光学薄膜的制备技术

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光学薄膜的制备技术
6 q" k3 D" f( R, ~* }    光学薄膜的制备方法主要可分为物理气相沉积(PVD )、化学气相沉积((CVD)
和溶液成膜法[[2,26-58]。物理气相沉积又可以分为:热蒸发、溅射和离子辅助沉
, n8 X3 D& a1 @1 h2 [积等。卞面我们简单地对常用的光学薄膜制备方法进行评述，同时简单介绍本工
7 B! F4 _) t% W# d4 B作中采用的磁控溅射镀膜设备ASC-8000
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1.4.1热燕发和电子束蒸发
    热蒸发沉积技术是一种传统的镀膜技术。它的基本原理是把被蒸发材料加热
到蒸发温度，使之蒸发沉积到基片上形成需要的膜层。它能够沉积的常用材料主
  }1 n% T6 l( t. S3 e6 a' d  W要是ZnS. MgF2等有限的几种。至今，热蒸发仍然是最成功的镀膜技术之一。
热燕发确实存在比如:镀制的薄膜机械性能较差、不耐磨、抗激光损伤强度低等
问题。并且每年都会有关于用其他技术替代它制备氟化物的报道;但到目前为止，
8 Z/ S, }, h! n还没有很大的进展。同样，在远红外光学领域，热蒸发技术也是很好的.
    由于热蒸发对于高熔点的氧化物材料很难适用，而随着激光技术的发展又不
断的对光学薄膜提出新的要求，这时就产生了电子束蒸发【31-37]。电子束蒸发是利用商能的电子束轰击被燕镀的膜料，并将电子的动能转换为膜料的热能，使膜
, U  d$ C$ }3 R6 [* ^3 m( J# v1 I料的温度达到蒸发温度以上而蒸发沉积到基片上。电子束蒸发的氧化物材料又称
为 “硬膜”，而把原来的热蒸发称为“软膜”，“硬膜”的化学和物理性能都要比
“软膜”稳定得多，膜的密度、粘附力得到了提高。但是电子束蒸发所获得薄膜
一般呈柱状结构，薄膜的致密度不够，容易吸附大气中的水蒸汽、HZ和OZ等，
4 M) @" D$ ?$ ~/ x1 c( j从IN导致薄膜性能的变化。
! r( U, v& ?( y& E  E/ W. s9 w% c$ w5 q1.4.2离子辅助沉积
    离子辅助沉积[[2,36,37]本质上是一种热蒸发技术，它是在蒸发薄膜材料的过
程中，通过离子源来产生离子束，如Ar+. O十等，利用离子轰击生长的薄膜，离
子的能量、动量、电荷等就传递给薄膜和基片，薄膜的离子或分子在基片上更容
易成核、扩散，‘使得薄膜中的柱状结构被破坏，通常让薄膜形成非晶态。山于没
有空隙和压应力，因而制备薄膜的性能稳定且耐用，离子辅助沉积特别适合沉积
, t$ M5 a( }$ i' W7 Q) j# Z氮化物和氧化物。1.4.3溅射镀膜
1.4.3.1溅射镀膜简介
1 w2 s9 R- N( H9 ^    溅射镀膜技术[38-54]其实比热蒸发还古老。在溅射过程中，真空系统通入少
; p: F& a  p% O0 B" q& y! L量的惰性气体 (如氨气)，在电场的作用下，惰性气体分子放电产生离子 (Ar十)，
惰性气体离子经偏压加速轰击靶材表面，使靶材表面的分子或原子喷射出来后沉
积在基片上。如果在溅射过程中同时通入少量的活性气体 (反应气体)，使反应
5 R  P8 c4 Z3 k2 G气体的原子和靶材的原子在基片上形成化合物薄膜，就叫反应溅射。为了提高溅
2 R0 R7 i, }  v2 U; v# |$ F! d射速率，又提出了磁控溅射技术，它是利用阴极表面的磁场来控制初始电子的运
" N: Z2 W1 s& L8 p2 k动在邻近阴极的区域，以增加气体原子的离化效率，也就提高了溅射的效率。溅
射沉积的薄膜致密度高，与衬底的粘附性好，薄膜的成分与靶材之间有较好的一
致性.但是，由于溅射技术的缺陷使得它的应用领域受到限制，比如少数几层的
, l' w2 f" ?/ @- U5 ^7 H大面积薄膜，另外山于在溅射绝缘材料时存在放电困难的问题，只能采用射频溅
4 U/ o2 ^8 {2 ^- X+ {射的方法来溅射绝缘材料，其实在一般情况下绝缘氧化物薄膜的制备主要是采用
2 j! I. h1 R) g( g" w% N" Z- t反应磁控溅射方法来实现。溅射技术的巨大进步使得最近几年已有大量的薄膜材料采用溅射方法制备。由于不像热蒸发那样粒子或离子会受到重力的影响，因此
构造溅射设备可以与传统镀膜机械设备不同。对于制备精确光学薄膜，可以采用
* ]# Z5 X& J- C( C' g- @在一个可以垂直旋转的轴上安装固定基片的基座，同时溅射源在外部，这种方法
8 c+ u+ E; {+ a6 `1 S通常是最好的。溅射方法也可以采用沉积金属薄膜后再反应。如果金属或亚氧化
的薄膜很薄，那么氧化或氮化过程可以很快，并且沉积和反应可以一遍又一遍地
重复进行，制备出高质量的光学多层薄膜。因此，溅射沉积薄膜技术比热蒸发技
6 {3 A/ ]  G8 Q$ I术更加方便。另外，溅射方法提供了层厚的增加足够小，可以在沉积和氧化相应
1 Z3 `: c9 C% G层的薄膜以后，在沉积下一层薄膜之前，测量沉积薄膜的厚度。事实上，对于稳
定的溅射，厚度的控制是依赖于溅射的时间和功率。溅射沉积薄膜技术中主要不
同是反应部分的运行方式，这些方式己使用于在商业生产的多种设备中。
1.4.3.2 ASC-800磁控溅射设备简介
    ASC-800反应低频双极磁控溅射镀膜装置是山日本新科隆(SHINCRON)公
' u8 x3 }3 [  [. L, b+ Q% `2 }司生产，镀膜设备由溅射真空腔系统、监控系统和控制计算机等组成，{监控系统
由光学监控器、进程控制器等组成。
' C' i) n0 H+ S+ D8 E" Q    图1-1是溅射镀膜机的真空腔系统侧视示意图，图1-2是其真空腔系统的俯
, X9 H8 `( M$ C& [视示意图。如图1-1和l-2所示，溅射的靶材A和B分别安装在左右两侧，它们
分别由两块余属靶合用作为一个靶材，该两块金属靶分别与溅射的低频电源的两
7 \# k, f: T. k. q个电极相连，因此ASC-800有两个等离子溅射电源分别控制A和B两个靶。另
0 o) y; T) ~7 m. ~/ V: c) ~7 o外，在A, B两个靶的背面都安装有永久磁铁，实现磁控溅射的要求。溅射过程中的溅射气体和反应气体混合后从气体通路5进入溅射真空腔:溅射气体的流速
) I. c  H; z* w7 r* W2 x均分别由质量流量控制器控制。真空腔的真空由前级的机械泵和分子泵3抽真空
来获得，最高的溅射前本底真空可达3 X 10'5 Pa。真空腔的中央是一个由步进电
+ B& J* f6 X; x8 g8 z0 @3 T5 E机4控制的可以转动的转箱6，要溅射靶材A时转箱的基片盘面转到A面，溅
8 _- X! h( s. \6 q0 E# Z射靶材B时转到B面。镀膜基片10安装在基片盘2上，基片盘2安装在真空腔
的转箱上，在镀膜过程中，基片盘以每分钟600转的速度转动，以保证镀制薄膜
/ Q6 A0 a  w) p/ J& G) `+ I! I的均匀性。基片的前面有一对挡板，当沉积薄膜计时开始时，由进程控制器控制
6 S' b3 M9 Z' T  a" ~  }自动打开挡板，从靶表面溅射出来的离子或分子就将沉积在基片上;当沉积薄膜
+ X# v& U( N' Y3 `/ v* Z; z' g的给定时间到达时，由控制器控制自动闭合挡板，在溅射过程中，靶材的背面以
; z; Q8 W/ |& J# J9 N' U% S及真空腔的壁板都利用冷却水进行冷却，使得被溅射的靶以及真空腔的其他设备    ASC-800镀膜设备的光学监控器的核心是一台带通信功能的宽带光谱仪。它
要由光源、光缆、光电转换器以及数据采集处理和通信等软硬件组成。如图所示，当对沉积的薄膜进行测量光谱时，测量光束从入射光孔8投射到基片
* H3 f2 r7 C$ Y/ C, F- O9 E，光束经过基片10后，通过柱形通道11，然后由连接在出光孔9上的光缆接
，然后进行光电转换，经数据采集和处理后，薄膜的透射光谱数据由控制计算采集。这样，可以每溅射完成一层光学薄膜后，测量沉积薄膜的透射光学谱。ASC-800镀膜设备监控系统的控制系统示意图。对于镀膜的各种
控制指令由控制计算机发给进程控制器，再由进程控制器控制溅射镀膜的真空系
% K. ~$ `- z' W2 l统的各个设备;而对于光学透射光谱测量的指令也是由控制计算机发出，然后由
光学监控器来实现薄膜的透射光谱数据的测量，并将测量结果传送给控制计算
机。另外，在控制计算机中还存储了各种镀膜的参数，如:不同薄膜材料的折射
率和沉积速率等等。
) T! {& D. m; Q/ }, `' z2 d4.遭化学蒸发沉积
    在化学蒸发沉积
, u: b+ ], T% w3 K(CVD) [55-57]中，薄膜材料在真空腔中的制备其实是不同
先驱物的化学反应。它是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、
1 r: ^$ O) @  G- S& g% E6 f单质气体供
给基片，借助气相作用或在基片表面上的化学反应生成需要的薄膜。一个有效的
化学反应能够使得制备薄膜的生长过程得到有效的控制。目前最好的技术是采用
开关等离子脉冲，而它的大多数频率由射频驱动，用来诱导化学反应。该技术的
主要困难是难以达到可以接受的均匀性，以及不得不将通常的反应器设计成适合
基片的特点，这一缺陷限制了脉冲等离子增强CVD技术使用到大容量相似的产
7 b! Q  }9 C1 A  z5 C$ d  {品中，比如:冷镜。1.4.5原子层沉积
" C, g5 T: ~( `+ p    原子层沉积(ALD)[58]是最近几年出现的一种镀膜方法，它有多种名称，但
是它采用的原理在儿十年前就己经有了。它依赖于 CVD，但是它的薄膜成分以
相应的沉积方式可以使薄膜在沉积完成后形成单原子层(在一些例子中是不完全
6 a! |$ ~/ x2 u& |: Z理想的单层)。一旦第一成分的单层沉积形成，反应过程就很快。然后替代的成
: r. @; g! g+ k1 j5 A分被沉积完成复合物的单层，如此循环。这一技术的优点是沉积的薄膜一致性好日不依赖于基片的行状;其缺点是虽然它在沉积过程中不必要太多的注意，但过
程太慢。已经有报道用此方法制备的波分复用滤波器。该方法的薄膜厚度监控是
一个简单的事情，只要计算镀膜周期就可以。
1.4.6镀膜技术与其它生产工艺的集成
( k6 N) N# [( z+ S2 G1 D    将镀膜技术与其它的生产工艺相结合，就能够获得很有吸引力的产.pAA制备方
: M" T, O- D2 b7 X  F1 C法， ·端进去的是原材料，而另一端出来的则是现成的能够使用的产品[21.查
这种生产光学元器件一}，镀膜是一个重要的部分，但也需要与其他制备技术的配
合。现在已出现了比如CD. DVD的读头等生产的技术和完整的塑料眼镜(含有
+ H  |8 m4 _( t3 b' X1 k$ I! X4 D防反膜)的报道。这种生产技术是一种包含了镀膜技术的一个完整机械技术.