光學(xué)反射膜的設(shè)計與制備光學(xué)(DOC)

1、光學(xué)器件減反射膜的設(shè)計與制備摘要光學(xué)薄膜作為現(xiàn)代光學(xué)的一個重要分支，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域，其在人們的日常生活中起著越來越重要的作用。減反射膜作為光學(xué)膜中最重要的一種，它的發(fā)展也得到了更廣泛的關(guān)注。本文主要通過對光學(xué)薄膜特性的理論計算，包括薄膜的基本理論，單層薄膜的特性計算和多層薄膜的特性計算，來對光學(xué)薄膜的特性達(dá)到一定程度的認(rèn)識。并通過對光學(xué)減反射膜的設(shè)計原理、選材及流程的掌握來對減反射膜有一個更深的了解。最終利用直流反應(yīng)濺射法制備TiO2薄膜，摸索其制備工藝。利用透射光譜，采用“包絡(luò)法”計算薄膜的折射率、厚度、吸收系數(shù)和消光系數(shù)，從而分析薄膜的光學(xué)性能。【關(guān)鍵詞】光學(xué)薄膜光學(xué)減

2、反射膜磁控濺射原理TiO2薄膜27Thedesignandpreparationoftheanti-reflectioncoatingonopticaldeviceAbstractopticalfilmswhichactasanimportantbranchofmodernopticshasbeenwidelyusedinagriculture,industryandotherareas.Itplaysanincreasinglyimportantroleinpeople'sdailylife.anti-reflectioncoatingasthemostimportantkindof

3、opticalfilmswhichdevelopmentalsohadbeenwidelyconcerned.Thisarticlemainlyontheoptictheoryofthefilm,includingfilm'sbasictheory,thecalculationofthecharacteristicsofthesinglelayerfilmandmultilayerfilmsinordertoknowmoreaboutopticalfilm'snature.Andthroughmastertheopticalanti-reflectioncoating'

4、designprinciples、materialofchoiceandprocesstoknowmoreknowledgeofanti-reflectioncoating.EventuallyusingdirectresponsefromthelawcoveredtomakeTiO2film,andtoexploreitsworkmanship.Byusingspectrumandadoptingthewayofdevelopmenttocalculatetherefraction、thickness、Absorptioncoefficientandcoefficienttoanalysis

5、thenatureoffilms.【Keywords】opticalfilmopticalanti-reflectionradiationprincipleTiO2film緒論光學(xué)薄膜作為現(xiàn)代光學(xué)的一個重要分支，己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、軍事、天文、紅外物理學(xué)、激光技術(shù)等領(lǐng)域，在人們的日常工作和生活中起著越來越重要的作用。在科技日新月異的今天，現(xiàn)代通訊、能源利用、宇航技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，為光學(xué)薄膜的發(fā)展提出了更高的要求。自70年代以來，薄膜技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。無論在學(xué)術(shù)上，還是在實(shí)際應(yīng)用中都取得了豐碩的成果。薄膜技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域

6、，在新技術(shù)革命中具有舉足輕重的作用。薄膜技術(shù)、薄膜材料、表面科學(xué)相結(jié)合推動了薄膜產(chǎn)品的全方位開發(fā)與應(yīng)用。從發(fā)展趨勢看，國內(nèi)外薄膜產(chǎn)業(yè)方興未艾，多種跡象表明。薄膜技術(shù)在近期內(nèi)，將有較大的突破。從而必將帶動薄膜產(chǎn)業(yè)更大的發(fā)展。十余年來，在薄膜技術(shù)飛速發(fā)展，工業(yè)上有許多更大突破的同時，伴隨有各種類型的新型材料的開發(fā)，新功能的發(fā)現(xiàn)不斷。所有這些都蘊(yùn)藏極大的發(fā)展?jié)摿Γ樾碌募夹g(shù)革命提供可靠的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在薄膜技術(shù)和薄膜材料除大量用于電子器件和大規(guī)模集成電路之外，還可用于支取磁性膜及磁記錄介質(zhì)、絕緣膜、電介質(zhì)膜、壓電膜、光學(xué)膜、光導(dǎo)模、傳感器膜，耐磨、抗蝕、自潤滑膜，裝飾膜以及各種特殊需要的功能等。減反射薄

7、膜作為光學(xué)薄膜中最重要的一種，它的發(fā)展也得到了更廣泛的關(guān)注，減反射薄膜的實(shí)用研究成為一項(xiàng)極有意義的工作。減反射膜，用于減少光學(xué)元件表面的反射，增加工作波段內(nèi)光線的透過率。20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)的減反射膜促進(jìn)了薄膜光學(xué)的早期發(fā)展。對于推動技術(shù)光學(xué)發(fā)展來說，在所有的光學(xué)薄膜中，減反射膜起著最重要的作用。直至今天，就其生產(chǎn)的總量來說，它仍然超過所有其他類型的薄膜。傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃行業(yè)如眼鏡、照明、汽車玻璃，以及現(xiàn)代光纖通信、光電儀器如熱成像、微光夜視、CCD攝像中的光電傳感器不斷推陳出新，為提高工作波段光線透過率對減反射膜的設(shè)計和制備要求越來越高。在太陽能行業(yè)，為減少電池表面光的反射損失，增加光的透射，

8、目前主要采用兩種方法:(1)將電池表面腐蝕成絨面，增加光在電池表面的入射次數(shù)。(2)在電池表面鍍一層或多層光學(xué)性質(zhì)匹配的減反射膜。減反射膜的設(shè)計直接影響著太陽電池對入射光的反射率，對太陽電池效率的提高起著非常重要的作用。由此可見減反射膜的重要性，因此我們有必要對該問題進(jìn)行一個具體的闡述和分析。本文主要分為三部分：第一部分講的是光學(xué)薄膜特性的理論計算；第二部分的主要內(nèi)容是光學(xué)減反射膜材料選擇和膜系的設(shè)計；第三部分則主要闡述了TiO2薄膜光學(xué)常數(shù)計算和單層SiO2減反射膜層得初步實(shí)現(xiàn)。1光學(xué)薄膜的基本理論1.1 薄膜干涉光學(xué)薄膜是由薄的分層介質(zhì)構(gòu)成的，通過界面?zhèn)鞑ス馐囊活惞鈱W(xué)介質(zhì)材料。光學(xué)薄膜的

9、應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代?，F(xiàn)代，光學(xué)薄膜已廣泛用于光學(xué)和光電子技術(shù)領(lǐng)域，制造各種光學(xué)儀器。光學(xué)薄膜多是依據(jù)光的干涉理論設(shè)計的，它可以用來得到各種各樣的光學(xué)特性。它可以減少表面的反射以增加光學(xué)系統(tǒng)的透射率和對比度；或者增加表面反射以減少光攝、高的透射，以實(shí)現(xiàn)分色、合色的目的；也可以使不同偏振狀態(tài)的光束具有不同的傳播特性，以達(dá)到偏振分束、偏振轉(zhuǎn)換的功能。下面我們就利用光程差的概念來具體討論薄膜的干涉問題。界面1界面2如圖1-1所示，1和2分別表示薄膜的上、下表面與其它介質(zhì)的界面，no和n2分別為介質(zhì)的折射率n1為薄膜的折射率，di為薄膜的厚度。一單色光以入射角）0入射到薄膜的界面，一部分在界面1上

10、反射，振幅為，另一部分透過界面】，在界面2上反射，然后再透過界面1,振幅為s。根據(jù)反射和折射定律，很容易證明，當(dāng)界面1和2平行時，s和s兩反212射光相互平行。它們將在無窮遠(yuǎn)處會聚，產(chǎn)生干涉。實(shí)驗(yàn)室中，可利用凸透鏡將其會聚于焦平面上來觀察，當(dāng)然也可用眼睛直接觀察。反射光S1和S2的干涉強(qiáng)度決定于它們的光程差。根據(jù)光程差的定義和幾何關(guān)系，得S1和S2的光程差為:2ndA=2n-AB-n-AD=11-2ndtan0-sin0cos0011011-1)根據(jù)折射定律，有n-sin0二n-sin00011將式（3-2）代入式（3-1），A=2ndcos01111-2)1-3)相應(yīng)的相位差為1-4)如果先

11、不考慮光在界面1、2上反射時的相位躍變，則當(dāng)光程差滿足條件A=2qqcosq=kX,（k=O，1，2，）時，產(chǎn)生相長干涉，疊加后振幅最大，光強(qiáng)最大；當(dāng)c九光程差滿足條件A二2ndcos6二(2k-1),(k二0,1,2,)時，產(chǎn)生相消干涉，疊加后振1112幅最小，光強(qiáng)最小。為了計算干涉疊加后的光強(qiáng)，設(shè)s和s兩反射光的振動方程為12E=scoswt11E=scos（wt-6）（1-5）22所以，疊加后的合振動為E=E+E=scos（wt-p）（1-6）12其中，s是合振幅，p是合振動的初相位。二者和sJ6關(guān)系如下s2=s2+s2+2sscos6（1-7）1212ssin6tanp=2（1-8）s

12、+scos612根據(jù)光強(qiáng)的定義，雙光束干涉強(qiáng)度公式為I=I+1土211cos6（1-9）12'12其中，I,I,I分別為合振動、s和s的強(qiáng)度，式中的土號由相位差6確定。當(dāng)光由光疏1212媒質(zhì)射向光密媒質(zhì)界面上反射時，將有兀的相位躍變(通常稱為半波損失)。式中的土號正是考慮到界面上反射時的相位躍變情況。1.2 單層薄膜的特性計算實(shí)際上，光束照射到平面薄膜上時，光束將在薄膜上、下兩界面多次反射，因而產(chǎn)生一組反射光束s,s,s，和一組透射光束s',s',s'，如圖3-2所示。123123界面1界面2圖1-2多光束干涉當(dāng)薄膜表面的反射系數(shù)不高時，通常只考慮前兩束反射光s

13、和s的作用，忽略反射兩12次以上的微弱光強(qiáng)的反射光束作用，也就是把多光束干涉作為雙光束干涉來處理。但是如果薄膜表面的反射率較高時，如此處理時不嚴(yán)格的，必須考慮一組反射光s,s,s，或透射123光s'，s'，s'，之間的多光束干涉。123對于多光束干涉光強(qiáng)的計算方法和雙光束干涉完全相同，也是先將振動疊加，再計算強(qiáng)度，差別在于參與干涉的光束由兩束增加到多束，采用復(fù)振幅疊加較為方便。為此，先計算各反射光束s,s,s，或透射光束s',s',s'，的振幅和相位。123123設(shè)在1、2兩界面上向入射媒質(zhì)方向反射的光的振幅反射系數(shù)分別為r,r，透射光的振12幅

14、透射系數(shù)為t'；向基片方向反射光的振幅反射系數(shù)分別為r'，透射光的透射系數(shù)分別為11t,t。當(dāng)n和n介質(zhì)沒有吸收時，根據(jù)斯托克定律，有1212r=-r'（1-10）11r2+11'二1（1-11）111根據(jù)疊加原理，反射光束疊加后的合振幅的反射系數(shù)為r二r+11're-is+11'r'r2e-28+11'r'2r3e-38h111211121112tt're-i8二r+（1-12）11-r're-i812利用式（3-10）和（3-11），（3-12）式可寫為r+re-/sr二21+rre-/s12反射光的強(qiáng)

15、度可用反射率表示，為r2+r2+2rrcosSR=rr*=i21-21+r2r2+2rrcosS12121-13)1-14)T=1-R=(1-r2)(1-r2)+21+r2r2+2rrcosS12121-15)由上式可見，當(dāng)no<ni>n2時,<0,r2>0，所以透射光光強(qiáng)極大所滿足的條件應(yīng)為S=2k兀(k=0,1,2,)當(dāng)n<n<n時012r1<0,r2<0，所以根據(jù)能量守恒原理，所以透射率為S=(2k+1)兀(k=0,1,2,)為透射光光強(qiáng)極小的條件。反射光的極大和極小條件恰好與透射光相反。1.3 多層膜系的特性計算一般減反膜可由簡單的單層膜

16、或多層膜系構(gòu)成，前者僅能使某一波長的光反射率為零而后者則可使某一波段的光反射率為零。對于常見光學(xué)器件來說，需要對可見光增透，所以應(yīng)采用多層膜系結(jié)構(gòu)。對于多層膜系的特性計算方法有遞推法、矩陣法和矢量法15,16。雖然利用組合導(dǎo)納的遞推法或矩陣法計算膜系的反射率比較嚴(yán)格、準(zhǔn)確，但計算太繁雜，用來設(shè)計減反膜不是很有效。設(shè)計多層膜系最簡捷的途徑是用矢量法，首先通過試行法設(shè)計比較滿意的結(jié)構(gòu)，然后用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計算作精確校核，以消除矢量法所固有的近似影響。矢量法有兩個假設(shè)前提：一是膜層要沒有吸收；二是在確定多層膜的特性時，只考慮入射到每個界面的單次反射。界面1界面2界面3界面4如圖1-3所示，忽略膜層內(nèi)

17、的多次反射，叮篤，S3'分別表示各界面的反射光的振幅,1-16)每個界面的反射系數(shù)都有一個特定的相位滯后，它對應(yīng)于光從入射表面進(jìn)至該界面又回到入射表面的過程。反射光的疊加后合成的振幅反射系數(shù)應(yīng)由每一界面的反射系數(shù)的矢量合確定。所以，合成的振幅反射系數(shù)為15r二r+re一©+re-i(§1+s2)+re-i0+s2+s3)1213124123其中r,r分別為個界面的振幅反射系數(shù)，如果膜層沒有吸收，則個界面的振幅反射系數(shù)12為實(shí)數(shù)n-nn-nn-nn-nr_ir=,r_3r41n+n'2n+n3n+n'4n+n'01122334（1-17）振幅反

18、射系數(shù)可正可負(fù)，根據(jù)相鄰兩媒質(zhì)的有效折射率的相對大小而定。若在所考慮的整個波段內(nèi)，忽略膜的色散，則對于所有波長，振幅反射系數(shù)r,r均相等。12各層薄膜的相位滯后為4兀ndcos04兀ndcos0,54兀ndcos03，（i-i8）因而合成振幅反射系數(shù)可以用解析法求得，由于兩相繼矢量間的夾角為5，5，5，故而123通常采用矢量圖解法求解更為方便。利用矢量法計算的步驟是：首先根據(jù)式（1-17）和（1-18）計算各個界面的振幅反射系數(shù)和各層膜的相位滯后，把各個矢量按比例畫在同一張極坐標(biāo)圖上，然后按三角形法則求合矢量。合矢量的模即為膜系的振幅反射系數(shù)，幅角就是反射光的相位變化，能量反射率就是振幅反射系

19、數(shù)的平方。2光學(xué)減反射膜的設(shè)計20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)的減反射膜促進(jìn)了薄膜光學(xué)的早期發(fā)展。對于推動技術(shù)光學(xué)發(fā)展來說，在所有的光學(xué)薄膜中，減反射膜起著最重要的作用。直至今日，就其產(chǎn)生的總量來說，它仍然超過所有其他類型的薄膜。因此研究減反射膜的設(shè)計和制備技術(shù)，對于生產(chǎn)實(shí)踐有著重要的意義。2.1 減反射膜系設(shè)計材料的選擇一般來說，選擇膜層材料應(yīng)主要考慮以下幾個方面的特性：膜料的透明光譜區(qū)域、透明度、折射率、材料的蒸發(fā)方式、機(jī)械牢固性、化學(xué)穩(wěn)定性及抗高能輻射等。下面簡單介紹常用的二氧化鈦、氟化鎂、二氧化硅三種薄膜材料的性質(zhì)。（1）二氧化鈦二氧化鈦（TiO2）薄膜折射率高，在250°C波長為550

20、nm時的折射率為2.3，透明區(qū)為0.3512um，在整個可見和近紅外光譜區(qū)都是透明的。具有很強(qiáng)的牢固度，呈現(xiàn)壓應(yīng)力，這些優(yōu)異的性能使得它在光學(xué)薄膜中的應(yīng)用十分誘人。但是TiO2材料在真空中加熱失氧現(xiàn)象嚴(yán)重，形成高吸收的亞氧鈦薄膜TiO21（n=1,2,：10）。所以為了獲得高純度的Ti02，我們n2n-12常采用電子束直接蒸發(fā)TiO2,并用離子源輔助的方法，就算在低溫甚至室溫也可以得到比較高的折射率，通常同時需要充入足夠的氧氣并保持高真空度。（2）二氧化硅二氧化硅（Si02）是唯一例外的分解很小的低折射率氧化物材料，當(dāng)波長為550nm時折射率為1.46，透明區(qū)一直延伸到真空紫外（0.188um

21、）。它的光吸收很小，膜層牢固且抗磨耐腐蝕，應(yīng)用極其廣泛。SiO2在高溫蒸發(fā)時與TiO2類似，也可生成低價氧化物SiO和Si203。這種低價氧化物常比高價氧化物易蒸發(fā),所以薄膜中具有復(fù)雜的成分oSiO2薄膜的結(jié)構(gòu)精細(xì)，呈網(wǎng)絡(luò)狀玻璃態(tài)，不但散射吸收小，而且保護(hù)能力極強(qiáng)。2.2單層減反射膜的設(shè)計當(dāng)光線從折射率n0的介質(zhì)射入折射率為n1的另一介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上就會產(chǎn)生光的反射如果介質(zhì)沒有吸收，分界面是一光學(xué)表面，光線又是垂直入射，則反射率Rn-n、01)2n+n如果不考慮吸收，透射率1為T=1-R。例如，折射率為1.52的冕牌玻璃，每個表面的反射約為4.2左右。折射率較高的火石玻璃，則表面反射

22、更為顯著。為了減少表面反射光，最簡單的途徑是在玻璃表面上鍍一層低折射率的薄膜。我們來看一下簡單的單層增透膜。設(shè)膜的厚度為d,當(dāng)光垂直入射時，薄膜兩表面反射光的光程差為2nd，由于在膜的上、下表面反射時都有相位突變，結(jié)果沒有附加的相位差,兩反射光干涉相消時應(yīng)滿足：2nd=（2k+1）九/2膜的最小厚度應(yīng)為（相應(yīng)于k=0）:d=4-4n由于反射光相消，因而透射光加強(qiáng)。單層增透膜只能使某個特定波長A的光盡量減少反射，對于相近波長的其他反射光也有不同程度的減弱，但不是減到最弱，對于一般的照相機(jī)和目視光學(xué)儀器，常選人眼最敏感的波長入=550nm作為“控制波長”，鏡片在白光下觀看此薄膜的反射光，黃綠色光最

23、弱，紅光藍(lán)光相對強(qiáng)一些，因此鏡面呈籃紫色。n-n2/n此時中心波長處的反射率為R=（T12）2n+n2/n012MgFF撅莊不同折肘辛基底上的斟親反劃悄況IIII丨對于折射率為1urn4321在550nm中心波長的反射率可由4.2%降至1.3%左右，整個可見光區(qū)平均反射率為1.5%左右。單層減反射膜的出現(xiàn)，在歷史上市一個重大的進(jìn)展。直至今日仍廣泛地用來滿足一些簡單的用途。但是它存在兩個主要的缺陷，首先，對大多數(shù)應(yīng)用來說，剩余反射還顯得太高；此外，從未鍍膜表面反射的光線，在色彩上仍保持中性，而從鍍膜表面反射的光線破壞了色的平衡?；旧嫌袃蓚€途徑可以提高單層膜的性能，即或采用變折射率的所謂非均勻膜

24、，亦或者是采用多層減反射膜。2.3 雙層減反射膜的設(shè)計對于單層氟化鎂來說，冕牌玻璃的折射率是太低了。為此，我們可以在玻璃基片上先鍍一層入0/4厚的、折射率為n2的薄膜，這時對于波長入0/4來說，薄膜和基片組合的系統(tǒng)可以用一折射率為Y=n22/ng的假象基片來等價。顯然，當(dāng)n2ng時，有Yng。也就是說，在玻璃基片上先鍍一層高折射率的入0/4厚的膜層后,基片的折射率好像從ng提高到n22/ng,然后再鍍上入0/4厚的MgF2膜層就能起到更好的增透效果。例如,對于折射率為1.52的基片，先淀積一層折射率為1.70的SiO鍍層。這時Y=n22/ng=1.90,相當(dāng)于基片的折射率從1.52提高到1.9

25、0。因此MgF2膜剛好滿足理想減反射的條件,使波長的反射光減至接近于0。但對于偏離入0的波長不滿足干涉相消的條件，表面反射會顯著增加，光譜反射率曲線呈V字形，所以這種入0/4-入0/4雙層減反射膜稱為V形膜。此外，厚度為入0/4-入0/2型的雙層減反射膜，在中心波長A0的兩側(cè)可望有兩個反射率極小值，光譜反射率曲線呈W形，所以也把這種雙層減反射膜稱作為W形膜。對于中心波長入0,厚度為入0/2的膜層是虛設(shè)層，對反射率毫無影響，但是影響著其它波長的反射率。適當(dāng)?shù)剡x擇虛設(shè)層的折射率，可以減小中心波長兩側(cè)的折射率。反射率/%400450500550600650700750波長2/nm雙層減反射膜性能比單

26、層減反射膜要優(yōu)越得多。旦它并沒有克服單層減反射膜的上述兩個抓喲缺陷，尤其是對于冕牌玻璃更是如此。例如先在玻璃基片上鍍一層折射率為1.62、厚度為入。/2的Al2O3薄膜，然后再鍍上入0/4的MgF2薄膜，其反射率曲線如下圖所示。曲線為下圖所示。2.4 多層減反射膜的設(shè)計正如上面所說的，雙層減反射膜的特性比單層膜要優(yōu)越得多。旦是，在許多也能夠用例子里，即使是一個理想的多層膜，還是會形成過大的反射率或不適宜的光譜帶寬度。因此在這些例子中，都要用三層或者更多層的減反射膜。3光學(xué)薄膜材料及減反射膜的初步制備3.1 光學(xué)薄膜的制備方法光學(xué)薄膜一般可通過化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積兩種工藝獲得。在物理氣相沉

27、積方法中，根據(jù)膜料汽化方式的不同，又可分為熱蒸發(fā)、濺射、離子鍍技術(shù)，但各種方法都存在自身的優(yōu)缺點(diǎn)。由于濺射法具有膜厚可控性和重復(fù)性好；薄膜與基片的附著力強(qiáng)；膜層純度高；使用不同材料同時濺射可以制備混合膜、化合膜等特殊材料的薄膜等優(yōu)點(diǎn)，本論文采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公式研制的JGP-560型超高真空多功能磁控濺射系統(tǒng)，以反應(yīng)濺射法制備滿足光學(xué)水晶低通濾波器設(shè)計要求的可見光增透、近紅外截止的光學(xué)薄膜。3.1.1 磁控濺射原理濺射是一個極為復(fù)雜的物理過程，涉及的因素很多。濺射是動量轉(zhuǎn)移過程，所以濺射出的粒子具有反向性。粒子和固體表面相互作用的關(guān)系及各種濺射產(chǎn)物，都伴隨著離子轟擊，或由固

28、體表面濺射出中性原子或分子等多個作用過程。實(shí)際進(jìn)行濺射時，一般是讓被加速的正離子轟擊陰極靶，故也稱此過程為陰極濺射。濺射鍍膜是基于載能離子轟擊靶材時的濺射效應(yīng)，而整個濺射過程均是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，即濺射離子都來源于氣體放電。輝光放電是在真空度約為0.1lOPa的稀薄氣體中，兩個電極之間加上電壓，而產(chǎn)生一種氣體放電的現(xiàn)象。濺射過程就是利用了輝光放電階段。磁控濺射中的放電過程是異常陰極輝光放電，放電產(chǎn)生的等離子體為Ar+，盡管也受到磁場同樣的洛倫茲力，但由于Ar+靠近陰極，且其質(zhì)量大，慣性很大，當(dāng)Ar+跑向靶面時，受磁場的影響很小。因此，大離子基本上是垂直撞擊靶面。靶材表面原子由于受高能Ar

29、+轟擊而被轟出表面。當(dāng)濺射的原子到達(dá)襯底后，由于粘附力的作用，其中大部分沉積在襯底上形成薄膜。磁控濺射放電基本上克服了二極濺射的低速高溫的致命缺點(diǎn)，沉積速率較后者大為提高。同時，它又保持了濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)，即濺射粒子到達(dá)襯底時動能很大，因而粒子在襯底表面的擴(kuò)散速率相應(yīng)增大，薄膜生長過程中的陰影效應(yīng)相應(yīng)減少。這樣，薄膜中的空隙變得更小、更少，薄膜更致密。3.1.2 濺射鍍膜設(shè)備簡介本論文制備薄膜采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公式研制的JGP-560型超高真空多功能磁控濺射系統(tǒng)，示意圖如圖4-1所示。本系統(tǒng)主要包括：真空主濺射室、真空進(jìn)樣室、主濺射室抽真空系統(tǒng)、進(jìn)樣室抽真空系統(tǒng)、真空系統(tǒng)電源

30、控制柜、濺射系統(tǒng)電源控制柜、機(jī)械手。可用于濺射生長單層膜、多層膜、介質(zhì)膜、金屬膜、磁性薄膜和半導(dǎo)體薄膜等。圖3-1JGP560型超高真空多功能磁控濺射系統(tǒng)真空主濺射室的真空度可以達(dá)到6.0X10-6Pa，用來濺射和沉積薄膜。主濺射室內(nèi)部下底盤上有五個磁控靶，靶極設(shè)有遮擋板，在計算機(jī)控制下，打開或遮擋靶位。磁控靶的直徑為60mm,采用豎直向上濺射成膜的結(jié)構(gòu)形式。工作時各靶均用循環(huán)水冷卻，以確保不至于因?yàn)R射時離子的轟擊而使其溫度過高。主濺射室上部有可旋轉(zhuǎn)的圓形樣品大轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上均勻分布有6個樣品放置位，可放樣品最大半徑為30mm,其中一個樣品位上有加熱絲，可將基片最高加熱到400°C，并

31、采用溫度控制器進(jìn)行控溫操作。樣品大轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過計算機(jī)可以控制基片旋轉(zhuǎn)到設(shè)定靶位。樣品位上可加直流負(fù)偏壓，以提高成膜質(zhì)量。靶相對于基片位置在4080mm范圍內(nèi)可調(diào)。進(jìn)樣室的真空度可達(dá)到4X10-6Pa,其內(nèi)可用來傳輸襯底、襯底預(yù)處理、存放樣品、反濺射等操作。JGP560型超咼真空多功能磁控濺射系統(tǒng)配備了兩套抽真空系統(tǒng)，主濺射室和進(jìn)樣室可以各自獨(dú)立使用也可以同時使用，同時使用時，必須關(guān)閉主濺射室和進(jìn)樣室之間的閥門32,將兩室分開。兩套抽真空系統(tǒng)都為兩級真空系統(tǒng)，一級為機(jī)械泵、二級為分子泵，兩級之間的開關(guān)狀態(tài)是用電磁閥來控制的。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)處于大氣狀態(tài)時，開啟機(jī)械泵，打開預(yù)抽通道V5

32、,將進(jìn)樣室和主濺射室的氣壓抽至低于20Pa后，關(guān)閉預(yù)抽通道V5（這樣做的目的就是要保證分子泵兩端氣壓低于20Pa的工作條件）。再開啟分子泵，開啟機(jī)械泵與分子泵之間的電磁閥，開啟分子泵與濺射室之間的閥門G1。磁控濺射系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)即為摻雜，一次可放入多個靶材，靶材可以由多種成分制成，從而做到摻雜。還可以通過計算機(jī)控制在不同靶材之間切換生長，從而生長出多層膜而無需拿出主濺射室。3.1.3直流反應(yīng)濺射制備薄膜流程濺射法是一種比較成熟的薄膜制備技術(shù)，直流反應(yīng)濺射是在濺射時通入反應(yīng)氣體，使其與靶材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而得到與靶材完全不同的新物質(zhì)膜。圖4-2給出了直流反應(yīng)濺射法制備TiO薄膜的工藝流程。2基片I

33、T清洗基片IT裝片IT抽本底真空抽本底真空f預(yù)濺射氧氬分壓V加熱1濺射冷卻卸片表面檢查圖4-2直流反應(yīng)濺射法工藝流程圖（1）基片清洗基片表面平整光滑影響薄膜的反射光性能。所以鍍膜前必須對基片進(jìn)行清洗和烘干以去除基片表面污物和化學(xué)物質(zhì)。（2）抽本底真空本底真空一般應(yīng)控制在5x10-4Pa以上，以盡量減少真空室腔體內(nèi)殘余氣體，保證薄膜的純潔度。（3）加熱烘烤的作用是使基片表面出氣取水，提高膜-基結(jié)合力；消除薄膜應(yīng)力，提高膜層粒子的聚集度。一般選擇在150200r之間。（4）氧氬分壓直流濺射需要滿足輝光放電的氣壓條件，一般選擇在0.01IPa范圍內(nèi)。當(dāng)真空度達(dá)到要求后，根據(jù)試驗(yàn)需要通入氬氣和氧氣，調(diào)

34、解氣體的流量和比例。（5）預(yù)濺射預(yù)濺射是通過離子轟擊的方法去除靶材表面的氧化膜（由于靶材材料易氧化，在其表面形成的一層氧化薄膜）以及其它非靶材物資。（6）濺射濺射時建立在等離子體的條件下，氬氣電離后形成正離子高速轟擊靶材表面，使鈦靶粒子濺射出來并與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化鈦，達(dá)到基片表面形成薄膜。3.2TiO2薄膜光學(xué)常數(shù)的測量和計算為了研究TiO2薄膜的光學(xué)性質(zhì)，計算其光學(xué)常數(shù)。我們以光學(xué)水晶為襯底，采用金屬鈦靶進(jìn)行直流反應(yīng)濺射鍍制TiO2薄膜，制備參數(shù)為：本底真空5X10-4Pa，濺射功率為150W,氧氣和氬氣比為10:20ml/min,襯底溫度為室溫，工作氣壓2Pa，靶基距50mm,鍍

35、膜時間60分鐘。3.2.1TiO薄膜的透射譜為了研究薄膜的光學(xué)透過性，計算其光學(xué)常數(shù)，我們對光學(xué)水晶襯底和制備的TiO薄膜，利用日本島津公司的UV-1601紫外可見光譜儀在200800nm的波長范圍內(nèi)，按1nm的掃描步長進(jìn)行了透射光譜測量，其透射光譜如圖4-3所示。ooooO8642%U.9SSESUP匚200300400500600700800wavelength（nm）圖4-3光學(xué)水晶襯底和TiO2薄膜的透射光譜從透射光譜圖4-3可以看出：（1）鍍膜后的透射率發(fā)生了變化，TiO2薄膜在300370nm的紫外波段有較強(qiáng)的吸收，透射率較低特別是在200320nm透射率為零，而在450760nm

36、的可見光范圍內(nèi)透射率很高，最高可達(dá)95%；（2）透射光譜在可見光區(qū)有明顯的干涉條紋，且干涉條紋的周期不斷發(fā)生變化。明顯的干涉條紋和較大的調(diào)制深度表明薄膜具有很好的光學(xué)質(zhì)量38。3.2.2TiO2薄膜的折射率計算為了計算TiO2薄膜的光學(xué)常數(shù)，利用透射光譜，采用“包絡(luò)法”可以計算薄膜的折射率、厚度、吸收系數(shù)和消光系數(shù)。以光學(xué)水晶為襯底的Ti02薄膜的包絡(luò)圖譜，如圖4-4所示。!0oooO8642%uo一ss-UJSUeJ.200300400500600700800wavelength(nm)(u)XQPU-圖4-4TiO薄膜的透射譜包絡(luò)圖譜圖4-5TiO薄膜的折射率與波長的22關(guān)系采用“包絡(luò)法”

37、計算薄膜的折射率是基于下面的兩個公式39-41：n=N+（N2一n2）i/2i/2（41）s11n2+1N=2n（）+s（4-2）sTT2minmax式中，T和T是對應(yīng)于波長九的最大和最小透過率（如圖4-4所示），n是波長為九時，maxmins光學(xué)水晶襯底的折射率，計算得到的薄膜的折射率與波長呈現(xiàn)出典型的電子帶間躍遷的色散關(guān)系，如圖4-5所示。其中實(shí)點(diǎn)為計算得到的值，實(shí)線為擬合的曲線。由圖4-5可以看出，當(dāng)波長從700nm減小到400nm時，折射率從2.03增加到2.20。3.2.3TiO2薄膜的厚度計算薄膜厚度的計算是基于下面的公式39-41：”MXXd=12（4-3）2n（X風(fēng)一n（k風(fēng)（

38、43）1221其中，M是兩個最大（或最小）透過率之間的峰值（或谷值）的數(shù)目，通常取為-和和2是相鄰最大（或最?。┑姆逯担ɑ蚬戎担?yīng)的波長，n（九）和n（九）是相應(yīng)的折射率。結(jié)12合透射譜，利用（4-3）式，我們可以得到一系列d'厚度值，取平均得到d'，然后利用雙光束干涉公式39-41：2nd'=m九（4-4）式中m'是對應(yīng)于最大值的整數(shù)或最小值的半整數(shù)，利用（4-4）式得到一些列的m'，取m'最近臨的整數(shù)或半整數(shù)，得到修正的m,然后再利用雙光束干涉公式（4-4）及m,九和n，計算得到一些列d值，取平均得到TiO2薄膜的平均厚度d。具體計算結(jié)果如

39、表4-1所示，最終得到的薄膜的平均厚度為348.6nm。表4-1TiO薄膜厚度的計算結(jié)果九(nm)nd'(nm)m'md(nm)d(nm)7022.044572.10082343.3484922.082813.05263354.3283922.30050360.6574.23314340.795348.65702.062722.61032.5345.4174332.111363.51723.5358.8933.2.4TiO2薄膜的吸收系數(shù)的計算當(dāng)薄膜的厚度已知時，還可通過透射譜計算薄膜的吸收系數(shù)a,計算公式39-41為:(4-5)ln(1T)d圖4-6是根據(jù)透射譜計算得到的吸收

40、系數(shù)與波長的關(guān)系，圖中薄膜在可見及近紅外區(qū)域?yàn)榈臀諈^(qū)域，這與透射譜中反映的高透過是一致的，在本征吸收邊以外，發(fā)現(xiàn)了一些對應(yīng)于雜質(zhì)吸收的吸收帶。這是由于在禁帶中，雜質(zhì)形成了一些分裂的能級，當(dāng)雜質(zhì)的含量增加到足夠高時，雜質(zhì)的波函數(shù)就會重疊，形成了一個雜質(zhì)能帶，從而在吸收譜上表現(xiàn)了出來。wavelength(nm)圖4-6TiO2薄膜的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系3.2.5TiO2薄膜的消光系數(shù)的計算薄膜的消光系數(shù)k可以利用前面求得折射率和薄膜厚度從透射光譜中計算得到42：九1(n-n)(n-n)1+(T/T)12/k=1n0sXmaxmin(4一5)4nd(n+n)(n+n)1-(TT)120smaxm

41、in圖4-7所示為計算得到的消光系數(shù)與波長九的關(guān)系?？梢娤庀禂?shù)隨著波長的增加而下降，在近紅外區(qū)有上升趨勢。在可見光區(qū)消光系數(shù)數(shù)量級為10-3，這一非常小的值表明薄膜具有良好的透明性和均勻性。3.3單層Si02減反射膜的初步制備由于Si02薄膜與石英玻璃襯底的折射率非常接近，都在1.46附近，所以我們嘗試在折射率為1.52左右的K9玻璃襯底上采用磁控濺射法制備了單層SiO2薄膜作為減反射膜，按照單層減反射膜的設(shè)計理論，單層Si02的厚度在94nm左右。主要研究沉積Si02薄膜時工作氣壓和襯底溫度這兩個工藝參數(shù)對增加可見光透過率的影響。3.3.1SiO2沉積氣壓對增透效果的影響905O3.3.9

42、952992519.0990r*3布r003on4005O60O70O80Wavelength(nm)上圖是k9玻璃襯底和在不同氣壓下沉積了Si02單層減反射膜的k9玻璃在300-800nm范圍內(nèi)測量的透過率曲線。從上圖可見，在k9玻璃襯底上沉積單層SiO2能夠增大可見光范圍的透過率，但是增加的幅度并不大，這主要是因?yàn)镾iO2的參考折射率1.45雖然小于襯底K9玻璃的折射率1.52，但還遠(yuǎn)大于單層減反射膜的理想折射率1.23，所以增透效果有限。同時可以看出，在1Pa氣壓下沉積的SiO2單層減反射膜增透效果較好，在550nm處可見光的透過率可以從未鍍膜狀態(tài)時的91.5%提高到92.8%，如果玻璃正反兩面都鍍膜的話將可以達(dá)到94%左右。3.3.2SiO2沉積溫度對增透效果