08功能薄膜材料

功能薄膜材料Functionalfilmymaterial薄膜太陽(yáng)能電池薄膜沉積技術(shù)自70年代以來(lái)，薄膜技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的開(kāi)展，無(wú)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)和薄膜材料的開(kāi)展涉及幾乎所有前沿學(xué)科，它的應(yīng)用與推廣又滲透到各個(gè)學(xué)科以及應(yīng)用技術(shù)中。如電子、計(jì)算機(jī)、磁記錄、信息、傳感器、能源、機(jī)械、光學(xué)、航空航天、核工業(yè)、化工、生物、醫(yī)學(xué)等，現(xiàn)已成為當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活潑的研究領(lǐng)域，所制備的各種類(lèi)型的新材料、新結(jié)構(gòu)、新功能的薄膜,對(duì)材料的研究和使用起到巨大推動(dòng)作用。一、成膜技術(shù)薄膜制備方法：氣相生成法液相生成法離子注入法氧化法擴(kuò)散與涂布法電鍍法等等。許多薄膜材料的制備方法涉及氣相到固相的轉(zhuǎn)變。氣相中各組分能夠充分的均勻混合，制備的材料組分均勻，易于摻雜，制備溫度低，適合大尺寸薄膜的制備，并且能夠在形狀不規(guī)那么的襯底上生長(zhǎng)薄膜?；跉庀唷滔噢D(zhuǎn)變的薄膜制備方法分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩大類(lèi)，其中分子束外延(MBE)、激光脈沖沉積(PLB)、濺射(sputtering)和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有重要意義。1、真空蒸鍍法把待鍍的基片置于高真空室內(nèi)，通過(guò)加熱使蒸發(fā)材料氣化(或升華)而淀積到某一溫度基片的外表上，從而形成一層薄膜。這一工藝過(guò)程稱(chēng)為真空蒸鍍法。采用蒸發(fā)形成薄膜的過(guò)程包括以下幾個(gè)物理階段：(1)采用蒸發(fā)或升華把被淀積的材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)；(2)原子(分子)從蒸發(fā)源轉(zhuǎn)移到基片上；(3)這些粒子淀積在基片上；(4)在基片表而上粒子重新排列或它們的鍵發(fā)生變化。原料氣態(tài)薄膜升華蒸發(fā)凝結(jié)真空蒸鍍?cè)O(shè)備主要由真空鍍膜室和真空抽氣系統(tǒng)兩大局部組成，見(jiàn)圖17－1所示。

真空鍍膜室是用不銹鋼或玻璃制成的鐘罩。鍍膜室內(nèi)裝有蒸發(fā)電極、基片架；轟擊電極、測(cè)溫和烘烤電極、擋板轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、膜厚監(jiān)控測(cè)量?jī)x以及一些輔助裝置。真空抽氣系統(tǒng)主要由擴(kuò)散泵、機(jī)械泵、高真空閥、低真空閥、充氣閥及擋油器等組成。

蒸發(fā)源分為電阻加熱、電子束加熱、激光等類(lèi)型。

電阻加熱蒸發(fā)源是用高熔點(diǎn)金屬(鎢、鉬、鉭)做成。用蒸發(fā)源存放膜料，利用大電流通過(guò)加熱器時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)直接加熱膜料使其蒸發(fā)，通常用于蒸發(fā)溫度小于1500℃的鋁、金、銀等金屬，以及硫化物、氟化物、某些氧化物。這種蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、造價(jià)低，因此使用普遍。電子束加熱蒸發(fā)源利用電子束集中轟擊膜料的一局部而進(jìn)行加熱，它由熱陰極、電子加速極和陽(yáng)極(膜料)等組成。

電子束蒸發(fā)源的特點(diǎn)是:能量高度集中，使膜料的局部外表獲得高溫，可控制蒸發(fā)溫度。因此對(duì)高、低熔點(diǎn)的膜料都適用，尤其適合熔點(diǎn)達(dá)2000℃的氧化物。由于不需坩堝，防止了坩堝材料對(duì)膜料的污染。激光蒸發(fā)源將激光束作為熱源來(lái)加熱膜料，通過(guò)聚焦可使激光束功率到達(dá)106W/cm2以上，它以無(wú)接觸加熱方式使膜料迅速氣化,然后淀積在基片上形成薄膜。

激光蒸發(fā)的主要優(yōu)點(diǎn)是：能實(shí)現(xiàn)化合物的蒸發(fā)沉積，而且不會(huì)產(chǎn)生分餾現(xiàn)象，能蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料。采用激光蒸發(fā)源是淀積介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜、金屬膜和天機(jī)化合物膜的好方法。

2、濺射鍍膜用高能粒子(大多數(shù)是由電場(chǎng)加速的正離子)撞擊固體外表，在與固體外表的原子或分子進(jìn)行能量或動(dòng)量交換后，從固體外表飛出原子或分子的現(xiàn)象稱(chēng)為濺射。濺射出來(lái)的物質(zhì)淀積到基片外表形成薄膜的方法稱(chēng)為濺射鍍膜法。與蒸發(fā)鍍膜相比，由于濺射鍍膜中靶材無(wú)相變，化合物的成分不易發(fā)生變化，合金也不易發(fā)生分餾，因此使用的靶材廣泛。由于濺射淀積到基片上的粒子能量比蒸發(fā)高達(dá)50倍，同時(shí)又有對(duì)基片清洗和升溫作用，形成的薄膜附著力大。輝光放電與濺射現(xiàn)象

輝光放電是氣體放電的一種類(lèi)型，它是一種穩(wěn)定的自持放電。它的最簡(jiǎn)單裝置是在真空放電室中安置兩個(gè)電極，陰極為冷陰極，通入壓強(qiáng)為～10Pa氬氣，當(dāng)外加直流高壓超過(guò)著火電壓(起始放電電壓)Vs時(shí)，氣體就由絕緣體變成良導(dǎo)體，電流突然上升，兩極間電壓降突然下降。此時(shí)，兩極空間就會(huì)出現(xiàn)明暗相間的光層，氣體的這種放電為輝光放電，圖17-2為輝光放電示意圖。輝光放電可分為正常輝光放電和異常輝光放電兩類(lèi)。正常輝光放電時(shí)，由于放電電流還未大到足以使陰極外表全部布滿(mǎn)輝光，因此隨電流的增大，陰極的輝光面積成比例地增大，而電流密度jK和陰極位降VK那么不隨電流的變化而改變。在放電的其他條件保持不變時(shí)，陰極位降區(qū)的長(zhǎng)度dK隨氣體壓強(qiáng)成反比變化。異常輝光放電時(shí)，由于陰極外表全部布滿(mǎn)了輝光，電流進(jìn)一步增大，導(dǎo)致jK增加，dK減小，VK進(jìn)一步增加，撞擊陰極的正離子數(shù)目及動(dòng)能比正常輝光放電時(shí)大為增加，在陰極外表發(fā)生強(qiáng)烈濺射。所以利用異常輝光放電進(jìn)行濺射鍍膜?；麝?yáng)極，要濺射的材料作陰極(靶子)。根據(jù)引起氣體放電的機(jī)理不同，可形成不同的濺射鍍膜方法，主要有直流濺射、高頻濺射、反響濺射、磁控濺射等方法。高頻濺射高頻濺射的原理如圖17-3．利用高頻電磁輻射來(lái)維持低氣壓×10-2)的輝光放電，使正離子和電子交替轟擊靶子。高頻濺射可以沉積任何固體材料的薄膜，所得膜層致密、純度高、與基片附著牢固，并具有較大的濺射速率。磁控濺射

磁控濺射的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直，可以將電子的運(yùn)動(dòng)路程限制在靶面附近，顯著地延長(zhǎng)了電子的運(yùn)動(dòng)路程，增加了同工作氣體分子的碰撞幾率，提高了電子的電離率，使磁控濺射速率數(shù)量級(jí)提高。激光脈沖沉積(PLD)3、離子鍍膜離子鍍膜技術(shù)是60年代開(kāi)展起來(lái)的一種鍍膜方法，它是真空蒸發(fā)與濺射相結(jié)合的新工藝，即利用真空蒸發(fā)來(lái)制作薄膜，用濺射作用來(lái)清潔基片外表。因此，它是在輝光放電中的蒸發(fā)法，離子鍍膜裝置如圖17-4所示。

蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的粒子通過(guò)輝光放電的等離子區(qū)時(shí)，其中的一局部校被電離成為正離子，通過(guò)擴(kuò)散和電場(chǎng)作用，高速打到基片外表，另外大局部為處于激發(fā)態(tài)的中性蒸發(fā)粒子，在慣性作用下到達(dá)基片外表，堆積成薄膜，這一過(guò)程稱(chēng)為離子鍍膜，為了有利于膜的形成，必須滿(mǎn)足沉積速率大于濺射速率的條件，這可通過(guò)控制蒸發(fā)速率和充氬壓強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

離子鍍膜的主要優(yōu)點(diǎn)是基片外表和膜面潔凈，不受沾污。由于基片受到高能粒子的轟擊，溫度較高，因此對(duì)基片不用輻射加熱就能提高外表區(qū)域的擴(kuò)散和化學(xué)反響速度，并具有互溶性。4、化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD)是一種在實(shí)際應(yīng)用中有重要作用的薄膜制備方法。它提供了一種在相對(duì)低的溫度下，在較廣的范圍內(nèi)準(zhǔn)確控制薄膜的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的方法。本質(zhì)上CVD是一種材料的合成過(guò)程，氣相原子或分子被輸運(yùn)到襯底外表附近，在襯底外表發(fā)生化學(xué)反響，生成與原料化學(xué)成分截然不同的薄膜。為了制備化合物半導(dǎo)體薄膜．開(kāi)展起了利用金屬有機(jī)化合物作為氣相源酌金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)。AdvantageofCVD①大于99.9%之高密度鍍層，有良好的真空密封性②純度高③強(qiáng)度高，與晶體結(jié)構(gòu)，大小，純度，密度，內(nèi)應(yīng)力有關(guān)④可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认洛兩细呷埸c(diǎn)材料鍍層⑤良好的拋鍍力⑥可控制晶粒大小與微結(jié)構(gòu)⑦可制作微粒子鍍層⑧良好的附著性DisadvantageofCVD①反響需要揮發(fā)性化合物，不適用于一般可電鍍的金屬，因其缺少適合的反響物，如：錫、鋅、金②需可形成穩(wěn)定固體化合物的化學(xué)反響，如：硼化物、氮化物及硅化物等③因有劇毒物質(zhì)的釋放，腐蝕性的廢氣及沉積反響需適當(dāng)控制，需要封閉系統(tǒng)④需要高能量，可能造成基材變形(可通過(guò)PACVD法改善)⑤某些反響物價(jià)格昂貴⑥反響物的使用率低，反響常受到沉積反響平衡常數(shù)的限制5、分子束外延分子束外延(molecularbeamepitaxy，MBE)是一種主要用于半導(dǎo)體薄膜制備的新方法，是目前制備半導(dǎo)體超薄膜、多層量子結(jié)構(gòu)、超晶格的主要手段之一，已經(jīng)開(kāi)始在生產(chǎn)上應(yīng)用。這種方法本質(zhì)上是一種超高真空蒸發(fā)淀積方法，一般不涉及生長(zhǎng)室內(nèi)的氣相化學(xué)反響，屬于一種物理氣相淀積方法。分子束外延是利用分子束或原子束在超高真空系統(tǒng)中進(jìn)行外延生長(zhǎng)的。作為生長(zhǎng)源的分子(原子)束通常在努森(Knudson，也稱(chēng)為源發(fā)射爐)箱中加熱產(chǎn)生，箱中保持準(zhǔn)平衡態(tài)，所以射束的成分和強(qiáng)度可以根據(jù)熱力學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。從努森箱噴發(fā)出來(lái)的射束由噴射孔和射束閘門(mén)來(lái)控制，直線射到襯底外表，在動(dòng)力學(xué)控制條件下，在襯底上冷凝和生長(zhǎng)。圖15-17是分子柬外延設(shè)備結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。分子束外延設(shè)備真空系統(tǒng)分子束外延生長(zhǎng)室主要由三大局部組成，即源發(fā)射爐、襯底夾和加熱器，以及監(jiān)控設(shè)備分子束外延過(guò)程是在超高真空中進(jìn)行的，這樣才能保證分子(原子)束有較大的平均自由．從面按照設(shè)計(jì)的路線射到襯底外表。這是分子柬外延區(qū)別于其他薄膜生長(zhǎng)方法的鮮明特點(diǎn)，這〞特點(diǎn)帶來(lái)多種好處。首先是可以把要求高真空條件工作的分析裝置結(jié)合到外延生長(zhǎng)系統(tǒng)中去。這類(lèi)裝置一般包括質(zhì)譜儀、俄歇分析儀、離子轟擊裝置、納米探針顯微鏡以及衍射儀、薄膜厚度測(cè)試儀等。這些設(shè)備提供了清潔的襯底外表，以及實(shí)時(shí)或者原位監(jiān)控生長(zhǎng)環(huán)境和淀積膜的組成與結(jié)構(gòu)信息的重要手段，對(duì)精細(xì)控制生長(zhǎng)過(guò)程，保證薄膜質(zhì)量是必須的。同時(shí)，這也為在確定的條件下進(jìn)行外表研究和外延生長(zhǎng)機(jī)理的研究創(chuàng)造了條件。分子束外延的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，是它的生長(zhǎng)速率可以調(diào)節(jié)得很慢，使得外延層厚度可以得到精確控制，生長(zhǎng)外表或界面可到達(dá)原子級(jí)光滑度，因而可制備極薄的薄膜；由于吸附原子有較寬裕的外表擴(kuò)散時(shí)間來(lái)“找到〞最低能量位置，分子束外延的生長(zhǎng)溫度一般比較低，這就能把諸如擴(kuò)散這類(lèi)不希望出現(xiàn)的熱激活過(guò)程減少到最低；另外，只要加上帶有適宜閘門(mén)的源箱，就能很方便地引入不同種類(lèi)的分子束，為在較大范圍內(nèi)控制薄膜的組分和摻雜濃度，研制具有復(fù)雜剖面分布的結(jié)構(gòu)提供了條件。分子束外延還具有生長(zhǎng)技術(shù)要素獨(dú)立可控的特點(diǎn)，這在生長(zhǎng)技術(shù)和生長(zhǎng)機(jī)理的研究中非常有用。二、導(dǎo)電薄膜

導(dǎo)電薄膜在半導(dǎo)體集成電路和混合集成電路中應(yīng)用十分廣泛，它可用作薄膜電阻器的接觸端、薄膜電容器的上下電極、薄膜電感器的導(dǎo)電帶和引出端頭，也可用作薄膜微帶線、元器件之間的互連線,外貼元器件和外引線的焊區(qū)，以及用于形成肖特基結(jié)和構(gòu)成阻擋層等。在集成電路中，導(dǎo)電薄膜所占的面積比例與其他薄膜材料相比是很大的，而且隨著集成度的不斷提高、薄膜多層互連基板的應(yīng)用，其所占面積比例持不斷增大。因而導(dǎo)電薄膜的性能，對(duì)于提高集成度和提高電路性能均有很大影響。

導(dǎo)電薄膜按其成分可分為：(1)低熔點(diǎn)單元素導(dǎo)電薄聯(lián)；(2)復(fù)合導(dǎo)電薄膜；(3)多品硅薄膜；(4)高熔點(diǎn)金屬薄膜；(5)金屬硅化物導(dǎo)電薄膜；(6)透明導(dǎo)電薄膜。1、低熔點(diǎn)金屬導(dǎo)電薄膜

在金屬薄膜中，主要有Au，Ag,Cu和A1薄膜，其中，對(duì)Al薄膜的研究和應(yīng)用較多。通常采用真空蒸發(fā)制作鋁膜，所用原材料純度為％以上，真空度高于5xl0-3Pa。由于A1與W，Mo,Ta等元素易生成低共熔合金，故一般不使用W,Mo,Ta舟蒸發(fā)鋁。在集成電路工藝中主要采用濺射技術(shù)制備A1膜。

此外，Au薄膜、Ag薄膜、Cu薄膜與A1薄膜一樣．均屬元素導(dǎo)電薄膜，它們的制備方法仍以真空蒸發(fā)、濺射為主。Ag，Cu易氧化,Au性能穩(wěn)定。2、復(fù)合導(dǎo)電薄膜

金膜的導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性好，是一種優(yōu)良的導(dǎo)電薄膜。但金與基板(如微晶玻璃、陶瓷)的附著性很差。因此，當(dāng)金膜用作導(dǎo)電膜時(shí)．一般必須先淀積一層底金屬層，然后再淀積金，形成金基復(fù)合導(dǎo)電薄膜。所以，復(fù)合導(dǎo)電薄膜在結(jié)構(gòu)上主要包括底金屬層和上面金屬層兩局部。底金屬層主要起粘附作用，使上層導(dǎo)電薄膜能牢固地附著于基片上；上層薄膜那么主要起導(dǎo)電作用和便于焊接。由于復(fù)合導(dǎo)電薄膜的組分至少包括兩種或兩種以上的金屬，因此在制備這種薄膜時(shí)，不能采用單蒸發(fā)源或單靶，必須采用兩個(gè)或三個(gè)蒸發(fā)源順序蒸發(fā)和采用多金屬靶的順序?yàn)R射方法，才能獲得所需性能。鉻－金薄膜和鎳鉻－金薄膜是目前用得最多的復(fù)合導(dǎo)電薄膜。主要用作電阻的端頭電極、互連線、微帶線、單層薄膜電感器、薄膜電容器上電極和焊區(qū)等。

鈦－金薄膜、鈦－鉑－金薄膜、鈦－鈀－金薄膜主要用于鉭膜電路和半導(dǎo)體器件中，鎳鉻－銅－鈀(鉑)－金薄膜主要用于錫焊，氯化鈦－金和鉬化鈦－金薄膜可以在400～450℃下穩(wěn)定工作。3、高熔點(diǎn)金屬薄膜

高熔點(diǎn)金屬是指元素周期表中ⅣB族的Ti，Zr,Hf；VB族的V，Nb，Ta;VIB族的Cr，Mo和W。制造高熔點(diǎn)金屬薄膜，主要是為滿(mǎn)足集成度大于256Kbit的器件對(duì)電極材料的要求。選用電子束蒸發(fā)、濺射和化學(xué)氣相沉淀等方法可以制備高熔點(diǎn)金屬薄膜。采用上述方法在二氧化硅等熱穩(wěn)定薄膜外表所形成的W,Mo等高熔點(diǎn)金屬薄膜，一般為多晶結(jié)構(gòu)，薄膜多呈柱狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸隨基板溫度和熱處理溫度的升高而增大，薄膜的電阻率ρ值會(huì)逐漸變小，可以在大規(guī)模集成電路中使用。4、多晶硅薄膜重?fù)诫s的多晶硅薄膜是替代A1膜作為MOS集成電路的柵電極與互連線材料。多晶硅薄膜耐高溫?zé)崽幚恚?jīng)氧化處理，可在其外表生成優(yōu)良的Si02膜．容易得到高純度的膜層。利用不同摻雜成分既可形成n型半導(dǎo)體，又可形成p型半導(dǎo)體；改變摻雜濃度可改變膜層的電阻率。制備多晶硅薄膜的方法很多，通常淀積固體薄膜的方法，如真空蒸發(fā)、濺射、電化學(xué)淀積、化學(xué)氣相反響淀積、分子束外延等，都可用來(lái)淀積多晶硅薄膜。在結(jié)構(gòu)上,多晶硅薄膜由許多無(wú)規(guī)那么取向的小晶粒組成的。在一定條件下，存在著一個(gè)主要的生長(zhǎng)晶向,這個(gè)晶向?yàn)閾駜?yōu)取向。擇優(yōu)取向與淀積溫度及以后的熱處理溫度密切相關(guān)。

非摻雜多晶硅薄膜的電阻率很高，可達(dá)105Ω·cm。如摻雜濃度在l019cm-3以上，其電阻率與單晶硅的電阻率相近(10-2～10-3Ω·cm)。摻雜后多晶硅的許多性質(zhì)，如電氣性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形貌等都隨摻雜材料的種類(lèi)和濃度面改變。多晶硅薄膜的導(dǎo)電性質(zhì)與單晶硅的不同．是因?yàn)樵诙嗑Ч璞∧ぶ写嬖谥Ы纭?、金屬硅化物薄膜硅化物具有低的電阻率(約為多晶硅電阻率的1／10或更低)，且高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移能力強(qiáng)，并可直接淀積在多晶硅上，其工藝與現(xiàn)有硅柵N溝道MOS工藝兼容，因而被廣泛用于超大規(guī)模集成電路中。元素周期表中有一半以上的元素可與硅形成一種或多種硅化物。但適于集成電路的硅化物，必須具有以下性質(zhì)：低電阻率、易刻蝕、可氧化、機(jī)械穩(wěn)定性好，適用于整個(gè)集成電路工藝，與Al不易發(fā)生反響等。符合上述要求的主要是IVB族、VB族和VIB族的難熔金屬硅化物和ⅦB族的亞貴金屬硅化物。常用的硅化物有NbSi2，PtSi,Pd2Si,NiSi2等。

制備硅化物的方法有共濺射、共蒸發(fā)、分子束外延、化學(xué)氣相沉積等方法，形成硅和金屬的多層結(jié)構(gòu)，經(jīng)退火處理，形成硅化物薄膜。6、透明導(dǎo)電薄膜透明導(dǎo)電薄膜是一類(lèi)既具有高的導(dǎo)電性，在可見(jiàn)光范圍又有很高的透光性，并在紅外光范圍有很高的反射性的薄膜。它大體可分為金屬膜、氧化物薄膜和非氧化物單相或多層膜三大類(lèi)。

在金屬膜中有Au，Ag，Cu,Pd，Pt,Al，Cr，Rh等膜；在氧化物膜中，有In2O3，Sn02，ZnO，CdO等膜；在非氧化物膜中，有Cu2S，CdS，ZnS，LaB6，TiN，TiC，ZrN，ZrB2，HfN等膜。透明導(dǎo)電薄膜由于具有透明性質(zhì)，因而在電子、電氣及光學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

在玻璃襯底上制備透明導(dǎo)電薄膜時(shí)，由于需要采用高溫處理過(guò)程，考慮到透明性、導(dǎo)電性及力學(xué)性能等因素，大多采用金屬氧化物。

在玻璃襯底上制備透明導(dǎo)電膜的方法有：噴霧法、涂覆法、浸漬法、化學(xué)氣相沉淀法、真空蒸發(fā)法、濺射法等。

在塑料襯底上制備透明導(dǎo)電薄膜有多種方法，其中最典型的方法是真空蒸發(fā)法，這種方法的襯底大多采用聚酯薄膜，也可采用各種濺射方法來(lái)制備。三、光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜開(kāi)展很早，應(yīng)用廣泛，幾乎所有光學(xué)儀器都離不開(kāi)各種性能的光學(xué)薄膜，如增透膜、反射膜、偏振膜、分光膜、干預(yù)濾光膜等。近代激光技術(shù)的開(kāi)展，又為光學(xué)薄膜的研制和應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景。激光諧振腔中的腔片，擴(kuò)孔、縮孔時(shí)用的望遠(yuǎn)鏡，激光器上的反射線，接收用干預(yù)濾光片，起偏、檢偏用的偏振片等均為光學(xué)薄膜在激光技術(shù)中的應(yīng)用，稱(chēng)為激光薄膜。薄膜材料是光學(xué)薄膜表現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)關(guān)鍵，可用作光學(xué)薄膜的材料很多，不下百余種，有化合物、半導(dǎo)體、金屬等，各種材料可適合于不同的用途和光學(xué)波段。然而，從光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性綜合觀之，理想的材料卻不多，適用于激光薄膜的材料更少。目前，用得較多的光學(xué)薄膜材料有如下幾種：(1)氧化物，如Al2O3,Bi2O3,Sb2O3,Nd2O3,ZrO2,TiO2,ThO2,SiO2,PbO,SiO2等;(2)氟化物，如CaF2,MgF2,PbF2,NdF3,CeF3,ThF4等；(3)硫化物，如ZnS等；(4)半導(dǎo)體材料，如Si，Ge等；(5)金屬材料，如Au，Ag，A1，Cu，Cr等。1、防反射膜折射率為的玻璃對(duì)于垂直于入射光的反射率約為4％，在具有大量光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)中，存在著許多空氣／玻璃界面，這時(shí)反射損耗會(huì)累積起來(lái)，使得透射率明顯降低。另外，在折射率大的半導(dǎo)體中，反射損耗也大。例如，在折射率約為4的Ge中,反射損耗約為36％。為了減小反射損耗，增大光學(xué)元件的透射率，通常是采用在光學(xué)元件上沉積防反射鍍層的方法，在透明物質(zhì)上鍍單層、雙層或多層反射膜。表17-l給出典型的用于可見(jiàn)和紅外波段防反射膜物質(zhì)的透明波段以及折射率。在選擇構(gòu)成防反射膜的物質(zhì)組合時(shí)，不僅考慮它的光學(xué)性質(zhì)，還必須考慮其機(jī)械強(qiáng)度以及成膜的難易程度等因素。中選擇防反射膜時(shí)，必須考慮反射率與入射角的關(guān)系，一般膜的層數(shù)越多，反射率開(kāi)始增大的入射角就越小。許多物質(zhì)的折射率受膜的制備條件(制備方法、氣體成分、沉積速率等)的影響很大。一般在鍍膜過(guò)程中直接監(jiān)視并控制膜的反射率和透射率，最好在反射率到達(dá)最小時(shí)停止鍍膜。2、吸收膜

光學(xué)多層膜鍍層的應(yīng)用實(shí)例之一是太陽(yáng)光選擇吸收膜。當(dāng)需要有效地利用太陽(yáng)熱能時(shí)，就要考慮采用對(duì)太陽(yáng)光吸收較多，而由熱輻射等所引起的損耗較小的吸收面，從圖17-5可看出，太陽(yáng)光譜的峰值約在μm處，全部能量的95％以上集中在0.3～2μm之間。

另一方面，由被加熱的物體所產(chǎn)生的熱輻射的光譜是普朗克公式揭示的黑體輻射光譜和該物體的輻射率之積。在攝氏幾百度的溫度下，黑體輻射光譜主要集中在2～20μm的紅外波段。由于太陽(yáng)輻射光譜與熱輻射光譜在波段上存在著這種差異。因此，為了有效地利用太陽(yáng)熱能，就必須考慮采用具有波長(zhǎng)選擇特性的吸收面。這種吸收面對(duì)太陽(yáng)能吸收較多，同時(shí)由熱輻射所引起的能量損耗又比較小，即在太陽(yáng)輻射光譜的波段(可見(jiàn)波段)中吸收率大，在熱輻射光譜波段(紅外波段)中輻射率小。采用在紅外波中反射率高達(dá)1，輻射率非常小的金屬，可以在可見(jiàn)光波段中降低其反射率，增大其吸收。利用半導(dǎo)體層中的帶間躍遷吸收的方法，在金屬外表沉積一層半導(dǎo)體薄膜，其吸收端波長(zhǎng)在1～3μm之間(Eg＝1～0.4ev)。當(dāng)波長(zhǎng)比吸收端波長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)，半導(dǎo)體層是透明的，可以得到由襯底金屬所導(dǎo)致的高反射率。另一方面，當(dāng)波長(zhǎng)比吸收端波長(zhǎng)短時(shí)，由于薄膜的吸收系數(shù)很大，可以吸收太陽(yáng)光。用于這一目的的半導(dǎo)體有Si(Eg＝1．1ev)，Ge(Eg＝0.7ev)，PbS(Eg=0.4ev)。它們?cè)诳梢?jiàn)光波段的折射率較大，反射損耗較大。降低半導(dǎo)體反射的措施有：(1)適當(dāng)?shù)剡x取半導(dǎo)體層的膜厚，通過(guò)干預(yù)效應(yīng)來(lái)降低反射率；(2)在半導(dǎo)體層上再沉積一層防反射膜；(3)使半導(dǎo)體外表形成多孔結(jié)構(gòu)，利用多重反射的方法，使反射率降低。利用薄膜的干預(yù)來(lái)到達(dá)防反射的目的，要采取的措施有：(1)由單層透明金屈膜來(lái)防止反射：(2)由具有吸收的薄膜來(lái)防止反射;(3〕沉積干預(yù)濾色器型的多層金屬防反射膜。3、薄膜光波導(dǎo)

光波導(dǎo)就是一種將光波封閉在有限截面的透明媒質(zhì)內(nèi)，并利用其橫向界面上的全反射現(xiàn)象，使波沿波導(dǎo)軸向傳播的光學(xué)結(jié)構(gòu)。

薄膜光波導(dǎo)的根本結(jié)構(gòu)大致可分為兩種，一種是由所沉積的低折射率和高折射率的薄膜形成的二維波導(dǎo)；另一種是將薄膜加工成條帶狀圖形所形成的三維波導(dǎo)。

薄膜光波導(dǎo)的襯底用折射率比波導(dǎo)核心層的折射率低的透明材料，但是也有采用非透明材料(硅等半導(dǎo)體襯底)的情況，這時(shí)的結(jié)構(gòu)是由低折射率的透明緩沖層和高折射率的核心層疊加所構(gòu)成的。單晶襯底被廣泛采用的有LiNb03，A1203，SiO2等氧化物介電體單晶以及GaAs,InP,Si等半導(dǎo)體晶體。一般在單晶襯底上比較容易得到比多晶波導(dǎo)層純度高、損耗低的單晶波導(dǎo)層，還會(huì)出現(xiàn)電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)等，適合作功能元件。制備單晶薄膜是采用各種外延方法(氣相、液相、分子束外延、有機(jī)金屬化學(xué)氣相法等)，在異質(zhì)外延過(guò)程中制備的薄膜物質(zhì)與襯底不同，這時(shí)由于晶體常數(shù)不同會(huì)產(chǎn)生剩余應(yīng)變和晶格缺陷。Si單晶上的低折射率緩沖層，常常采用由熱氧化所得到的SiO2膜。多晶以及非晶態(tài)物質(zhì)的薄膜的制備，通常是采用真空蒸鍍、濺射等方法。四、磁性薄膜目前，磁性薄膜是一個(gè)十分活潑的研究領(lǐng)域，因?yàn)橛盟軌蛑圃煊?jì)算機(jī)快速存儲(chǔ)元件。1955年發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)中沉積的磁性薄膜沿該磁場(chǎng)方向呈矩形磁滯回線，這說(shuō)明磁性薄膜可以作成雙穩(wěn)態(tài)元件；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)元件從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間極短(約10-9秒)，利用薄膜代替鐵氧體磁芯的研究取得了成功。1、磁性膜的根本性質(zhì)

飽和磁化強(qiáng)度MS是膜厚L和溫度T的函數(shù)，在三維情況下，MS(T)服從T3/2的關(guān)系，而當(dāng)L＝30nm以下時(shí)，隨L的減少，由T3/2關(guān)系變?yōu)門(mén)的關(guān)系。由此可推斷，隨著膜厚L的減少，居里溫度Tc也會(huì)降低。

鐵磁性薄膜具有單軸磁各向異性，并由此產(chǎn)生矩形磁化曲線和磁滯回線。由于薄膜中所特有的內(nèi)應(yīng)力分布，認(rèn)為磁滯伸縮是誘發(fā)產(chǎn)生垂直磁各向異性的原因。鐵磁體中加有磁場(chǎng)時(shí)，電阻率正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方，稱(chēng)為正常磁阻效應(yīng)；另外電阻率會(huì)隨磁化強(qiáng)度的不同而變化，這種現(xiàn)象為異常磁阻效應(yīng)。磁性薄膜的各向異性磁阻效應(yīng)可用于磁頭、磁泡檢測(cè)、磁場(chǎng)檢測(cè)用磁傳感器等。2、單晶態(tài)磁性薄膜

磁性單晶膜可利用外延法來(lái)制備。在離子型晶體或金屬單晶體的結(jié)晶而上可通過(guò)真空蒸鍍法進(jìn)行外延．要求基體的溫度必須在外延溫度以上。

在NaCl單品解理面(100)上制取Ni單晶膜，其各向異性常數(shù)K1的值具有各向異性。在MgO(100)解理面上，Ni的K1值隨基體溫度增加而增加。K1越大說(shuō)明完全單晶化程度越高。γ-Fe膜是特殊單晶膜，通常的Fe是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，面心立方的γ-Fe僅存在于塊體狀的合金。但是如果在Cu單晶體上，使外延單晶Fe膜盡可能薄，也可獲得γ-Fe膜，當(dāng)膜厚為2nm以下時(shí)，是γ－Fe(100)／Cu(100)，利用磁矩儀測(cè)出的K1值，說(shuō)明膜層為鐵磁性的。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在不同襯底面上，所得磁性薄膜性能不同。在Cu(100)面上生成反鐵磁性膜，在Cu(110)與(111)面上，室溫時(shí)為鐵磁性的。3、非晶態(tài)磁性薄膜非晶態(tài)軟磁膜具有不存在晶體學(xué)磁各向異性，以及不存在由晶粒邊界引起的磁疇壁釘扎等優(yōu)點(diǎn)，而且與熔融金屬急冷非晶薄帶比,具有下述優(yōu)點(diǎn)：(1)組成范圍比急冷薄帶寬；(2)厚度可以做到數(shù)微米以下；(3)對(duì)形狀的限制比較小。

非晶態(tài)膜的制作方法分電鍍、電解、蒸鍍、濺射等?？梢岳秒婂儭㈦娊夥椒ㄖ苽銫o-P膜、Ni-P膜、Co-Ni-P膜等非晶膜。由濺射法制備的軟磁膜屬于金屬-非金屬系、金屬-金屬系或金屬、非金屬的一方或雙方都由幾種成分構(gòu)成的多成分系統(tǒng)，由Fe，Co，Ni和Si,B,C等組成的金屬-非金屬系，其鐵磁性金屬的飽和磁化隨非磁性元素的添加量而成比例降低。對(duì)于金屬－金屬系，除去兩組元都是鐵磁性的情況，上述規(guī)律也根本成立。為獲得非晶態(tài)膜，大多數(shù)情況下需要添加金屬的量比需要添加非金屬的量要小。因此為到達(dá)高飽和磁化強(qiáng)度，應(yīng)盡量采用金屬－金屬系。另一方面，為獲得低矯頑力、高磁導(dǎo)率，要求膜層的磁滯伸縮要小。4、磁泡磁泡是30年來(lái)在磁學(xué)領(lǐng)域中開(kāi)展起來(lái)的一個(gè)新概念。一般情況下，一個(gè)鐵磁體總要分成很多小區(qū)域，在同一個(gè)小區(qū)域中磁化矢量方向是相同的，這樣的小區(qū)域稱(chēng)為磁疇。相鄰兩個(gè)磁疇的磁化矢量方向總是不同的。

1932年Bloch建立疇壁概念，他指出在兩個(gè)磁疇的分界面處，磁化矢量方向的變化不是突然由一個(gè)磁疇的方向變到另一個(gè)磁疇的方向