薄膜制造技术

1、CASIX1薄膜制造技术工艺因素及成膜原理 CASIX 唐小鹏CASIX2影响薄膜的工艺因素v如下面图示：n0 表示空气，n1表示膜层，n2表示基底，则： 1r 2r 0n 1d 1n 2n 11111cos2d射角，有：为入射光在膜层中的折v由上面表达式可以看出影响膜层光学特性的因子： n (n ik） & d21qnnnnrq1qq1qq,.CASIX3厚度控制的误差v光学厚度 nd 光控，尽量保证n的稳定可以提高光控的控制精度，光控有误差补偿作用，整体控制精度高。v几何厚度 d 晶控，利用石英晶体的压电效应和质量负荷效应测量控制膜厚。要求控制系统工作条件稳定 ：晶振片清洁、晶振片

2、安装位置、冷却水温。只对膜层物理厚度敏感，而没有误差补偿作用，要求n在蒸镀过程尽量恒定。CASIX4工艺参数与薄膜性能间的关系表格中表示影响严重程度关系依次递减：+、（）CASIX5真空度的影响v本底真空设备和生产实际允许情况下，越高越好作用减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞控制它们之间的反应；可改善膜层光洁度v蒸镀真空-直接影响膜料的折射率n根据所用材料选择合适的蒸发真空，依据膜料。根据所用材料充入合适的反应气体，例：Ar、O2CASIX6气体分压对膜层结构的影响CASIX7基片温度的影响v增加基底与薄膜之间的结合力，例：镀MgF2v减少或消除膜层的内应力，需要摸索到合适的温度v高的温度可以促

3、进薄膜材料与反应气体之间的反应，改变膜层的结晶形式和结晶常数，从而影响薄膜的微观结构以及光学特性：n。v温度越高大颗粒结晶越容易形成温度选择必须合适温度不合适有可能引起发雾CASIX8蒸发速率的影响 - 外观发雾CASIX9发雾对光学特性的影响CASIX10发雾的根本原因CASIX11散射的基本原理CASIX12基片清洁v基片清洗的重要性基片在冷加工过程中，经过粗磨、精磨、抛光、磨边等加工工序，在基片表面和边缘上，常常吸附很多污染物，如火漆、柏油、抛光粉、玻璃末、保护漆等等基片在搬运、存贮等过程中也极容易受到大气尘埃、水汽的污染。这些表面表面污染物如果不清除干净，将对所镀制薄膜的质量产生严重影

4、响，如附着力差，容易脱膜，激光损伤阈值低、表面光洁度降低等等针对基体加工和输运过程引入的污染进行清洗，以期获得一个清洁的，有活性的表面，例：镀前刻蚀有一定效果CASIX13基片清洗v清洗方法机械清洗v包括高压氮气（空气）吹拂，适当功率的超声波振荡、纱布或擦镜纸以及火棉胶粘贴都属于机械清洗范围。主要去除表面的灰尘颗粒及各种嵌入亚表面的固体敷料化学清洗v采用乙醇、异丙醇、丙酮、石油醚等有机溶剂，中性或酸碱性洗涤剂、铬酸、草酸等酸性溶液浸泡去除油污、表面膜等各种可溶性污染离子清洗v等离子体放电，离子束清洗等手段在真空系统内去除二次污染及静电吸附引起的真空室环境内尘埃油气等污染激光清洗v通过激光的热冲

5、击或溅射作用去除表面吸附物。一般来说在真空室内作为清洗过程的最后工序较为有效CASIX14基片表面状况对外观的影响CASIX15蒸发方法的影响v蒸发方法影响到蒸发粒子的喷射和膜料的离化等。由于各种蒸发方式提供给膜料的蒸发分子的功能有很大差别，薄膜结构不同。v膜料蒸发过程存在离化、分馏等化学反应，成膜后，化学计量同大块膜料不一致，常见的是氧化物膜层失氧、氟化物失氟，导致膜层的折射率、吸收和散射的变化。v例如：ZnS膜由于膜的组成偏离化学计量，在氧压与总气压之比由0.11变化为0.55时，消光系数则由4X10-6上升到1.3 X10-5CASIX16膜料蒸汽入射角的影响v不同的蒸发方式、不同的膜料

6、其发散角不同，直接影响成膜均匀性。例，同一炉镀制不同圈出现不同颜色。CASIX17膜厚均匀性的复杂性CASIX18改善均匀性的措施CASIX19CASIX20CASIX21成膜理论v薄膜的性能与薄膜的结构密切相关，薄膜的结构取决于薄膜形成过程的各种条件。这里有必要介绍一下成膜理论。v薄膜的镀制是膜层材料的粒子（原子、离子或分子）从气相到基片上的吸附相，再到固相，而且其中都要经过短暂的物理化学变化的复杂过程。为了说明这个过程，需要讨论有关薄膜形成的基础知识：单体的吸附、小原子团的形成、凝结系数等。CASIX22单体吸附v包括物理吸附和化学吸附： 物理吸附是基片与被吸附的原子或分子之间的物理结合。

7、这个能量的大小不但决定与基片，而且与被吸附原子或分子的性质、结构和线度密切相关。由于基片表面上各处的原子密度不同、结构和缺陷状况也异，所以基片上各处的物理吸附能也不同。温度升高，基片表面原子和被吸附原子的热振动加剧，增大了它们之间的距离，因而物理吸附能随着减小。一般物理吸附能的量值小于0.45ev。 化学吸附是被吸附的原子或分子和基片表面最活泼的原子之间发生了电子转移或共有形成了化学键，产生了新的化合物。化学吸附能很大，（可达5ev以上）所以在常温下通常很难或根本不可能发生解吸附，只有给以解吸附所需要的活化能（如基片加热）才能发生解吸附。 CASIX23成膜过程v凝结是指沉积刚开始时的状况，是

8、指吸附原子在基片表面上形成原子对及其以后的逐渐成膜过程。根据成核理论和电子显微镜实验观察，薄膜形成的顺序如下： 膜层材料的气相原子（或分子）在基片表面的吸附，即单体吸附； 被吸附的原子形成大小不同的各种小原子团； 小原子团形成临界核； 临界核俘获其周围的单体，逐渐长大； 在临界核长大的同时，非捕获区的单体逐渐形成临界核； 由临界核形成的稳定核长大到互相接触时，彼此结合后形成小岛，由于结合而成的新岛所占面积下于结合前的两岛，所以在基片上暴露出新的表面积； 在新暴露的基片表面积上吸附单体，发生二次成核； 小岛长大结合为大岛，大岛相互结合成更大的岛，在新暴露的表面积上发生“二次”或“三次”成核； 岛

9、与岛相互结合，形成带有沟道和孔洞的薄膜； 在沟道和空洞处发生“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续的薄膜。v所谓“二次”或“三次”成核是指从单体吸附开始，直到稳定核长大而相互结构 的过程。下图是一组形象的成膜过程 CASIX24成膜过程CASIX25薄膜的结构v薄膜的形成过程决定了薄膜结构及其缺陷是属于薄膜本性的问题，关系到薄膜使用性能的提高、薄膜镀制方法的改进和创新。薄膜的结构包括组织结构、晶体结构和表面结构三部分。v1）.组织结构v无定型结构，它是在原子的迁移率低到原子凝结在本身的入射点或入射点附近的情况下产生的。这种结构也称为玻璃态，吸附原子或分子没有迁移能。高熔点金属、高熔点非金属化合物

10、薄膜和碳、硅、锗的某些化合物薄膜等。v多晶结构 它由无规则取向的微晶组成。其晶粒大小约为10-100nm。属于这种结构的有低熔点金属。v还有纤维结构、单晶结构等CASIX26薄膜结构v2）晶体结构 晶体结构是指薄膜中的微晶的晶型。薄膜中微晶的晶体结构不仅在晶粒取向和晶粒尺寸方面不同于块状膜层材料，而且还有可能是完全无序结构，还可能处于介稳结构和超结构。 3）表面结构 从理论上讲，薄膜为使其总能量达到最低，应保持尽可能小的表面积，即应是理想的平面。但薄膜的实际表面与理想的几何表面有很大的差异，实际表面积远大于几何的表面积。如果沉积膜层时，系统处于低真空，剩余气体分子被膜层材料的蒸发原子带到基片上

11、，而后这些气体分子又离开基片，留下很多空穴，从而导致薄膜的内表面结构是多孔的粗糙结构。称为“柱状体+空穴”结构。 CASIX27薄膜微结构-柱状结构CASIX28CASIX29CASIX30聚集密度v这种结构的光学薄膜可以用聚集密度P来表示，即v聚集密度P=v聚集密度P一般在0.75-1.0之间，绝大多数为0.8-0.95，只有极少数为1.0。这种结构决定了薄膜材料本身的光学特性不同与固体材料，“柱状体+空穴”的结构对薄膜性能的影响是多方面的。v在使用环境中，薄膜在吸收水气之前，膜层中空穴是折射率为1的空气填充。当吸水后，空穴被折射率为1.33的水所填充，因而膜层折射率发生了改变。这种变化随着

12、环境的温度起伏而波动，造成了薄膜光学性能的不稳定。聚集密度越低，膜层牢固度越差、附着力越小。要改善膜层结构更大程度上取决与成膜的条件：真空度、基片温度、蒸发速率等等是否能找到最佳参数！ 空穴）膜层总体积（柱状体即柱状体）膜层固体部分的体积（CASIX31离子辅助镀对膜层结构的改善v离子辅助沉积( IAD) 、离子束辅助沉积( IBAD) 、反应离子溅射和磁控溅射、双离子束溅射沉积技术(PIAD) 、脉冲激光沉积( PLD) 等各种离子辅助以及离子化方法，得到大量采用，克服了使用传统热蒸镀和电子束蒸镀方法得到的气相分子能量过低、膜层结构呈柱状结构,膜层结构致密性差,缺陷较多的缺点。CASIX32离子辅助镀的优点v离子轰击提高了沉积分子或原子的迁移力,从而提高了薄膜的聚集密度;v由于减少了内部空隙,散射损耗也明显减少,具有高的堆积密度和极细致的微观结构;v由于折射率接近块状材料,因此薄膜具有高的