（光学工程专业论文）离子辅助沉积对薄膜特性的影响.pdf

硕士生毕业论文 摘要 本论文的主要工作是对常规工艺下和离子辅助条件下沉积的薄膜的特性进 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t i 0 2 、t a 0 5 、n b 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。光学特性涉及折劓率、消 光系数、波长漂移、聚集密度和表面粗糙度，机械特性涉及硬度和附着力。通过 研究，发现离子辅助沉积对单层薄膜的光学特性和机械特性均有明显改善。l a d 使n b 2 0 5 薄膜的聚集密度提高了1 4 ，折射率从常规工艺的2 0 3 提高到2 1 8 ， 膜层的附着力和牢固度从常规工艺的1 0 1 0 7 n m 2 提高到1 2 9 7 1 0 7 n m 2 ；同样， t a 2 0 5 薄膜的聚集密度提高了1 3 ，折射率从常规工艺的2 0 3 提高到2 2 3 ；t i o ， 薄膜的聚集密度提高了2 0 ，折射率从常规工艺的2 0 3 提高到2 3 7 。 2 多层膜的研究 采用霍尔源离子辅助沉积( i a d ) 技术制各了z n s m g f 2 、n b 2 0 5 s i 0 2 、 t i q s i o z 多层膜窄带干涉滤光片，并与常规沉积条件下制各的样品做了比较。 发现离子辅助明显地地减小了滤光片的光谱漂移( ) ：z n s m g f 2 多层膜窄带 干涉滤光片实测漂移a o 5 r i m ，光谱稳定性得到很大提高。计算了滤光片中 m g f 2 膜层的聚集密度，离子辅助使m g f 2 的聚集密度从常规条件下的o 7 0 提高 到o 9 7 ，增幅达3 8 。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；而n b 2 0 5 s i 0 2 多层膜窄带干涉滤光片漂移 从常规工 艺的2 9 4 n m 降到1 2 4 n m ：t i 0 2 s i 0 2 多层膜窄带干涉滤光片漂移 从常规工艺 的2 4 7 n m 降到8 ，4 n m 。 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特性得 到明显改善。 关键词：薄膜：离子辅助沉积；聚集密度：附着力；窄带滤光片 硕士生毕业论文 _。_。_-。_。-。_。_-_。_-。，。_。，。_-。1一 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h i nf i l m sa r ed e p o s i t e do nk 9g l a s ss u b s t r a t e su s i n ga n e - b e a mg u n e v a p o r a t i o nw i t ht o we n e r g yo x y g e n i o na s s i s t e dd e p o s i t i o n ( 1 a d ) f r o m a l le n d h a l li o ns o u r c e ac o m p a r i s o no ft h eo p t i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o h i l a n c ei s m a d eb e t w e e nw i t hi a da n dw i t h o u ti a d t h er e s e a r c h e d t h i nf i l m si n c l u d e s m o n o l a y e r t h i nf i l m sa n dm u l t i l a y e rt h i nf i l m s 1 t h er e s e a r c ho fm o n o l a y e rt h i nf i l m s i nt h ep a p e r ，t l l r e em o l o l a y e rt h i nf i l m s t i 0 2 、t a 2 0 s 、n b 2 0 5o x i d ed i e l e c t r i ct h i n f i l m sa r es t u d i e d ac o m p a r i s o no ft h eo p t i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei sm a d e b e t w e e nw i t hi a da n dw i t h o u ti a d t h eo p t i c a lp e r f o r m a n c e si n c l u d et h er e f r a c t i v e i n d e x 、t h ee x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t 、t h ep a c k i n gd e n s i t y 、t h ev a c c u m t o - a i rs h i f ta n dt h e a f m i m a g e so ft h es u r f a c e ；t h em e c h a n i c a lp e r f o m l a n c e si n c l u d et h ea d h e s i o na n d t h eh a r d n e s s w eo b s e r v et h a tf i l m sd e p o s i t e dw i t hi o l la s s i s ta r em u c hm o r e p r o f i t a b l et h a nt h o s ed e p o s i t e dw i t h o u ti o na s s i s t t h ei a di n c r e a s e st h ep a c k i n g d e n s i t yo fn b 2 0 5f i l m sb v14 ，h e n c et h er e f r a c t i v ei n d e xa r i s e sf r o m2 0 3u p t o2 18 a n dt h ea d h e s i o na r i s e sf r o ma b o u tl 1 07 n m t o1 2 9 7 1 07 n m 2 ：t h ej a d i n c r e a s e st h ep a c k i n gd e n s i t yo ft a 2 0 5f i l m sb y13 ，h e n c et h er e f r a c t i v ei n d e xa r i s e s f r o m2 0 3 u p t o2 2 3 ；t h ei a d i n c r e a s e st h ep a c k i n gd e n s i t yo ft i 0 2f i l m sb y2 0 h e n c et h er e f r a c t i v ei n d e xa r i s e sf r o m2 0 3u p t o2 3 7 2 t h er e s e a r c ho fm u l t i l a y e rt h i nf i l m s z n s m g f 2 、n b 2 0 f l s i 0 2 、t i 0 2 s i 0 2n a r r o wb a n di n t e r f e r e n c ef i l t e r sa r ed e p o s i t e db y 1 a dw i t ha ne n d h a l li o n s o u r c e c o m p a r e d t ot h e s p e c i m e n sp r o d u c e db y c o n v e n t i o n a lp r o c e s sd e p o s i t i o n ，w ed i s c o v e rt h a ts p e c t r a ls h i f t ( a ) o ft h ef i l t e ri s r e d u c e do b v i o u s l yb yu s i n gl a d t h et y p i e a lr e s u l ts h o w st h a tt h es p e c t r a ls h i f to f z n s m g f 2 n a r r o wb a n di n t e r f e r e n c ef i l t e r si sl e s st h a n0 5 n m t h ef o r m u l af o r e s t i m a t i n gp a c k i n gd e n s i t yo f t h ef i l m sw a sp u tf o r w a r di nt e r m so ft h em e a s u r e da x a n dt h e p a c k i n gd e n s i t y o fm g f 2l a y e r si nt h ef i l t e r sw a sc a l c u l a t e d t h e c a l c u l a t e dd e n s i t yo fm g f 2w i t hl a dw a si n c r e a s e df r o m0 ，7 0f o rc o n v e n t i o n a l p r o c e s s t o0 9 7 m e a n w h i l ew ef i n dt h a tt h es p a c e rl a y e rh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h e s p e c t r a ls h i f t t h ef u r t h e rt h el a y e r sa r ea w a yf r o mt h es p a c e r , t h el e s st h ee r i e c t ；i n t h es a m ew a y ，t h ei a dr e d u c e st h e s p e c t r a l s h i f to fn b 2 0 5 s i 0 2n a r r o wb a n d i n t e r f e r e n c ef i l t e r sf r o m2 9 4 r i mt o1 2 4 n m ；t h e1 a dr e d u c e st h e s p e c t r a l s h i f to f t i 0 2 s i 0 2n a r r o wb a n di n t e r f e r e n c e 丘i t e r sf r o m2 4 7 n mt o8 4 r i m i nc o n c l u s i o n ，w eo b s e r v et h a tb o t hm o n o l a y e rt h i nf i l m sa n d m u l t i p l a y e rt h i nf i l m s d e p o s i t e dw i t hi o na s s i s ta r em u c hm o r ep r o f i t a b l et h a nt h o s ed e p o s i t e dw i t h o u ti o n a s s i s t k e y w o r d s ：t h i nf i l m s ；i o na s s i s t e dd e p o s i t o n ；p a c k i n gd e n s i t y ；a d h e s i o n ；n a r r o wb a n d f i l t e r s 3 硕士生毕业论文 第一章绪论 1 1 光学薄膜应用概述 光学薄膜通常是指能够对光( 除激光) 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。 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。它可以改变光学仪器的透射率、反射率、吸收 率和散射率等，可以产生出分柬或合柬、分色或合色、偏振或消偏振、光谱带透 过或阻滞等功能的器件。 光学薄膜应用广泛，从最基础的比如照相机、摄象机、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。 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： 导电薄膜 导电薄膜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 l 、a g 1 1 等。透明导 电薄膜( t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v ef i l m s ) 2 【3 】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 膜是一种很好的透明导电膜。 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 生载流予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 硕士生毕业论文 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 l 4 1 是两种重要的光电导薄膜材料，它们都具有可见光光谱响 应，峰值光谱响应分别为0 ，5 um 和0 7 um ；此外，非晶硅薄膜c 【一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。 一电致发光薄膜 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。薄膜电致发光器件( t h i nf i l m e l e c t r o l u m i n e s c e n c ed e v i c e s t f e l ) 采用真空热蒸发或溅射技术制各发光层薄 膜，膜层厚度小于1pm ，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5 1 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。 电致变色薄膜 电致变色( e l e 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。常用的有w 0 3 薄膜等1 6 】。 一液晶薄膜 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。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l e d 电子显像管的趋势和潜力7 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 硕士生毕业论文 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、保护膜等。 1 2 光学薄膜的常用制备方法 目前比较成熟的光学薄膜制各技术可以归纳为以下三类：物理气相沉积 ( p v d ) 方法、化学气相沉积( c v d ) 方法、溶液成膜法。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 分子或原予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 方式的不同可以分为热蒸发、溅射、离子镀和分子束外延( m b e ) 四种。 l 、热蒸发 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 蒸气压。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( c ) 、 钨( w ) 、钽( t a ) 、铌( n b ) 、铂( p t ) 等，它们都有很高的熔点。此外针对不 同的材料要选择不同形状的蒸发源，如u 形、螺旋形、舟形等。电阻加热法的 优点是设备简单，操作方便，易于实现薄膜沉积过程自动化。但是它不能直接蒸 发难熔金属和高温介质材料；同时由于加热子与膜料直接接触，造成膜层污染。 而下面介绍的电子束蒸发可以在很大程度上克服这些缺点。 电子束加热法的原理是：电子枪发射的高速运动的电子流在电磁场中聚成细 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。 我的毕业设计中将会用到e 形枪，因此下面介绍e 形枪的工作原理。采用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、 6 硕士生毕业论文 偏转磁铁和无氧铜水冷坩埚组成。从灯丝发射的热电子经阴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 形枪的聚焦特性主要决 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法 更牢固致密的膜。 2 、溅射 荷能粒子轰击固体表面( 靶) ，而使固体原子或分子射出的现象称为“溅射”。 此技术已经广泛的应用于薄膜制各，包括金属、合金、半导体、氟化物、氧化物、 硫化物、硒化物、硅化物、碳化物等。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【8 】等。其中磁控溅射的适用面最广。磁 控溅射可以实现中高真空、高速率、大能量沉积薄膜。 3 、离子镀 离子镀是真空热蒸发和溅射两种技术集合发展起来的一种新工艺。分为直流 法离子镀、高频法离子镀和聚团离子镀，原理各不相同，其原理可参考薄膜光 学一书。离子镀有如下优点：膜层附着力强、膜层密度高、均匀性好、沉积速 率快等。目前的主要应用有：制造高硬度的机械刀具和耐磨的固体润滑膜。 4 、分子束外延( m b e ) 外延是在单晶基板上按一定方向生长成某种单晶膜的现象。分子束外延是 6 0 年代末在真空蒸发的基础上发展起来的一种制各极薄单晶膜的新技术【9 1 。这 种技术为生长超品格结构的高速光电子器件和实用的集成光学器件提供了条件， 特别是第三代半导体微结构。m b e 的基本过程是在超高真空条件下，不同强度 和不同化学成分的多个热分子束射到一个被加热到定温度的单晶基板上，通过 这些热能分子和基板表面的互相作用而生成单晶膜，这种生长机理使m b e 技术 可以生长出原子数量级厚度的极薄膜层。 以上是目前薄膜制备中最常用的方法，虽然这些技术均已比较成熟，但是仍 然存在很多问题。由于蒸发出的分子能量有限，在基板表面沉积时势必会造成松 硕士生毕业论文 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。 1 3 薄膜的微结构特性 薄膜的结构与成膜技术有密切关系。对于热蒸发技术得到的薄膜经研究发 现，无一例外是一种柱状结构，柱体之间存在空隙。薄膜的结构与成膜的基片温 度有密切关系。我们可以用分区模型来描述薄膜的结构。分区模型的主要参数为： 薄膜的熔点温度t m ，基片温度t s ，如图1 1 所示： 区域】 桂i 攀和空础 嚣城2 致街的箍体 诞城3 多晶 送域d 璁璃态 l 差城j 袅属 0 1 5 l 送h 甏4 ) l f il 1 薄膜结构的分区模型 由于t s 厂r 。几乎总是小于o 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i 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 2 ： 硕士生毕业论文 图1 2 扩展了的薄膜结构分区模型 构 o 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： 。薄膜中固体部分的体积( 柱体) 薄膜的总体积( 柱体+ 空隙) 对于实际的薄膜，p 一般在o 7 5 一o 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l 。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p = i 的水平。 薄膜的柱状微结构带来很多问题。首先它使褥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各参数的改变而改变，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。 9 硕士生毕业论文 1 4 离子辅助沉积技术( i a d ) 1 4 1 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：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1 3 是离子辅助镀膜 结构示意图。 图1 3 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，从而提高了吸附原子的迁移率。有人提出 1 0 】，l a d 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。 硕士生毕业论文 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 - - 2 ) ，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i a d 最早的离子源之一，由h e i t m a n 和e b e r t 研制”1 。 h e i t 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o 7 5 m m 的喷嘴。 放电电压约为1 4 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 受加热对硅硼酸耐热玻璃罩的效应的限制；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，虽大离子能量可达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，故可长期使用而不可能烧坏。它对电流密度和离 子能量没有独立控制。 2 、k a u f m a n 离子源 k a u f m a n 离子源( 如图1 - - 4 ) 是现在最通用的离子源之，它以其发明者 的名字命名 1 3 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 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 硕士生毕业论文 荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。 v f 耳2赏葺壶扎k - ” 毪l 蔼子。嚣 乖撼嘲 l t * k u p m 一 ， p # * n * 5 ”p * ，m * as n 日m 十# o 一_ f l o 一一 图1 - - 4k a u f m a n 离子源示意图 3 、h a l l 离子源 端部霍尔离子源( e n d h a l li o ns o u r c e ) 是近年来为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， 发散角太，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 - - 5 。 图1 - 5h 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，它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 1 2 皿卜耱岁 硕士生毕业论文 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 体如氩气、氙气等，流量控制在大约1 0 一3 0s 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 3k 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 1 是两种源的具体比较： 表1 1k a u f m a n 源和h a l l 源的性能比较 k a u f m a nh a l i 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 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 一1 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 本课题中的实验使用的是h a l l 源。 1 5 本课题的研究工作 本课题的研究工作主要集中在两个方面：( 1 ) 研究了离子辅助沉积对单层膜 特性的影响；( 2 ) 研究了离子辅助沉积对多层膜特性的影响。 ( 1 ) 离子辅助沉积对单层膜特性的影响 研究的工作包括： 1 研究的单层膜为t i 0 2 、t a 2 0 5 、n b 2 0 5 等氧化物介质薄膜，分别制备 硕士生毕业论文 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 、波长漂移凡、聚集密 度p 和表面粗糙度r a ： 4 研究的机械特性包括硬度和附着力f 。 ( 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：z n s m g f 2 、n b 2 0 s - - s i 0 2 、t i 0 2 - - 8 i 0 2 三组： 2 对比研究了常规工艺下和离子辅助沉积下制各的全介质窄带干涉滤光 片波长漂移，并根据波长漂移计算了材料的聚集密度。 通过对以上内容的研究，我们得出离子辅助条件下制备的薄膜相对常规工艺 下制备的薄膜性能有了明显改善。对于单层氧化物介质薄膜，它的折射率和聚集 密度得到提高，波长漂移减小，硬度和附着力增强，。i a d 使n b 2 0 5 薄膜的聚集 密度提高了1 4 ，折射率从常规工艺的2 0 3 提高到2 1 8 ，膜层的附着力和牢固 度从常规工艺的1 0 l o7 n m 2 提高到1 2 9 7 1 0 7 n m 2 ：同样，t a 2 0 5 薄膜的聚集密 度提高了1 3 ，折射率从常规工艺的2 0 3 提高到2 ，2 3 ；t i 0 2 薄膜的聚集密度提高 了2 0 ，折射率从常规工艺的2 0 3 提高到2 f 3 7 。 对于全介质f - p 干涉滤光片，它的波长漂移得到明显改善。z n s m g f 2 多层 膜窄带干涉滤光片实测漂移x 从常规工艺的1 2 3 n m 降到0 8 n m ；而n b 2 0 5 s i 0 2 多层膜窄带干涉滤光片漂移九从常规工艺的2 9 4 n m 降到1 2 4 n m ：t i 0 2 s i 0 2 多层膜窄带干涉滤光片漂移 从常规工艺的2 4 7 n m 降到8 4 n m 。 本论文还有两个创新点：n b 2 0 5 作为一种新型的介质薄膜材料，具有折射率 高、透明区宽等优点，本课题对它的研究走在t 全1 5 1 前列；通过z n s m g f 2 窄带 干涉滤光片的波长漂移 来计算的m g f 2 聚集密度为薄膜聚集密度的计算提供 了新方法。 硕士生毕业论文 参考文献 1 n i n gzy ，c h e n gsh ，g esbe ta l ，“p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f z n o ：a if i l m sb y p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ”，t h i ns o l i df i l m s ，1 9 9 7 ：3 0 7 ：5 0 - 5 3 2 d e w a r t j o s h ijct “r e v i e w s e m i c o n d u c t i n gt r a n s p a r e n t t h i nf i l m s ：t h e i r p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n s ”，j a p p lp h y s ，1 9 8 0 ：5 1 ( i 2 ) ：6 2 4 3 6 2 5 1 【3 c h o p r a ，m a j o rs ，p a n d y adk ，“t r a n s p a r e n tc o n d u c t o r s as t a t u sr e v i e w ”，t h i ns o l i d f i l m s 1 9 8 3 ：1 0 2 ：1 叫6 【4 朱振才顾培夫，“高电阻率c d s s e 光电导薄膜”，半导体光电，1 9 9 2 5 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 【6 1 孙宁，赵灵芝，“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 7 p a u ld y z u i c ，“p o l y m e rd i s p e r s e dn e m a t i el i q u i d c r y s t a l f o rl a r g ea r e a d i s p l a y sa n dl i g h t v a l v e s ”，j a p p l p h y s ：6 0 ( 6 ) ：2 1 4 2 【8 p t 。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 ) 【9 l o y h ，“n e wa p p r o a c h t o g r o w p s e u d o m o r p h i c s t r u c t u r e so v e r t h e c r i t i c a l t h i c k n e s s ”，a p p l i e d p h y s i c sl e r e r s ，1 9 9 1 ：5 9 ( 1 8 ) ：2 3 1 1 2 3 1 3 1 0 m o h a ns ，k r i s h n agm ，离子束辅助沉积光学薄膜综述( 刘建南译) 11 n e t t e r f i e l d pr ，s a i n t ywg ，m a r t i npj ，“p r o p e r l i e so fc e 0 2t h i n f i ! m s d r e p a r e d b v o x y g e n - i o n 。a s s i s t e dd e p o s i t o n , a p p l i e do p t i c s ，v 0 1 2 4 ：n o 1 4 ：2 2 6 7 - 2 2 7 2 1 2 m o h a ns ，k r i s h n am g ，“ar e v i e wo f i o nb e a na s s i s t e dd e p o s i t i o no f o p t i c a lt h i nf i l m s ”， v a c u u m ：4 6 ( 7 ) ：6 4 5 ( 1 9 9 5 ) 【1 3 李正中，薄膜光学与镀膜技术，艺轩图书出版社，2 0 0 1 ，3 6 0 3 6 6 1 5 硕士生毕业论文 第二章离子辅助沉积对单层膜特性的影响 研究的单层膜为氧化物介质薄膜，离子辅助沉积对氧化物介质薄膜特性的影 响有诸多报道【1 】【2 】，本论文选取t i 0 2 、t a 2 0 5 、n b 2 0 5 等三种高折射薄膜进行对比 研究，下文介绍了三种薄膜材料的属性0 1 。 2 1 薄膜材料属性 分子量7 9 8 8 ，密度4 2 9 ，熔点1 8 5 0 ”c ，在1 0 _ 4 t o i t 真空下的蒸发温度为 2 2 0 0 。c 。可用钨舟、钼舟加热蒸发，此时产生分解的吸收膜。也可由电阻加热蒸 发t i ，然后在空气中加热氧化而制备t i 0 ：薄膜。用电阻加热蒸发t i 0 也可以制 备t i 0 。薄膜。用化学薄膜法制备的t i 0 。薄膜是均匀的，机械性能极牢，在潮湿 的环境中也不腐蚀。用电子柬加热蒸发效果很好。 t i 0 。薄膜的透明区为0 3 5 1 2um ，其折射率与薄膜结构有关，n = 2 2 - 2 ，7 。 金红石结构的t i 0 2 薄膜n = 2 7 ( x = 5 4 6 n m ) ，锐钛矿结构的t i 0 ：薄膜n = 2 2 2 4 ( x = 5 5 0 n m ) 。t i 0 ：是具有高度合于需要性质的膜层材料。它坚硬、抗化学腐 蚀，在整个可见区和红外光谱区都是透明的，并且有很高的折射率值。所以在薄 膜技术发展的过程中，制备t i 0 。薄膜很早就被人们所关注。t i 0 。薄膜的首次制备， 不是由真空蒸发t i 0 ：而得到的，而是由真空蒸发t i 所得到的薄膜，在空气中经 热氧化处理后得到的。应用化学沉积法，即由钛的卤化物水解或有机钛化合物水 解也可以南4 备t i 0 ：薄膜，关于这方面的内容还可以参阅一些有关的文献。上述 这些方法对于沉积单层膜分光镜以及a 1 反射镜保护膜和a l 反射镜增加反射率的 双层膜是有效的，而对于沉积t i 砚多层膜是不适合的。由反应蒸发t i 0 制备t i 0 ： 薄膜则导致了沉积t i 0 。多层膜成为可能。1 9 6 5 年出现电子束加热蒸发制备t i 吼 薄膜的技术，使蒸发各种氧化钛相的初始膜料，特别是蒸发t i 。0 。初始膜料制备 t i o z 薄膜成为可能。随着离子源的出现，用离子辅助沉积技术制备t i 0 ：薄膜的研 究是非常有必要的，本课题将做这方面的相关研究。 1 6 硕士生毕业论文 2 1 2 t a 2 0 s 分子量4 4 1 8 9 ，密度8 7 4 ，熔点1 8 5 0o c ，在1 0 _ 4 t o r r 真空下的蒸发温度为 2 2 0 0 0 c 。可用钨舟加热蒸发，用电子束加热蒸发效果良好。氧化钽薄膜的透明区 为o 3 1 0u1 1 3 ，其折射率n = 2 1 ( = o 5 51 - 1i n ，t s = 2 5 0 。c ) 。t a 2 0 5 膜层可用于干 涉涂层中作为高折射率薄膜材料，其机械性能极为牢固，强碱也不能将其腐蚀。 所以还可作为保护涂层，特别是在高温环境中的应用。 2 1 3n b 2 0 s 分子量2 6 5 8 1 ，密度4 4 7 ，熔点1 5 2 0o c 。可用钨舟加热蒸发，用电子束加 热蒸发效果良好。氧化铌薄膜的透明区为o ，3 1 2pi n 。 t i 0 2 、t a 2 0 s 、n b 2 0 s 三种高折射率氧化物介质薄膜各有其优缺点。n b 2 0 5 作 为一种新型的介质薄膜材料，具有折射率高、透明区宽、近红外区和红外区透明， 化学性能稳定等优点，不过折射率相对较低，在常规工艺下膜层较软。t i o ：薄膜 折射率很高，但它在蒸发过程中的折射率稳定性较差，吸收较大，更有甚者，膜 层暴露在强紫外光中吸收将会进一步增加。t a 2 0 5 薄膜性能稳定，在常规工艺下 它的折射率比n b 2 0 5 略高，不过价格昂贵。 2 2 薄膜制备 2 2 1 实验设备 本课题所有样品均在国投南光有限公司生产的z z s 7 0 0 - - - 8 g 型真空镀膜机 上制各。其蒸发室的实际尺寸为q b 6 4 0 r a m ；蒸发源有阻蒸( 功率5 k w ) 和e 型 电子枪( 功率8 k w ，最大束流4 5 0 m a ) 两种，实验中使用的是e 型电子枪。真 空系统是油封机械泵和油扩散泵级连方式。极限真空为3 1 0 p a 。膜厚监控系 统采用极值法。 实验使用的离子源是由北京硕泰克公司生产的h 型端部无栅霍尔离子源。 有低能与高能两种工作方式，实验中可以调节各种需要的参数，离子能量通过阳 极电压来调节，离子束流通过阳极电流来调节，经验表明二者的乘积不能大于 8 5 0 w 。同时仪器设置条接地线，接地时表示高能工作状态，反之表示低能工 硕士生毕业论文 作状态( 后面的低能工作状态用+ 特别表明) 。该仪器产生的离子能量和束流密度 不能定量测定，但是可以通过经验公式知道大约的数值，一般认为阳极电压值减 去5 一1 0 ( v ) 即得离子能量( e v ) 。下面是该离子源厂家提供的离子源性能参 数列于表2 一l ，。于测量离子能量很复杂，因此目前无法验证厂家提供的数据的 可靠性，仅供参考。 表2 1h i a 型霍尔离子源性能参数表 阳极电压阳极电流气体流量束流离子能量真空 ( v )( a )( s c c m )( m a )( e v )( 1 0 - 2