电子束、离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响

1、第15卷第9期强激光与粒子束Vol.15,No.92003年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2003文章编号:100124322(20030920841204电子束、离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响王英剑,李庆国,范正修(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800摘要:运用电子束、离子辅助和离子束溅射三种镀膜工艺分别制备光学薄膜,包括单层氧化物薄膜和增透膜,然后采取一系列测试手段,如Zygo轮廓仪、原子力显微镜、表面热透镜技术和X射线衍射等技术,来分析和研究不同的工艺对这些薄膜性能的不同影响,以判断合理的沉积工

2、艺。关键词:电子束;离子辅助;离子束溅射;薄膜特性中图分类号:O484.4文献标识码:A在光学薄膜的沉积技术中,有许多成熟的技术手段,其中电子束(E2beam、离子辅助(ion assisted deposi2 tion,IAD和离子束溅射(ion beam sputtering,IBS是比较有代表的制备光学薄膜的技术手段。电子束蒸镀作为热蒸发技术的一种,是目前应用最广泛、技术最成熟的镀膜技术,其原理是:金属灯丝在高温状态下,它内部的一部分电子获得足够的能量,逸出金属表面,发射出热电子。在电磁场的作用下,热电子高速运动,并形成细束轰击被镀材料表面,热电子的动能转变成热能,使材料迅速升温而蒸发。

3、电子束蒸镀具有速度快、污染小、薄膜结合力强的特点,但薄膜堆积密度不够高,薄膜在真空和空气中性能有变化,如波长的漂移等,在制备一些特殊薄膜时还有薄膜结合力不牢、薄膜脱落的现象。离子辅助技术,是在电子束蒸镀的同时,以高能离子撞击蒸发的薄膜分子,使其得到较大的能量,从而以高能沉积在基底材料上。这一技术已日臻成熟,有不少相关的报道,早期的有Martin,Macleod1,Mcneil2,3以及周九林4、汤雪飞5等,着重于薄膜性能的分析。现在离子辅助在制备光通信薄膜及其它新型薄膜中已成为不可缺少的技术手段68。离子束溅射也是制备薄膜的一种主要技术手段。溅射这种现象在19世纪就已经被观察到,但是在20世纪

4、40年代以后才真正发展起来,成为一种成熟的工艺9,目前也已经用于高性能薄膜的生产与开发7,10,其特点是依靠动量交换作用使固体材料的原子、分子进入气相,溅射出的粒子平均能量为10eV,高于真空蒸发粒子100倍左右,溅射和热蒸发的根本区别就在于,热蒸发是借助于焦耳热发生蒸发的,而溅射是通过靶原子的动量转换而获得蒸发的。本文就运用这三种方法来制备光学薄膜,包括单层氧化物薄膜和增透膜,然后测量并分析这些薄膜的性能。1实验技术实验是在两台镀膜机上进行的,型号分别为ZZXS-700(电子束和离子辅助和ZZXS-500(溅射。具体的实验条件由表1列出。在实验中,电子束和离子辅助采取光学极值法控制薄膜厚度,

5、离子束溅射采取石英晶振法控制薄膜厚度。离子辅助的工作气体是高纯氧(99.99%;离子束溅射的工作气体是高纯氩(99.99%,充氧是为了和溅射材料反应生成氧化物。表1中的增透膜是同一膜系,所用的镀膜材料是ZrO2,SiO2和Al2O3。2薄膜的测试与分析2.1三种工艺对薄膜折射率的影响折射率是薄膜的基本参数之一,确定薄膜的折射率是制备薄膜的基本要求。为此制备了一些常用薄膜材料的单层膜,有TiO2,ZrO2和Al2O3薄膜,以确定折射率的大小。这里利用薄膜的光谱曲线来计算折射率。根据公式11n=1+R1-Rn0n s(1收稿日期:2003203221;修订日期:2003206203基金项目:国家8

6、63计划项目资助课题作者简介:王英剑(19702,男,副研究员,在读博士生,主要从事强激光光学薄膜的研究;上海8002211信箱。表1不同工艺的沉积参数和制备的薄膜类型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为反射率,可由透过曲线的透射率求得(对于高于基底的材料,取曲线的极小值;对于低于基底的材料,则取曲线的极大值,n0=1(空气的折射率,n s为基底材料折射率,实验中用K9玻璃为基底,故取n s=1. 52。据此可以分别计算出薄膜的折射率,见表2。表2几种材料在不同工艺下的折射率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的结果显示,在三组数据中,用电子束制备的薄膜折射率最低,离子束溅射最高,离子辅助次之,但与溅射比较接近。表明在离子辅助和离

10、子束溅射的作用下,薄膜的折射率更接近相应的固体材料。薄膜折射率的提高,尤其是高折射率材料折射率的提高,对制备高反射薄膜、偏振片等多层膜是有利的,因为可以减少膜层厚度,避免应力过大造成薄膜破裂。另外,折射率的提高说明薄膜的堆积密度提高,薄膜的稳定性也相应提高。2.2三种工艺对薄膜表面粗糙度的影响对于薄膜的光学性能来说,薄膜的损耗主要来自两方面:散射和吸收。首先考虑散射。散射主要是由表面粗糙度的大小决定,降低散射损耗,就必须使表面粗糙度尽可能小。表3给出了用轮廓仪测量得到的增透膜蒸镀前后的表面均方根粗糙度(RMS及变化率。数据显示,在镀膜之后,用离子辅助和离子束溅射制备的薄膜表面粗糙度变小,分别比

11、镀膜前下降了6%和44%,而电子束制备的薄膜表面粗糙度却大幅增加,高达63%。原子力显微镜测量的照片也证实了这一点。图1的3幅照片是用原子力显微镜测量的薄膜表面微观形貌。所观察到的结果和测试结果基本一致。对此可以这样解释:蒸镀材料粒子被离子辅助和离子束溅射后,获得足够大的能量,在它们到达基底表面时,尚有足够的剩余能量使其在表面移动,填补基底表面的空隙,正好弥补加工精度的不足,使表面粗糙度得到改善,而电子束蒸镀的能量低,大量蒸发粒子到达基底后很少移动或不移动,导致粗糙度恶化。这表明,离子束溅射和离子辅助对降低薄膜表面散射损耗是有效的。248强激光与粒子束第15卷 Fig.1Surface mor

12、phology of thin films measured by AFM图1薄膜的原子力显微镜照片表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%2.3三种工艺对薄膜吸收的影响吸收是损耗的另一个主要来源。对于在强激光条件下使用的薄膜元件,薄膜的吸收一直是一个十分关键的参数,因为吸收过大就很容易导致薄膜的破

13、坏,使整个激光系统失灵,因此对薄膜样品进行弱吸收的测量非常必要。测量弱吸收的方法是表面热透镜法(Surface Thermal Lensing ,STL ,其工作原理和具体的实验装置可参见文献12,在这里我们只给出实验的结果,见表4。表4用表面热透镜法测量薄膜的弱吸收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,可以看到用离子束溅射制备的薄膜有比较大的吸收,如在白宝石基底上蒸镀的增透膜的吸收达到了1.4×10-4,而用离子辅助和电子束制备的白宝石增透膜和单层氧化物薄膜吸收十分微弱,在我们的测量装置上光热信号十分微弱,和噪音所造成的干扰区分不开,与溅射膜相比可以忽略不计。在吸收方面,离子束溅射技术对薄膜的影响较大,其原因可能是溅射靶为纯金属或非金属的单

15、质,在真空条件下生成相应的氧化物薄膜,保持严格的化学计量比相对比较困难,而电子束和离子辅助由于是直接蒸镀氧化物材料,化学计量比保持的较好,所以吸收可以控制在很低的水平上。由于降低吸收是光学薄膜追求的主要目标,因此用离子束溅射技术制备光学薄膜特别是强激光薄膜的工艺要受到限制。2.4三种工艺对薄膜内部结构的影响在这里采用大角度X 射线衍射(X 2ray Diffraction ,XRD 的方法测量薄膜的内部结构,图2给出了这些样品的X 射线结构。图中横坐标为入射角,纵坐标为相对强度。图2(a 和图2(c 分别在23°,37°附近有较明显的突起,但并不是特征峰,三个样品都呈非晶特

16、征。X 射线衍射的结果表明,所以三种工艺对薄膜的内部结构影响差别不大。3结论离子辅助技术在薄膜的折射率、薄膜的表面粗糙度、薄膜的吸收等方面都有比较的优势,它结合了电子束和离子束溅射的优点,克服了两者的不足,如电子束制备的薄膜折射率不太高,表面较粗糙,离子辅助则都有改善;离子束溅射制备的薄膜由于氧化不太完全,导致吸收偏大,而离子辅助制备的薄膜吸收却很小。另外,电子348第9期王英剑等:电子束、离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响448强激光与粒子束第15卷 Fig.2Structure of thin films measured by X2ray diffraction图2薄膜的X

17、射线衍射结构束和离子辅助的蒸镀速率相差不大,可以达到nm/s量级,而离子束溅射则慢的多,10-2nm/s量级,相差几十倍乃至上百倍,使镀膜成本大幅增加。由此,可以认为离子辅助是比较合适的光学薄膜沉积手段。需要指出的是离子束溅射技术,随着离子源结构和技术的不断改进,如果能使吸收降到很低,将会极大地提高光学薄膜的性能和质量,这将是以后重点研究的方向。参考文献: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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