条件下沉积薄膜的特性进行 比较研究， 研究的薄膜包括单层膜和多层膜。 1 、单层膜的研究 研究的单层膜为s i0 2 , t 10 2 , t a 2 0 5 等氧化物介质薄膜， 对比研究了常规工 艺下和离子辅助条件下它们的光学特性和机械特性。 光学特性沙及折射率、 消光 系数、 波长漂移和聚集密度， 发现离子辅助沉积对单层薄膜的光学特性明显改善。 机械特性涉及薄膜应力， 对离子辅助沉积和常规工艺条件下镀制的薄膜应力进行 了 试验研究， 并对台阶仪测量镀膜前后基板表面的曲 率的方法进行了 探讨。 在基 板温度低于 1 0 0 时， 在离子辅助工艺条件下镀制的t 10 2 薄膜应力略大于常规工 艺条件下得到的应力: 随着薄膜厚度的增加， t 10 2 薄膜的应力逐渐减小， 从 1 2 5 n m的3 9 2 m p a 下降到4 8 8 n m的3 0 mp a ;离子源阳极电 压对薄膜应力影响也较 大， 在 l o o v时得到的薄膜应力为1 6 4 m p a ,当电 压升高到1 9 0 v时， 应力下降 到7 5 m p a :同时也测试了s i0 2 和t a 2 0 5 单层薄膜的应力， 发现t a 2 0 5 薄膜的应 力 特性与t 10 2 薄膜的 类似， s io 2 的薄膜的应力为 压应力。 2 、多层膜的研究 采用霍尔源离子辅助沉积 ( i a d ) 技术制备了t ,0 2 / s io 2、 t a 2 0 5 / s 0 2 窄带 千涉滤光片， 并与常规沉积条件下制备的样品做了比较， 并在各种参数条件下对 薄膜样品进行特性分析， 发现离子辅助明显地减小了 滤光片的光谱漂移 ( 人 ) ， 光谱稳定性得到很大提高。 同时发现间隔层对光谱漂移的影响最大， 越远离间隔 层的膜层， 其影响越小;在各种基板温度下，离子辅助工艺技术制备 t 10 2 / s io 2 窄带千涉滤光片漂移a 比常规工艺制备的滤光片刁 n 8 n m 左右: 在离子辅助工艺 条件下， 发现随着阳极电 流的增加， t a 2 0 5 1 s s0 2 窄带干涉滤光片的中心波长的漂 移有明显的下降， 从1 .4 a的1 0 n m下降到2 . 6 a的5 n m 。 同时还分析了t 0 2 / s io 2 滤光片的应力特性，发现该滤光片存在零应力的可能。 总之， 无论是单层膜还是多 层膜， 离子辅助样品相对常规工艺样品的光学特 性得到明显改善。 在离子辅助工艺下， t 10 2 薄膜在较高的沉积温度和阳极电压条 件下应力较小。 浙江大学硕士论文 abs tract i n t h i s d i s s e rt a t i o n , t h i n f i l m s a r e d e p o s i t e d o n k 9 g l a s s s u b s t r a t e s u s i n g a n e - b e a m g u n e v a p o r a t io n w it h l o w e n e r g y o x y g e n io n a s s i s t e d d e p o s it io n ( i a d ) f r o m a n e n d - h a l l i o n s o u r c e . a c o m p a r i s o n o f t h e o p t i c a l a n d m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e i s ma d e b e t w e e n wi t h i ad a n d wi t h o u t i a d. t h e r e s e a r c h e d t h i n f i l ms i n c l u d e s m o n o l a y e r t h in f i lm s a n d m u lt i la y e r t h i n f i lm s . 1 . t h e r e s e a r c h o f m o n o l a y e r t h i n f i l m s i n t h e p a p e r , t h r e e m o n o l a y e r t h i n f i lm s - s i o 2 , t i0 2 , t a 2 0 5 d i e l e c t r i c t h i n f i l m s a r e s t u d ie d . a c o m p a r is o n o f t h e o p t i c a l a n d m e c h a n ic a l p e r f o r m a n c e i s m a d e b e t w e e n w it h io n a s s i s t e d d e p o s it io 叹 i a d ) a n d w it h o u t i a d . t h e o p t ic a l p e r f o r m a n c e s in c l u d e t h e r e fr a c t i v e i n d e x , t h e e x t i n c t io n c o e f f ic ie n t , t h e p a c k i n g d e n s it y a n d t h e v a c u u m - t o- a i r s h i ft， we o b s e r v e t h a t f i l m s d e p o s it e d w i t h i o n a s s i s t a r e m u c h m o r e p r o f i t a b l e t h a n t h o s e d e p o s it e d w it h o u t i o n a s s i s t ; t h e m e c h a n i c a l p e r f o rm a n c e i n c l u d e s t h e s t r e s s .t h e s t r e s s o f t h in f i lm s d e p o s it e d w it h a n d w it h o u t i a d w a s i n v e s t i g a t e d r e s p e c t i v e l y . a n d t h e c u r v a t u r e o f d e f o r m e d s u b s t r a t e s w a s m e a s u r e d b y p r o f i le r. t h e e x p e r im e n t a l r e s u lt s s h o w s t h a t t 10 2 f i l m s t r e s s w it h i a d is lo w e r t h a n t h a t w i t h o u t i a d b e l o w t h e d e p o s it io n t e m p e r a t u r e o f 1 0 0 厂 r i0 2 f i lm s t r e s s d e s c e n d s wi t h t h i c k n e s s o f t h e f i l ms i n c r e a s e s . wh e n t h i c k n e s s o f t h e f i l ms i n c r e a s e s f r o m 1 2 5 n m t o 4 8 8 n m , t h e s t r e s s d e s c e n d s fr o m 3 9 2 mp a t o 3 0 mp a . a n d a n o d e v o l t a g e o f t h e i o n s o u r c e a ff e c t s t 10 2 f i l m s t r e s s .f r o m 1 0 0 v t o 1 9 0 v ,t h e s t r e s s o f t 10 2 f i lm s d r o p p s 8 9 m p a . t h e s io 2 a n d t a 2 0 5 f i lm s t r e s s is r e s e a r c h e d t o o . i t i s f o u n d t h a t c h a r a c t e r i s t ic o f t a 2 0 5 f i l m s t r e s s w a s s i m i l a r t o t h a t o f t io 2 f i l m . a n d s io 2 f i l m s t r e s s i s c o m p r e s s i v e . 2 . t h e r e s e a r c h o f mu l t i l a y e r t h i n f i l ms t a , 0 5 / s io 2 , t i0 2 / s io , n a r r o w b a n d i n te r f e r e n c e f il t e r s a r e d e p o s i te d 妙i a d w it h a n e n d - h a ll io n s o u r c e . c o m p a r e d t o t h e s p e c i m e n s p r o d u c e d 勿 c o n v e n t i o n a l p r o c e s s d e p o s it i o n ， w e d i s c o v e r t h a t s p e c t r a l s h i ft ( a ) o f t h e f i lt e r i s r e d u c e d o b v io u s ly b y u s in g i a d .i t is f o u n d t h a t t h e s p a c e l a y e r h a s a m a r k e d e f f e c t o n s p e c t r a l s h i ft , a n d t h e c h a n g e o f s i 0 2 p a c k i n g d e n s i t y a f f e c t s s p e c t r a l s h i ft a l o t . t h e s p e c t r a l s h i ft o f t io , / s io , n a r r o w b a n d i n t e r f e r e n c e f i l t e r s w i t h i a d i s l e s s t h a n 8 n m c o m p a r e d w i t h t h e o n e w i t h o u t i a d u n d e r v a r i a b l e d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e . a n d a n o d e c u r r e n t o f t h e i o n s o u r c e a ff e c t e d t h e s p e c t r a l s h i ft. f r o m 1 . 4 a t o 2 . 6 a , t h e s p e c t r a l s h i ft o f t a , 0 5 / s io , n a r ro w b a n d i n t e r f e r e n c e f i l t e r s d r o p p e d fr o m 1 0 n m t o 5 n m . t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n w a s p e r f o r m e d a n d it i s f o u n d t h a t t h e s t r e s s o f t io 2 / s io 2 n a r r o w b a n d in t e r f e r e n c e f i l t e r s m a y b e z e r o . i n c o n c l u s i o n , w e o b s e r v e t h a t b o t h m o n o l a y e r t h i n f i l m s a n d m u l t f i l m s d e p o s it e d w it h io n a s s is t a r e m u c h m o r e p r o f ita b le t h a n t h o s e d e p o s io n a s s i s t . t 102 f i lm i p l a y e r t h i n i t e d wit h o u t 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 . 1 光学薄膜的应用 光学薄膜通常是指能够对光产生干涉的单层或多层膜， 这些膜层具有各种不 同的光、 机、电 特性，由 此可以组合构造出各种功能和用途的薄膜器件。 几乎所有光学薄膜都依赖于干涉效应。 肥皂泡沫、 金属表面氧化层或水面上 油层的彩色现象都是薄膜干涉效应引起的。 在薄膜内 外表面反射光的光程差若是 光波长的整数倍，则发生相长千涉:若是半波长的奇数倍，则发生相消干涉。 光学薄膜己 成为现代光学不可缺少的一个重要组成部分， 没有光学薄膜， 许 多现代光学装置便无法发挥效能， 甚至完全失去作用。 无论在提高或降低反射率、 透过率、 吸收率和散射率， 在光束分开或合并、 分色或合色、 偏振或消偏振、 光 谱带透过或阻滞， 还是在相位变化等等方面， 光学薄膜器件都起了至关重要的作 用。 光学薄膜应用广泛， 从最基本的比 如照相机、 摄像机、 望远镜、 显微镜镜头 为了增加透射光强而需要镀单层或多 层增透膜到为了增加反射光强需要镀增反 膜: 光学系统中 所用的分束镜、 截止滤光片和带通滤光片等也要由光学薄膜来实 现; 此外光纤通信、 激光光学中也用到大量的薄膜器件; 薄膜还广泛应用于信息 存储、半导体器件、光电 显示等领域等。 薄膜的特性决定了薄膜的用途，以下几种特殊薄膜应用前景广泛: 令 导电薄膜 导电薄膜就是利用薄膜材料的尺寸效应和结构缺陷， 导致薄膜电导率、 电阻 温度系数及磁滞电阻等参数改变的薄膜。 它在光电 子器件以及集成电路中应用广 泛， 它是主要的电极薄膜和导 线薄膜。 它有良 好的导电 特性， 反射率高， 常用材 料 有 a u , a i及 a i l ) 等 。 透 明 导 电 薄 膜 i2 1 因 其 同 时 具 有 可 见 光 谱 范 围 内 透明 和良 好的导电 性而广泛地应用于各种重要的领域， 广泛应用于建筑物等窗口 上的 透明 隔热薄膜和激光技术、空间光调制器、光开关及光存储器的透明电极等。 i t o ( i n d iu m t i n o x id e ) ja i0 -s 1 是 一 种 很 好的 透明 导 电 膜。 it o 膜由 于 其 低电 阻 率、 高可见光透射率、 与玻璃基体结合牢固、 抗擦伤、 良好的化学稳定性等优点， 得到了 越来越广泛的应用。近年来， i t o 膜还被用作飞机座舱玻璃散射雷达波的 浙江大学硕士论文 隐身涂层， 将雷达波散射到非有效空间方向， 从而缩减了飞 机座舱的雷达散射截 面r c s . 令 光电导薄膜 光电导薄膜是指某些薄膜在外界光照下， 其载流子浓度发生变化， 形成光生 载流子从而改变了薄膜的电导率， 或产生光生伏特效应的薄膜器件。 该薄膜器件 在光电检测、 图像传感以及太阳能利用等方面都有重要的应用。 材料对光的吸收 有多种机理， 一般有本征吸收， 杂质吸收， 激子吸收，自由 载流子吸收及晶格吸 收等。 前两种对产生光电导有贡献， 后三种则不产生光电导， 且往往伴随有热效 应。 c d s 和 c d s e 6 l 是两 种 重要的光电 导薄 膜 材料， 它 们都 具 有可见 光光潜 响 应， 峰值光潜 响 应分别为 0 . 5 u m 和 0 . 7 u m ; 在各种光电 器件中 ， 例如光电 池、 薄 膜晶 体 管 和 液 晶 光 阀 ( l c l v s ) i, , 等 都 会 用 到 us 和 c d s e 薄 膜 。 此外，非晶硅薄膜 s i : h由于其优良的光电导性能和制备特点，而得到人们 的日 益重视。人们对非晶硅薄膜在太阳能电池、薄膜晶体管 ( t f t ) 、静电复印 以及作为存储器件和显示器件等方面的应用做了大量的研究。 令 电 致发光薄膜 电致发光薄膜分有机电致发光和无机电致发光两种。 无机电致发光薄膜器件 由 夹在二个电 极层之间的 发光 层与 绝缘层组成。 簿膜电 致发光错件( t h in f i lm e le c t r o l u m i n e s c e n c e d e v ic e s - t f e l ) 采用真空 热蒸发或 溅射技术 制备发 光层薄 膜， 膜层厚度小于1 1u m ， 所以 配合两侧绝缘薄膜可以 制成工作电 压低亮度高工作寿 命 长的 器 件。 常见无 机电 致发 光 膜为 z n s :m n 薄 膜(7 l 等。 有机电致发光薄膜是一种以p n 结注入式发光为机理的电致发光薄膜。其发 光 机理是基于在外场作用下， 电子与空穴分别从电 极注入发光薄膜， 并在发光薄 膜中复合， 激发发光薄膜中的发光激子， 激子的回跃产生发光。目 前， 有机电致 发光薄膜的研究日 趋成熟， 用来制作有机电致发光薄膜的材料很多， 可分为三大 类 ($ ) : ( 1 ) 金 属 猩 星 盐 : ( 2 ) 有 机 染 料 ; ( 3 ) 高 分 子 p p v的 衍 生 物。 用 来 成 膜 的 方 法有真空蒸发镀膜法和甩膜法，而前者较为成熟， 广为采用。 令 电致变色薄膜 电致变色 ( e le c t r o c h r o m i s m ) 现象是指在电 场 ( 或电流) 的作用下， 材料的 光学性质发生了 持续可逆变化 ( 简称e c ) 。 这些材料光学性质发生可逆变化的机 浙江大学硕士论文 理是在于这些材料在电场作用下注入或抽取了离子引 起的 物理或化学变化的结 果。 电致变色材料因其具有不受视角限制、 驱动电 压低、 透光率可在大范围内调 节等优点，适合应用于建筑灵巧窗、信息显示等。电 致变色材料主要可 分为两大 类， 即m o . w. n i 等一类过渡金属氧化物和导电 聚合物， 其中的无机材料因其抗 紫外性能优于有机材料而更具优势。 但目 前被研究的无机电致变色材料大多局限 在无色、 蓝色或棕色之间的转换。 作为变色材料， 这显然不能满足实际应用的要 求，由此可见， 研究涵盖多种色彩的电致变色材料具有重要意义。 常用的有w 0 3 薄 膜 19 1 等。 4 液晶薄膜 液晶是一种介于液体与晶体之间的中间态， 它既有液体的流动性， 又有类似 晶体结构的有序性， 所以 液晶又叫液态晶体或晶状液体、 介晶液体或中介相等 。 在未加驱动电 压时， 液晶分子的排列方向受基板表面张力的控制: 加上驱动电 压 后， 其排列方向受电场控制， 从而使液晶的光学特性发生改变， 达到显示的目的。 它是目 前平面显示领域中最重要的方式， 应用前景十分广阔，有取代 c r t电子 显 像 管的 趋 势和 潜力 0 a 1 总之， 在光学系统中光学薄膜的作用主要表现为: 改变光强分配、 偏振状态 或位相特性， 包括提高光学效率、 减少杂光的高效减反射膜、 高反射膜; 实现光 束的调整再分配的分束膜、 分色膜、 偏振分光膜; 通过波长的 选择性透射或反射 提高系统信噪比的窄带及带通滤光片、 长波通、 短波通滤光片; 实现某些特定功 能的i t o透明导电膜、光电导膜、发光膜、变色膜、保护膜等 1 . 2 光学薄膜的制备方法 制备薄膜的方 法基本上可以 分为两大类， 即化学气相沉积( c v d ) 方 法、 溶液 成膜法等化学方法和物理气相沉积( p v d ) 方法等物理方 法。 我们主要致力于物理 方法， 因为这种方法可形成纯度高、 性质优良的光学薄膜。 实际上， 物理方法能 适用于所有的材料并能制备出 各种厚度的薄膜。 日 前对于光学薄膜的制备， p v d 技术最为常用，下面给以着重论述。 物理气相沉积是一种真空镀膜技术， 它是指在真空条件下加热材料， 使材料 分子或原子以直线形式向四周蒸发， 从而在基板上沉积出均匀的薄膜。 根据蒸发 浙江大学硕士论文 方式的 不同 可以 分为 热蒸 发、 溅射 x 1 1 1 . 离 子 镀7 2 - ij 】和分 子 束外延( m b e ) 14 1等。 表1 - 1 三种常见的镀膜方法的比较 、 、 、二1 x i s * - ，、二 叫公场三 -一- 离子 项目电 祖加 偏 i 电 子 丈 筑层密崖 值层 针孔、 气孔 任 谧时亩度 低 任祖时较多 城射位 成 二 ， 盲.度高密度 成与若片的界面层 若不进行热扩t处理， 界面抽晰 很资晰 附习性不大好较好非常好 取决于犯 材 纯度 基片傲班份况 住双 菊片的表面处理 常用压强仃. ) 取决于燕发材料的纯 崖 仅娜对鑫发娜的羞片 农面故妞度 离空中加热脱气或娜 光放电幼植表面 0 一. 0 一 对向花材盆片表蔺彼 艘月 滋射清倪、 月该( 反锐 射) 1 . s 火i o - - - 2 xi o - 取决于燕发材料的纯 度 在一定裕甘内所有表 面宪全被彼 成 城射礴抉( 在盆个成店 过祝中 进行) 2 x 1 0 - - 5 x 1 0 - - ， 注。 熟发 法除 衷列 方法之外， 还可呆用 易应加 热及傲光燕 发称。 以上几种技术是目 前薄膜制备中最常用的方法， 虽然这些技术均己比较成熟， 但 是仍然存在很多问 题。 分子束外延法成本较高， 除非制备极薄单晶膜， 一般不采 用这种方法。 表 1 - 1 是热蒸发、 溅射和离子镀等方法的比较， 这三种方法有各自 的优缺点， 其中离子镀有较好的附着力和较小的波长漂移; 而热蒸发的分子或原 子由于其能量有限， 在基板表面沉积时势必会造成松散的 “ 微孔” ，无法得到理 想的致密结构， 这就促使人们开始对薄膜的微结构进行深入研究。 离子辅助沉积 可以 将离子镀和热蒸发的优点完美结合起来， 可以 采用氧化物、 硫化物等颗粒状 薄膜材料， 也能得到较高的聚集密度和附着力的薄膜产品。 在本实验中， 主要采 用了 热蒸发的方法， 所以 在下文中将重点介绍热蒸发。 1 、热蒸发 热蒸发是在真空室中， 加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料， 使其原子或者 分子从表面气化逸出， 形成蒸汽流， 沉积到固体 衬底或基板) 表面， 凝结形成 固态薄膜的方法。热蒸发镀膜一般包括以下三个基本过程: 1 )加热蒸发过程。 包含由固相转变为气相或液相的相变过程。 每种蒸发物 质在不同温度下有不同的饱和蒸汽压。 2 )气化原子或分子在蒸发源和基板之间的输运， 即这些粒子在真空室中的 浙江大学硕士论文 飞行过程。 3 )蒸 发原子或分子在基板表面的 沉积过程， 即 蒸汽凝聚、 成核、核生长、 生成连续薄膜。 热蒸发是一种发展较早、 应用最广的蒸发方法。 当材料被加热时， 其原子会 从表面逸出。 蒸发材料的蒸汽在与固态或液态平衡过程中所表现出 来的 压力称为 蒸汽压， 这是一个重要参数。 加热的方式主要有电 阻加热、 电子束加热、 高频感 应加热和激光加热等。这里只介绍常用的前两种方法。 电阻加热法是利用电阻热来蒸发材料的方法。 它主要应该考虑蒸发源材料和 形状。 蒸发源材料的熔点和蒸汽压、 蒸发源材料和薄膜材料的反应以 及与薄膜材 料的 湿润性是选择蒸发源材料的三个基本问 题。 常用的蒸发源材料有石墨 基片温度毛，如图1 - 2 所示: 浙江大学硕士论文 区坡 1 柱体和空隙 区城 2 致密的性体 区 城9 多 品 区域 9 玻 瑞 态 从板 g,匡 1 k, 域 金属 软化物 0 . 刁 5 气 区 文a 夕 孔 图1 - 2薄膜结构的分区模型 由 于t s 7 m 几乎总是小于0 .4 5 ， 所以薄膜的结构总是明显的柱状结构， 绝大 部分的薄膜是在区域1 的基板温度上沉积的， 其柱体截面直径为几十纳米， 柱体 之间有明显的分界表面， 柱体之间的空隙犹如毛细孔， 在环境气氛中会产生吸附 现象，这就是薄膜会吸收潮气而导致折射率变化的原因。 后来有人将气压的影响考虑在内，扩展后的结构如图1 - 3 所示。 由 俄密 堆权的奸 堆 住状品 由空们仍开的桩状晶 位姐成的多孔绪构 图卜 3扩展了的薄膜结构分区模型 为了 研究薄膜的这种柱体结构，人们提出了聚集密度 ( 尸 )的概念: 尸= 薄膜中固体部分的体积 薄膜的总体积( 柱体十 ( 柱体) 空隙) 浙江大学硕士论文 对于实际的薄膜， p一般在0 . 7 5 - 0 .9 5 之间，只有像离子镀、 溅射或离子辅助等 技术才能使其接近1 。某些特殊的材料比 如z n s ，在普通沉积方式下就可以达到 接近于尸 月 的水平。 薄膜的柱状微结构带来很多问 题。首先它使得薄膜的折射率小于块状材料 的折射率， 这样薄膜的折射率会随着制备参数的改变而改变， 同时由 于柱状结构 的毛细孔吸水使得薄膜置于空气中折射率会发生变化， 这带来了不稳定因素， 因 此在薄膜的制备过程中尽量增加其聚集密度是我们的研究课题之一， 而离子辅助 沉积技术 ( i a d ) 可以提高入射到基板的分子动量， 使其表面迁移以 及纵向 运动 能量均有所增加，从而得到更加致密的薄膜。 1 . 4 1 . 4 . 1 离子辅助沉积技术 ( i a d ) 离子辅助沉积技术概述 离子辅助沉积技术是在真空镀膜的基础上发展起来的一种辅助手段。 它是这 样 一种工艺过程 p 5 1 : 膜料 从电 阻 加热 源或电 子束加热 源蒸 发， 沉积 分子 或原子 不断受到来自 离子源的荷能离子的轰击， 通过动量转移， 使沉积分子或原子获得 较大的动能。 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1 - 4 是离子辅助镀膜系统结构示意图。 i t 0 . % :r 恤. 电户瓦 弓 # 发内 i w 图1 一 离子辅助镀膜示意图 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，从而提高了吸附分子或原子的迁移率.有人提出1 1 5 1 , i a d 浙江大学硕士论文 包括以下重要过程; ( 1 ) 表面原子的溅射; ( 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 ) 蒸汽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， l a d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 ( 如图1 - 3 ) ， 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. l a d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，有大量文章对此展开了论述 16 - 18 1 1 . 4 .2 常用离子源介绍 在实践过程中人们发明了各种离子源来满足不同的需要， 下面简要描述其中 的几种。 1 、空心阴极离子源 空 心阴 极离 子 源是用于l a d 最早的 离 子 源之一， 由h e i t m a n 和e b e rt 研制 1 5 h e it m a n 的 源由置于两个硅硼酸耐热玻璃罩内的两个圆柱形铝空心阴极组成。 气 体入口 在外壳的 后端.离子束的出口 是中心顶部的一个口 径为。 . 7 5 m m的喷嘴。 放电电压约为 1 a k v( 交流) ，可获得的最大放电电流为5 0 0 m a。电流值的上限 受热对硅硼酸耐热玻璃罩的限制:e b e r t 的源只有一个罩，喷嘴用一个中心带小 孔的石墨盖盖住。它可以用直流或交流电压运行。在4 0 0 m a的放电电流下，最 大离子能量可达 1 5 0 e v 。 在这种源中只有6 %的分子被电离， 而且没有引出栅极。 由于它是冷阴极源， 故可长期使用而不致烧坏。 它对电 流密度和离子能量没有独 浙江大学硕士论文 立控制。 2 , k a u f m a n 离子源 k a u f m a n 离子源 ( 如图1 - 5 ) 是现在最通用的离子源之一，它以其发明 者的 名字命名 1 9 1 0 1 。 气体被引 入一个有能发射电 子的 热阴 极的 放电 室内， 阴 极周围 nl e t 胡 0 口 e s m u l t l p o l e m a g n e t i cf i e l d s o u r c e b ody s c r e e n g r i d ,a c c e l e r a t o rg r id b r o a d - b e a m mu l t i a p e r t u r ei o n b e a m s o ur c e . 图1 - 5 k a u f m a n 离子源示意图 围绕着一个圆柱形阳极， 气体在两个电 极之间被电离。 为了 确保电 子束和提高电 离效率， 用永久磁铁在横过电 子运动的方向 上加磁场。 它有两个栅极， 一个称为 屏栅， 一个称为加速栅。 气体进入后， 阴极反射的电 子碰撞气体分子并将它们电 离， 产生的离子一部分到达放电室的表面而复合， 而其它一些离子通过屏栅的孔 后形成小束， 这些小束由 加速栅引出。 由于两栅的孔是对准的所以没有碰撞就通 过了， 于是一高能量的中性离子束就可以 用来辅助镀膜了。 中性化是为了 避免电 荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。 3 , h a l l 离子源 端部霍尔离子源2 1 1 ( e n d - h a l l i o n s n ll 。 。 、具拼生垂， 。r m. *b二。二 。* n iv n n j f j j 。一 、 二 一 。 al : ; o n o u r c e 足1 r 米为i a d应用而发展起来 的一种低能离子源。 这种源没有栅极， 阴极在阳极上方发出热电子， 在磁场作用 下提高了电子碰撞工作气体的几率， 从而提高了电 离效率。 正离子因阴极与阳极 间的电 位差而被引出。 此离子能量一般很低 ( 5 0 e v 1 5 0 e v ) ， 但离子流密度很高， 发散角大， 维护容易， 不过需要气体量大， 因此要求真空抽速大， 它比有栅极的 离子源便宜，更适合做离子辅助镀膜。常用h a l l 源原理图 及电 压配置如图1 - 6 a 浙江大学硕士论文 图1 - 6 h a l l 型离子源原理图及电 压配置 4 、 微波离子源 微波离子源用于反应性气体等离子体刻蚀，仑 用微波发生器产生等离子体。 微波腔内的强轴向场导致电子回旋共振， 从而提高电离效率。 放电室端部的栅极 引出离子。与 k a u f m a n 型离子源不同，这种源避免了反应性气体中灯丝寿命短 的问题，而且也可以引出很低能量的离子。 离子源的反应气体一般包括氧气、 氮气等， 工作气体为原子量较大的惰性气 体如氢气、 氮气等， 流量控制在大约 1 0 - 3 0 s c c m . 蒸镀材料与气体的搭配也是离 子辅助镀膜中的研究课题之一。 1 . 4 .3 k a u f m a n 和h a l l 源性能比较 k a u f m a n 源和h a l l 源是目 前最常用的两种离子源。 k a u f m a n 源具有离子能量 高、 参数调节范围宽又便于直接显示、 操作方便等优点， 同时它离子能量高， 其 缺点是由于使用热阴极， 在活性气体下工作易发生化学反应， 因而寿命短;h a l l 源具有能量低、 束流密度高、 均匀性好等优点， 比较适合离子辅助镀膜应用， 其 缺点是能量谱宽，离子能量无法测量。 表 1 - 2 是两种源的具体比较。 表 1 - 2 k a u f m a n 源和h a ll 源的性能比较 ka dma n ha l l 有两个栅极 无栅极 离子发散角小 发散角大，均匀性好 价格高，维护复杂 价格低，维护方便 浙江大学硕士论文 放电要求充气量少充气量多，要求真空系统抽速快 栅的静电加速电场磁场加速 高能 ( 2 0 0 e v ) ，低束流低能 ( 5 0 -1 2 0 e v ) 高束流 容易测离子能量和束流 专门仪器才能测离子能量和束流 栅极污染严重，灯丝寿命短 污染小 灯丝寿命长 1 . 5 本课题的研究工作 本课题应用北京东方泰克高技术有限公司生产的h 型端部无栅h a l l 离子源对 离子辅助沉积工艺及薄膜性能开展了研究， 研究工作主要集中在两个方面: ( 1 )离子辅助沉积对单层膜特性的影响 研究的工作包括: i .研究的 单层膜为t 10 2 , t a 2 0 5 , s i0 2 等氧化物介质薄膜， 分别制备了 离子 辅助条件下沉积的薄膜和常规工艺下沉积的薄膜: 2 .对两种条件下制备的单层氧化物介质薄膜的光学特性和机械特性进行对 比研究，对不同离子辅助条件下制备的单层氧化物介质薄膜的光学特性 进行对比研究; 3 .研究的光学特性包括折射率n 、 消光系数k 、 波长漂移a a 和聚集密度p ; 4 .研究的机械特性为薄膜的应力; 5 .研究了单层氧化物薄膜的光学特性和应力特性随参数的变化规律， 这些 参数主要包括:基板温度、离子源阳极电压、阳极电流及薄膜厚度。 ( 2 )离子辅助沉积对多层膜特性的影响 研究工作包括: 1 .研究的多层膜为全介质 f - p窄带干涉滤光片，选用的材料包括: t a 2 0 5 - s io 2 和t 10 2 - s io 2 两 组 ; 干 涉 滤 光 片 膜 系 为 : g ( h l ) 3 h h ( l h ) 3 a 或 g ( h l 户 h l l h ( l h 广 a ; 2 .对比研究了 常规工艺下和离子辅助沉积下制备的全介质窄带干涉滤光片 波长漂移。 3 研究 膜系为g ( h l ) 3 h l l h ( l h ) 3 a的t 10 2 - s io 2 窄 带滤光 片的 应力。 通过对以上内容的研究， 得出离子辅助条件下制备的薄膜相对常规工艺下制 浙江大学硕士论文 备的薄膜性能有了明显改善。 单层氧化物薄膜的折射率和聚集密度得到提高; 干 涉滤光片的波长漂移明显减小; 在基板温度低于1 0 0 时， 在离子辅助工艺条件 下镀制的 t i0 2 薄膜应力略大于常规工艺条件下得到的应力;随着薄膜厚度的 增 加， t 10 2 薄膜的应力逐渐减小， 从 1 2 5 nn 的3 9 2 m p a 下降到4 8 8 n m的3 0 m p a ; 离子源阳极电 压对薄膜应力影响也较大， 在1 0 0 v 时得到的薄膜应力为1 6 4 w it , 当电压升高到1 9 0 v时，应力下降到7 5 mp a :同时也测试了s o: 和t a 2 0 5 单层 薄膜的应力，发现 t a 2 0 5 薄膜的 应力特性与t 10 2 薄膜的类似，s i0 2 的薄膜的应 力为压应力。 采用霍尔源离子辅助沉积 ( i a d ) 技术制备了t i0 2 / s io 2、 t a 2 0 5 / s i0 2 窄带 千涉滤光片， 并与常规沉积条件下制备的样品做了比较， 并在各种参数条件下对 薄膜样品进行特性分析， 发现离子辅助明显地减小了 滤光片的光谱漂移( 入 ) ， 光谱稳定性得到很大提高。 同时发现间隔层对光谱漂移的影响最大， 越远离间隔 层的膜层，其影响越小:在各种基板温度下，离子辅助工艺技术制备 t 10 2 / s io 2 窄带干涉滤光片漂移a比常规工艺小8 n m 左右; 在离子辅助工艺条件下， 发现 随着阳极电流的增加， t a 2 o 5 / s i0 2 窄带干涉滤光片的中 心波长的漂移有明显的下 降，从 1 .4 a的 1 0 n m下降到2 .6 a的5 n m 。同时还分析了t 10 2 / s io 2 滤光片的应 力特性，发现该滤光片存在零应力的可能。 本课题的创新点主要包括: 1 用台阶仪测量镀膜前后基板的曲 率， 再根据公式计算薄膜的应力。 这是 一种测试薄膜应力的新方法，具有快速、简单及有效等特点。 2 .理论计算了 t 10 2 / s io 2 滤光片的应力特性， 发现该滤光片存在零应力的 可能。 3 .探讨了 在各种参数变化下，单层膜和滤光片的光学特性和应力特性。 参考文献 ( 1 n in g z讹h e n g s h g e s b e t a 几 p r e p a r a t i o n la s e r d e p o s it i o n , t h i n s o l i d f i l m s , 1 9 9 7 :3 0 7 :5 0 - 5 3 2 d e w a r j o s h i j c , r e v ie w s e m i c o n d u c t i n g a p p l i c a t i o n s , j a p p l p h y s , l 9 8 0 : 5 1 ( 1 2 ) : 6 2 4 3 - 6 2 5 1 a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f z n o :a l f i l m s b y p u ls e d t h in f i lm s :t h e i r p r o p e rt i e s 3 c h o p r a , m a j o r s , p a n d y a d k c o n d u c t o r s - a s t a t u s r e v i e w ,t h in 浙江大学硕士论文 f il m s , 1 9 8 3 : 1 0 2 : 1 - 4 6 . 1 4 mo rt o n d e , d in c a a , l o n - a s s is t e d d e p o s it i o n o f c- g u n e v a p o r a te d i t o f il m s a t lo w s u b s t r a t e te m p e r a t ir e ,4 2 d a n n u a l t e c h n ic a l c o n f e r e n c e o f t h e s o c ie ty o f v a c u u m c o a te r s ,c h ic a g o a p r il . 5 岳锡华 ， 赵屹 ， 张维 佳， i t o 透明 导电 膜的 制备 及 性能 ” ， 航 空学 报， 1 9 9 6 : 1 7 ( 1 ) : 5 7 - 6 3 . 6 朱振 才， 顾培夫 ， 高电 阻 率c d s s 。 光电导 薄 膜 ， 半导 体光f , 1 9 9 2 : 1 3 ( 4 ) :3 7 7 - 3 7 9 . 7 赵 丽 娟， 钟国 柱， m o c v d法z n s :m n 电 致 发 光 薄 膜的 晶 体 与 光 学 特 性， 稀 有 金 属 1 9 9 6 : 2 0 ( 5 ) : 3 2 6 - 3 2 9 8 l 范希智 ， 李刚正 ， 有机电 致发 光薄膜的 研制 ” ， 鞍山 师范学院 学 报， 1 9 9 9 : 1 ( 3 ) : 5 0 :5 4 9 孙宁 ， 赵灵艺” 电 致变色 薄膜 研究 进展 ” ， 中国 陶瓷 , 1 9 9 8 : 3 4 ( 5 ) : 3 4 - 3 7 . 1 0 p a u l d y z u ic , p o ly m e r d is p e r s e d n e m a t ic l iq u id c ry s t a l f o r l a r g e a r e a d is p l a y s a n d l ig h t v a lv e s ,j .a p p i . p h y s :6 0 ( 6 ) :2 1 4 2 . 1 1 1 叶 志 镇， 磁 控溅射技术在光学 薄 膜中的 应 用研究， 浙 江大学 博士 论文 ( 1 9 8 7 ) 1 2 周克k袁镇 海 ， 罗 广南 ， 离 子镀 技术及 其发展 ( 均” ， 中国 表面工 程 . 1 9 9 6 :4 . 1 3 杨国伟， 离子镀光学薄膜的 等离子休物理过程， 半导体光电 ， 1 9 9 6 : 1 . 1 4 l o y代 n e w a p p r o a c h t o g r o w