第五章光學(xué)薄膜制備工藝因素

第五章光學(xué)薄膜制備工藝因素第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日§5.1制備工藝因素薄膜制備是一個(gè)復(fù)雜的過程，它是通過大塊固態(tài)材料蒸發(fā)或?yàn)R射，經(jīng)過氣相傳輸，最后在基板表面凝結(jié)得到的。在制備過程中，因各種各樣的因素相互作用，致使薄膜性質(zhì)產(chǎn)生很大的差異。一、工藝因素分析第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日

圖5-1表示一些主要的工藝因素對(duì)膜層微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的影響，從而產(chǎn)生對(duì)光學(xué)性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)和抗激光損傷等特性的變化。第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日1、基板處理拋光：消除散射表面粗糙度和缺陷是散射的主要來源，在可見光區(qū)，對(duì)于要求較高的基片，表面均方根粗糙度要求小于1nm。除微觀缺陷外，表面劃痕、麻點(diǎn)、氣泡等宏觀缺陷也是必須重視的，它是引起紅外波段散射的主要原因。此外，基片在拋光過程中形成的表面層也是不可忽視的，不同的拋光方法往往會(huì)形成不同的表面層。第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日1、基板處理基板清潔：手工擦拭：通常是用乙醇和乙醚的混合液(85：15)蘸在脫脂紗布上均勻擦拭，并在暗視場下檢臉。擦拭干凈的基板要妥善保護(hù)，鍍膜面朝下放置在罩子內(nèi)。超聲波清洗：超聲波清洗具有清洗速度快、質(zhì)量高的特點(diǎn)。超聲頻率為20-40kHz。在清洗過程中，超聲波有三個(gè)作用：(1)、空化作用。超聲波在液體內(nèi)傳播產(chǎn)生忽增忽減的壓力，超聲波稀疏時(shí)，液體受拉應(yīng)力，產(chǎn)生大量空化泡，超聲波壓縮時(shí)，空化泡閉合，產(chǎn)生幾百大氣壓的瞬時(shí)壓力，（2)、溶解作用。污物與化學(xué)溶劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而被溶解，(3)、漂洗作用?；鍔A具的上下運(yùn)動(dòng)使基板不斷得到漂洗。這三重作用使超聲波清洗具有良好的清潔效果。第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日

離子轟擊：作為基板清潔的最后一個(gè)環(huán)節(jié)是離子轟擊。離子轟擊的原理是基于低壓氣體輝光放電。陰極形狀可以是棒狀、扇形或環(huán)狀，但都必須滿足，在一定的輸出功率范圍內(nèi)（如轟擊電壓500~5000V，電流50~200mA），基板能浸入陽極光柱中，因?yàn)樵谪?fù)輝光區(qū)附近基板轟擊雖然有效，但也容易被分解物重新玷污。在離子轟擊過程中，電子所獲得的速度遠(yuǎn)比離子大，基板由于電子的較大動(dòng)性而迅速帶負(fù)電荷，正離子在負(fù)電荷的吸引下轟擊基板。電子、離子，還有激活原子和分子的共同轟擊，一方面可使基板加熱到100℃以上，另一方面使表面玷污的碳?xì)浠衔锓纸?，并提供活化表面以利于薄膜成核。第七頁，共二十七頁?022年，8月28日離子轟擊結(jié)束后，應(yīng)盡快開始薄膜淀積。實(shí)驗(yàn)表明，采用轟擊電壓5KV、電流80mA經(jīng)5min轟擊后的基板，在3min內(nèi)蒸鍍的ZnS是極其牢固的。第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日2、制備參數(shù)基板溫度：在高的基板溫度下，吸附在基板表面的殘余氣體分子減少，從而增加了淀積分子在基板上的附著力?；鍦囟壬?，減小了蒸汽分子再結(jié)晶溫度與基板溫度之差，從而有效地減小了膜層的內(nèi)應(yīng)力。提高基板溫度還可促進(jìn)淀積分子與殘余氣體分子的化學(xué)反應(yīng)，改變膜層的結(jié)晶構(gòu)造，從而改變膜層的光學(xué)性質(zhì)。特別是氧化物，如ZrO2、TiO2、CeO2、Ta205等，當(dāng)基板溫度從室溫增加到300℃，折射率可增加20％左右。需要注意的是基板溫度必須適當(dāng)?；鍦囟冗^高，可能形成大顆粒凝結(jié)或材料分解，甚至膜層發(fā)霧。蒸鍍金屬AI或Ag膜時(shí)，基板一般不加熱，否則大顆粒引起的光散射和氧化反應(yīng)引起的光吸收將使反射率大大降低。第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日淀積速率：薄膜淀積過程是薄膜材料分子在基板上吸附、遷移、凝結(jié)和解吸的一個(gè)綜合平衡過程。淀積速率較低時(shí)，吸附原子在其平均停留時(shí)間內(nèi)能充分進(jìn)行表面遷移，凝結(jié)只能在大的凝結(jié)體上進(jìn)行，反蒸發(fā)嚴(yán)重，所以膜層結(jié)構(gòu)松散。反之，淀積速率提高，結(jié)構(gòu)較緊密，但由于缺陷增多而使內(nèi)應(yīng)力增大。具體選擇淀積速率時(shí)，視不同材料而異。第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日對(duì)Ag、A1等金屬要求淀積速率足夠快對(duì)Au、Cr等的淀積速率就并非這樣重要介質(zhì)膜的情況更復(fù)雜第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日真空度：真空度的影響主要有二個(gè)方面：a、氣相碰撞使蒸發(fā)分子動(dòng)能損失。b、蒸發(fā)分子與殘余氣體之間的化學(xué)反應(yīng)。由此可知，殘余氣體的壓強(qiáng)和成分都必須加以控制。當(dāng)真空度足夠高時(shí)，蒸汽分子在從蒸發(fā)源到基板的路徑中基本上不被殘余氣體分子所碰撞。膜層可以正常淀積,一般金屬膜和半導(dǎo)體膜要求純度越高越好，故要求有盡可能高的真空度。對(duì)氧化物和碳化物，殘余氣壓與成分兩者都很重要。真空度對(duì)硫化物和氟化物的影響就不那么強(qiáng)烈

第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日上述三個(gè)制備參數(shù)實(shí)際上并非是獨(dú)立的，必須注意彼此之間的制約作用。除了選擇適當(dāng)?shù)闹苽鋮?shù)外，在蒸發(fā)過程中恒定制備參數(shù)可能更困難、更重要。因?yàn)橹苽鋮?shù)的微小波動(dòng)，將使膜層產(chǎn)生不均勻的光、機(jī)特性。

第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日3、蒸汽入射角蒸汽入射角是指蒸發(fā)分子的入射方向與基板淀積表面法線的夾角，有時(shí)又稱淀積角。如圖5-4所示，蒸汽入射角增大，吸附原子沿表面遷移的速度分量增加。在淀積初期，蒸發(fā)原子傾斜入射時(shí)的晶粒生長和垂直入射時(shí)并無多大區(qū)別，可是隨著晶粒增大，入射原子的凝結(jié)作用就被限制在突出的晶粒上，晶粒背后只能通過沿面遷移來達(dá)到，這就產(chǎn)生了陰影區(qū)。晶粒生長向入射原子的方向傾斜，膜層表面變得非常粗糙。第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日薄膜的這種淀積角效應(yīng)與吸附原子的固有遷移率相關(guān)，固有遷移率越大，淀積角效應(yīng)越弱。鋁以大入射角（如＞60°）淀積在玻璃基板表面便可能形成粗糙的藍(lán)光散射結(jié)構(gòu)。金和銀由于有較高的遷移率，并不會(huì)發(fā)展成漫散射表面。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日4、老化處理在薄膜制成后，其性質(zhì)會(huì)逐漸發(fā)生變化，因?yàn)榈矸e過程中薄膜材料分子從氣相到固相的冷卻非常迅速，存在著各種缺陷。Al、Ag、Au等金屬膜通常直接在大氣中作時(shí)效處理，不需要烘烤，以免影響反射率。它們?cè)诔跏茧A段的老化比較迅速，大約一星期后趨向穩(wěn)定，這時(shí)牢固度增加，反射率降低。一般說來，膜層越薄，則時(shí)效變化就越大。第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日4、老化處理介質(zhì)膜常常需要在空氣中烘烤退火處理。ZnS-MgF2多層膜經(jīng)250~300℃烘烤8h后牢固度和抗潮能力都大大提高。TiO2-SiO2或Ta205-Si02等多層膜經(jīng)300-400℃烘烤后牢固度增加，吸收減小，抗激光損傷能力顯著提高。薄膜在空氣中烘烤主要有二個(gè)作用：再結(jié)晶過程和再反應(yīng)過程。淀積溫度對(duì)薄膜性質(zhì)的影響要比退火溫度更敏感。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日工藝因素優(yōu)選通常采用正交試驗(yàn)，它是研究和處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)方法。它在理論認(rèn)識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用一種現(xiàn)成的規(guī)格化表格一正交表來進(jìn)行試驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)：是能在很多試驗(yàn)條件中找出代表性強(qiáng)的少數(shù)條件，通過很少幾次試驗(yàn)，找出較優(yōu)的工藝因素。二、工藝因素優(yōu)選第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日正交表是正交試驗(yàn)中的一個(gè)重要工具。正交表進(jìn)行試驗(yàn)的步驟是：a、定指標(biāo)，挑因素，選水平；b、選用正交表，排表；c、安排試驗(yàn)方案，試驗(yàn)；d、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取較優(yōu)條件。二、工藝因素優(yōu)選第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日示例下面以Zr02十Y2O3（三氧化二釔）混合膜的工藝試驗(yàn)為例，并選擇基片溫度、真空度、淀積速率及初始材料成分配比四個(gè)主要參數(shù)作為試驗(yàn)因素，再分別選擇三個(gè)因素水平（表5-2），就可以用L9（34）正交表來做試驗(yàn)。在試驗(yàn)中需要考察的指標(biāo)是薄膜折射率、吸收和散射。表5-2因素水平表79：2187：1392：81.52.53.52.6×10-25.2×10-27.8×10-225150200123D材料配比ZrO2：Y2O3C淀積速率（nm/s）B真空度（Pa）A基板溫度（℃）因素水平第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日試驗(yàn)安排試驗(yàn)安排見表5-3。在試驗(yàn)中需要考察的指標(biāo)是薄膜折射率、吸收和散射。試驗(yàn)結(jié)果列于表5-4。根據(jù)此表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便可分析試驗(yàn)結(jié)果。第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日表5-3試驗(yàn)安排因素ABCD1234567892525251501501502002002002.6×10-25.2×10-27.8×10-22.6×10-25.2×10-27.8×10-22.6×10-25.2×10-27.8×10-21.52.53.52.53.51.53.51.52.579：2187：1392：892：879：2187：1387：1392：879：21試驗(yàn)號(hào)第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日表5-4試驗(yàn)結(jié)果吸收散射指標(biāo)折射率1234567891.771.781.821.851.761.761.841.871.814.204.718.992.734.665.676.476.953.401.400.752.202.891.100.700.652.801.05試驗(yàn)號(hào)*S1、S2分別表示同一基板在鍍膜后和鍍膜前的散射值第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日計(jì)算極差以因素A（基片溫度）為例，把A因素“1”水平的三次試驗(yàn)（第1，2，3號(hào)）算做第一組，把A因素“2”水平（第4，5，6號(hào)）和“3”水平（7，8，9號(hào)）分別算作第二、第三組，那么九次試驗(yàn)就分成了三組。從正交表可以看到，在A1、A2、A3各自所在的那組試驗(yàn)中，其他因素（B、C、D）的1，2，3水平分別出現(xiàn)了一次，把第一組試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)相加得Ⅰ=1.77+1.78+1.82=5.37同樣，把第二、三組的數(shù)據(jù)相加得Ⅱ=5.47，Ⅲ=5.52第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日計(jì)算極差于是可以將看作是這樣三次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)之和，即在這三次試驗(yàn)中只有A1水平出現(xiàn)三次，而B，C，D三個(gè)因素的1，2，3水平各出現(xiàn)一次。Ⅰ反映了A1水平的影響和B、C、D每個(gè)因素的I，2，3水平各一次的影響。同樣Ⅱ（Ⅲ）反映了三次A2(A3)水平及B、C、D每個(gè)因素的三個(gè)水平各一次的影響。當(dāng)比較Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的大小時(shí)，可以認(rèn)為B、C、D對(duì)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的影響是大體相同的。因此把Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ之間的差異看作是由于A取了三個(gè)不同水平引起的。在計(jì)算完Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ數(shù)據(jù)和后，算出它們中最大值和最小值之差，這個(gè)差值就稱為極差。它的大小反映了該因素的水平變化對(duì)指標(biāo)影響的大小。用同樣方法計(jì)算分析B、C、D因素對(duì)其它各個(gè)指標(biāo)的影響。第二十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日表5-4極差分析表

指標(biāo)折射率吸收散射ABCDABCDABCDⅠⅡⅢ13.0616.3210.8416.8516.8218.0620.1218.674.354.944.903.554.694.654.692.104.503.953.957.89極差0.150.070.040.24.844.669.286.410.340.990.955.79水平Σ因素5.375.465.40