电子束、离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响VIP免费

第15卷第9期强激光与粒子束Vol.15,No.92003年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2003文章编号:100124322(2003)0920841204电子束、离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响Ξ王英剑,李庆国,范正修(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)摘要:运用电子束、离子辅助和离子束溅射三种镀膜工艺分别制备光学薄膜,包括单层氧化物薄膜和增透膜,然后采取一系列测试手段,如Zygo轮廓仪、原子力显微镜、表面热透镜技术和X射线衍射等技术,来分析和研究不同的工艺对这些薄膜性能的不同影响,以判断合理的沉积工艺。关键词:电子束;离子辅助;离子束溅射;薄膜特性中图分类号:O484.4文献标识码:A在光学薄膜的沉积技术中,有许多成熟的技术手段,其中电子束(E2beam)、离子辅助(ionassisteddeposi2tion,IAD)和离子束溅射(ionbeamsputtering,IBS)是比较有代表的制备光学薄膜的技术手段。电子束蒸镀作为热蒸发技术的一种,是目前应用最广泛、技术最成熟的镀膜技术,其原理是:金属灯丝在高温状态下,它内部的一部分电子获得足够的能量,逸出金属表面,发射出热电子。在电磁场的作用下,热电子高速运动,并形成细束轰击被镀材料表面,热电子的动能转变成热能,使材料迅速升温而蒸发。电子束蒸镀具有速度快、污染小、薄膜结合力强的特点,但薄膜堆积密度不够高,薄膜在真空和空气中性能有变化,如波长的漂移等,在制备一些特殊薄膜时还有薄膜结合力不牢、薄膜脱落的现象。离子辅助技术,是在电子束蒸镀的同时,以高能离子撞击蒸发的薄膜分子,使其得到较大的能量,从而以高能沉积在基底材料上。这一技术已日臻成熟,有不少相关的报道,早期的有Martin,Macleod[1],Mcneil[2,3]以及周九林[4]、汤雪飞[5]等,着重于薄膜性能的分析。现在离子辅助在制备光通信薄膜及其它新型薄膜中已成为不可缺少的技术手段[6～8]。离子束溅射也是制备薄膜的一种主要技术手段。溅射这种现象在19世纪就已经被观察到,但是在20世纪40年代以后才真正发展起来,成为一种成熟的工艺[9],目前也已经用于高性能薄膜的生产与开发[7,10],其特点是依靠动量交换作用使固体材料的原子、分子进入气相,溅射出的粒子平均能量为10eV,高于真空蒸发粒子100倍左右,溅射和热蒸发的根本区别就在于,热蒸发是借助于焦耳热发生蒸发的,而溅射是通过靶原子的动量转换而获得蒸发的。本文就运用这三种方法来制备光学薄膜,包括单层氧化物薄膜和增透膜,然后测量并分析这些薄膜的性能。1实验技术实验是在两台镀膜机上进行的,型号分别为ZZXS-700(电子束和离子辅助)和ZZXS-500(溅射)。具体的实验条件由表1列出。在实验中,电子束和离子辅助采取光学极值法控制薄膜厚度,离子束溅射采取石英晶振法控制薄膜厚度。离子辅助的工作气体是高纯氧(99.99%);离子束溅射的工作气体是高纯氩(99.99%),充氧是为了和溅射材料反应生成氧化物。表1中的增透膜是同一膜系,所用的镀膜材料是ZrO2,SiO2和Al2O3。2薄膜的测试与分析2.1三种工艺对薄膜折射率的影响折射率是薄膜的基本参数之一,确定薄膜的折射率是制备薄膜的基本要求。为此制备了一些常用薄膜材料的单层膜,有TiO2,ZrO2和Al2O3薄膜,以确定折射率的大小。这里利用薄膜的光谱曲线来计算折射率。根据公式[11]n=1+R1-Rn0ns(1)Ξ收稿日期:2003203221;修订日期:2003206203基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:王英剑(19702),男,副研究员,在读博士生,主要从事强激光光学薄膜的研究;上海8002211信箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.表1不同工艺的沉积参数和制备的薄膜类型Table1ExperimentconditionandthepreparedthinfilmsfilmsubstrateE2beamIADIBSARsapphireK9300℃;p=2.0×10-3Pa;1～2nm/sroomtemperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;VO2=10cm3;1～2nm/sroomtemperature;p=2.2×10-2Pa,(nO2∶nAr=2∶1);0.01～0.04nm/sTiO2sapphireK9300℃;p=2.0×10-3Pa,(pO2=2.0×10-2Pa);0.5nm/sroomtemperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;VO2=10cm3;0.5nm/s———ZrO2K9300℃;p=2.0×10-3Pa;1nm/sroomtemperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;VO2=10cm3;1nm/sroomtemperature;p=2.2×10-2Pa,(nO2∶nAr=...