電子束、離子輔助和離子束濺射三種工藝對光學薄膜性能的影響

1、第15卷第9期強激光與粒子束Vol.15,No.92003年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2003文章編號:100124322(20030920841204電子束、離子輔助和離子束濺射三種工藝對光學薄膜性能的影響王英劍,李慶國,范正修(中國科學院上海光學精密機械研究所,上海201800摘要:運用電子束、離子輔助和離子束濺射三種鍍膜工藝分別制備光學薄膜,包括單層氧化物薄膜和增透膜,然后采取一系列測試手段,如Zygo輪廓儀、原子力顯微鏡、表面熱透鏡技術和X射線衍射等技術,來分析和研究不同的工藝對這些薄膜性能的不同影響,以判斷合理的沉積工

2、藝。關鍵詞:電子束;離子輔助;離子束濺射;薄膜特性中圖分類號:O484.4文獻標識碼:A在光學薄膜的沉積技術中,有許多成熟的技術手段,其中電子束(E2beam、離子輔助(ion assisted deposi2 tion,IAD和離子束濺射(ion beam sputtering,IBS是比較有代表的制備光學薄膜的技術手段。電子束蒸鍍作為熱蒸發(fā)技術的一種,是目前應用最廣泛、技術最成熟的鍍膜技術,其原理是:金屬燈絲在高溫狀態(tài)下,它內部的一部分電子獲得足夠的能量,逸出金屬表面,發(fā)射出熱電子。在電磁場的作用下,熱電子高速運動,并形成細束轟擊被鍍材料表面,熱電子的動能轉變成熱能,使材料迅速升溫而蒸發(fā)。

3、電子束蒸鍍具有速度快、污染小、薄膜結合力強的特點,但薄膜堆積密度不夠高,薄膜在真空和空氣中性能有變化,如波長的漂移等,在制備一些特殊薄膜時還有薄膜結合力不牢、薄膜脫落的現(xiàn)象。離子輔助技術,是在電子束蒸鍍的同時,以高能離子撞擊蒸發(fā)的薄膜分子,使其得到較大的能量,從而以高能沉積在基底材料上。這一技術已日臻成熟,有不少相關的報道,早期的有Martin,Macleod1,Mcneil2,3以及周九林4、湯雪飛5等,著重于薄膜性能的分析。現(xiàn)在離子輔助在制備光通信薄膜及其它新型薄膜中已成為不可缺少的技術手段68。離子束濺射也是制備薄膜的一種主要技術手段。濺射這種現(xiàn)象在19世紀就已經(jīng)被觀察到,但是在20世紀

4、40年代以后才真正發(fā)展起來,成為一種成熟的工藝9,目前也已經(jīng)用于高性能薄膜的生產(chǎn)與開發(fā)7,10,其特點是依靠動量交換作用使固體材料的原子、分子進入氣相,濺射出的粒子平均能量為10eV,高于真空蒸發(fā)粒子100倍左右,濺射和熱蒸發(fā)的根本區(qū)別就在于,熱蒸發(fā)是借助于焦耳熱發(fā)生蒸發(fā)的,而濺射是通過靶原子的動量轉換而獲得蒸發(fā)的。本文就運用這三種方法來制備光學薄膜,包括單層氧化物薄膜和增透膜,然后測量并分析這些薄膜的性能。1實驗技術實驗是在兩臺鍍膜機上進行的,型號分別為ZZXS-700(電子束和離子輔助和ZZXS-500(濺射。具體的實驗條件由表1列出。在實驗中,電子束和離子輔助采取光學極值法控制薄膜厚度,

5、離子束濺射采取石英晶振法控制薄膜厚度。離子輔助的工作氣體是高純氧(99.99%;離子束濺射的工作氣體是高純氬(99.99%,充氧是為了和濺射材料反應生成氧化物。表1中的增透膜是同一膜系,所用的鍍膜材料是ZrO2,SiO2和Al2O3。2薄膜的測試與分析2.1三種工藝對薄膜折射率的影響折射率是薄膜的基本參數(shù)之一,確定薄膜的折射率是制備薄膜的基本要求。為此制備了一些常用薄膜材料的單層膜,有TiO2,ZrO2和Al2O3薄膜,以確定折射率的大小。這里利用薄膜的光譜曲線來計算折射率。根據(jù)公式11n=1+R1-Rn0n s(1收稿日期:2003203221;修訂日期:2003206203基金項目:國家8

6、63計劃項目資助課題作者簡介:王英劍(19702,男,副研究員,在讀博士生,主要從事強激光光學薄膜的研究;上海8002211信箱。表1不同工藝的沉積參數(shù)和制備的薄膜類型T able1Experiment condition and the prep ared thin f ilmsfilm substrate E2beam IAD IBSAR sapphireK9300;p=2.0×10-3Pa;12nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;12nm/sroom temperature;p=2.2&#

7、215;10-2Pa,(n O2n Ar=21;TiO2sapphireK9300;p=2.0×10-3Pa,(p O2=2.0×10-2Pa;room temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;ZrO2K9300;p=2.0×10-3Pa;1nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;1nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa,(n O2n Ar=21;Al2O3K9300;p=:

8、2.0×10-3Pa;12nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa;voltage:180V;V O2=10cm3;12nm/sroom temperature;p=2.2×10-2Pa,(n O2n Ar=21;式中:R為反射率,可由透過曲線的透射率求得(對于高于基底的材料,取曲線的極小值;對于低于基底的材料,則取曲線的極大值,n0=1(空氣的折射率,n s為基底材料折射率,實驗中用K9玻璃為基底,故取n s=1. 52。據(jù)此可以分別計算出薄膜的折射率,見表2。表2幾種材料在不同工藝下的折射率T able2R efractive ind

9、ex of several coating m aterials under the different techniquestechnique n TiO2n ZrO2n Al2O32.25(550nm 1.62(500nmE2beam 2.19(850nm 1.90(1000nm 1.60(900nm2.45(550nm 2.08(1000nm 1.65(500nmIAD 2.25(850nm 1.63(900nmIBS 2.10(1000nm 1.65(900nm表2的結果顯示,在三組數(shù)據(jù)中,用電子束制備的薄膜折射率最低,離子束濺射最高,離子輔助次之,但與濺射比較接近。表明在離子輔助和離

10、子束濺射的作用下,薄膜的折射率更接近相應的固體材料。薄膜折射率的提高,尤其是高折射率材料折射率的提高,對制備高反射薄膜、偏振片等多層膜是有利的,因為可以減少膜層厚度,避免應力過大造成薄膜破裂。另外,折射率的提高說明薄膜的堆積密度提高,薄膜的穩(wěn)定性也相應提高。2.2三種工藝對薄膜表面粗糙度的影響對于薄膜的光學性能來說,薄膜的損耗主要來自兩方面:散射和吸收。首先考慮散射。散射主要是由表面粗糙度的大小決定,降低散射損耗,就必須使表面粗糙度盡可能小。表3給出了用輪廓儀測量得到的增透膜蒸鍍前后的表面均方根粗糙度(RMS及變化率。數(shù)據(jù)顯示,在鍍膜之后,用離子輔助和離子束濺射制備的薄膜表面粗糙度變小,分別比

11、鍍膜前下降了6%和44%,而電子束制備的薄膜表面粗糙度卻大幅增加,高達63%。原子力顯微鏡測量的照片也證實了這一點。圖1的3幅照片是用原子力顯微鏡測量的薄膜表面微觀形貌。所觀察到的結果和測試結果基本一致。對此可以這樣解釋:蒸鍍材料粒子被離子輔助和離子束濺射后,獲得足夠大的能量,在它們到達基底表面時,尚有足夠的剩余能量使其在表面移動,填補基底表面的空隙,正好彌補加工精度的不足,使表面粗糙度得到改善,而電子束蒸鍍的能量低,大量蒸發(fā)粒子到達基底后很少移動或不移動,導致粗糙度惡化。這表明,離子束濺射和離子輔助對降低薄膜表面散射損耗是有效的。248強激光與粒子束第15卷 Fig.1Surface mor

12、phology of thin films measured by AFM圖1薄膜的原子力顯微鏡照片表3薄膜的表面粗糙度T able 3Surface roughness of thin f ilmsroughness (before coating RMSroughness (after coating RMSratio E 2beam 0.778nm 1.266nm 63%IAD 0.834nm 0.783nm -6%IBS-44%2.3三種工藝對薄膜吸收的影響吸收是損耗的另一個主要來源。對于在強激光條件下使用的薄膜元件,薄膜的吸收一直是一個十分關鍵的參數(shù),因為吸收過大就很容易導致薄膜的破

13、壞,使整個激光系統(tǒng)失靈,因此對薄膜樣品進行弱吸收的測量非常必要。測量弱吸收的方法是表面熱透鏡法(Surface Thermal Lensing ,STL ,其工作原理和具體的實驗裝置可參見文獻12,在這里我們只給出實驗的結果,見表4。表4用表面熱透鏡法測量薄膜的弱吸收T able 4Weak absorption of thin f ilms measured by surface therm al lensingNo.substrate film technique signal absorption 0sapphire calibrated IBS 1.4×10-40.501sa

14、pphire AR IBS 1.1×10-71.4×10-42sapphire AR IAD 3sapphire TiO 2IAD 4sapphire AR E 2beam 5sapphireTiO 2E 2beam在表4中,可以看到用離子束濺射制備的薄膜有比較大的吸收,如在白寶石基底上蒸鍍的增透膜的吸收達到了1.4×10-4,而用離子輔助和電子束制備的白寶石增透膜和單層氧化物薄膜吸收十分微弱,在我們的測量裝置上光熱信號十分微弱,和噪音所造成的干擾區(qū)分不開,與濺射膜相比可以忽略不計。在吸收方面,離子束濺射技術對薄膜的影響較大,其原因可能是濺射靶為純金屬或非金屬的單

15、質,在真空條件下生成相應的氧化物薄膜,保持嚴格的化學計量比相對比較困難,而電子束和離子輔助由于是直接蒸鍍氧化物材料,化學計量比保持的較好,所以吸收可以控制在很低的水平上。由于降低吸收是光學薄膜追求的主要目標,因此用離子束濺射技術制備光學薄膜特別是強激光薄膜的工藝要受到限制。2.4三種工藝對薄膜內部結構的影響在這里采用大角度X 射線衍射(X 2ray Diffraction ,XRD 的方法測量薄膜的內部結構,圖2給出了這些樣品的X 射線結構。圖中橫坐標為入射角,縱坐標為相對強度。圖2(a 和圖2(c 分別在23°,37°附近有較明顯的突起,但并不是特征峰,三個樣品都呈非晶特

16、征。X 射線衍射的結果表明,所以三種工藝對薄膜的內部結構影響差別不大。3結論離子輔助技術在薄膜的折射率、薄膜的表面粗糙度、薄膜的吸收等方面都有比較的優(yōu)勢,它結合了電子束和離子束濺射的優(yōu)點,克服了兩者的不足,如電子束制備的薄膜折射率不太高,表面較粗糙,離子輔助則都有改善;離子束濺射制備的薄膜由于氧化不太完全,導致吸收偏大,而離子輔助制備的薄膜吸收卻很小。另外,電子348第9期王英劍等:電子束、離子輔助和離子束濺射三種工藝對光學薄膜性能的影響448強激光與粒子束第15卷 Fig.2Structure of thin films measured by X2ray diffraction圖2薄膜的X

17、射線衍射結構束和離子輔助的蒸鍍速率相差不大,可以達到nm/s量級,而離子束濺射則慢的多,10-2nm/s量級,相差幾十倍乃至上百倍,使鍍膜成本大幅增加。由此,可以認為離子輔助是比較合適的光學薄膜沉積手段。需要指出的是離子束濺射技術,隨著離子源結構和技術的不斷改進,如果能使吸收降到很低,將會極大地提高光學薄膜的性能和質量,這將是以后重點研究的方向。參考文獻:1Martin P J,Macleod H A,Netterfield R P,et al.Ion2beam2assisted deposition of thin filmsJ.A ppl Opt,1983,22(1:178184.2Mcn

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