离子辅助沉积TiO2光学薄膜的特性

　　引言
　　氧化钛是一种具有多元晶格结构的光学镀膜材料，具有优异的光学和机械特性。根据微观晶格结构的不同，氧化钛在550nm处的折射率可在2。22。7之间变化，是一种很好的高折射率材料。而在400nm以下，则是氧化钛的吸收区。
　　因此在可见近红外波段，尤其在投影机，数码相机用滤光片的制备过程中，其高折射率和紫外吸收的特性大大简化了滤光片的膜系设计，降低了滤光片的制造成本
　　与此同时，由于氧化钛材料有着很好的机械特性，用氧化钛制备的滤光片在机械硬度、附着力等方面有着其他材料所不具备的优越性，非常方便于滤光片的清洗和划片切割。
　　但由于氧化钛具有多种晶格结构，随着基板温度和粒子能量的变化，氧化钛薄膜非常容易出现结晶的现象，从而造成氧化钛薄膜的折射率不稳定，膜层散射损耗增加，膜层出现淡蓝或白色的雾状缺陷等问题。
　　在用电子束蒸发工艺来沉积氧化钛薄膜时，只要控制成膜时的基板温度在250以下，基本上可以有效地抑制氧化钛薄膜的散射。但用电子束蒸发工艺制备出的氧化钛薄膜是一种多晶结构，填充密度小，折射率低，很难达到温湿度不漂移，紫外灯照射不劣化等环模试验的要求。要想制备出既满足光学特性要求，又符合环境模拟试验要求的氧化钛薄膜，则必须采用荷能辅助沉积的工艺来提高氧化钛薄膜的填充密度，使其微观结构完全为无定型结构才行。
　　目前常用的荷能辅助沉积工艺有离子辅助沉积，离子镀，等离子辅助沉积，溅射等工艺。本文重点论述用离子辅助沉积工艺制备氧化钛光学薄膜的光学、应力及微观特性，以及其与沉积工艺之间的关系。实验
　　1、成膜装置
　　所有薄膜样品的制备都是在通用光学镀膜机OTFC1300DBI上完成的。图1是该系统的外观照片（a）和配置图（b）。该系统采用2只22英寸油扩散泵和1台Polycold组成的大抽速系统，并搭载了两支电子枪和一支17cmRF离子源。薄膜样品在离子辅助成膜时的基板温度为150。
　　图1外观照片及配置图
　　（a）OTFC1300DBI外观照片；（b）OTFC1300DBI配置图。
　　2、离子源参数对氧化钛光学薄膜的影响
　　膜层的填充密度是决定薄膜折射率和稳定性的一个关键因素。要制备出折射率高，环境稳定性好的氧化钛薄膜，则需采用荷能辅助沉积的方法，尽可能地提高膜层的填充密度。对于离子辅助沉积的工艺来讲，离子束加速电压，离子束电流密度，离子束入射角，反应气体的种类和分压等参数和薄膜填充密度及光学特性是直接相关联的。如何选择这些工艺参数是制备氧化钛薄膜的关键。
　　在离子辅助沉积薄膜的过程中，离子束加速电压和离子束电流密度具有不同的作用。离子束加速电压，也就是离子束的能量决定了在离子辅助沉积过程中该种离子对薄膜粒子能量传递的大小。这在反应蒸发薄膜的过程中还表征为该种离子能否达到相应的反应能量阈值，从而很好地与薄膜粒子反应，形成所需的化学结构。而离子束电流密度则决定了离子束对薄膜粒子碰撞的频度。在相同离子束加速电压的条件下，离子束电流密度的大小决定了薄膜的填充密度。图2是在不同离子束加速电压下，离子束输出电流固定为900mA时，工件架上的离子束电流密度分布。从图2中可以看出，随着离子束加速电压的增加，到达工件架上的离子束电流密度也相应增加。
　　图3是在上述不同离子源参数条件下镀制的氧化钛单层膜的折射率变化曲线。从图中可以看出氧化钛单层膜在550nm处的折射率随着离子束加速电压的增加而增加。当离子束加速电压为300V400V时，氧化钛单层膜的折射率最高。随着离子束加速电压的继续增加，离子束对氧化钛薄膜的离子注入和溅射效应逐渐体现出来，从而造成氧化钛薄膜的折射率逐渐下降。
　　图2不同离子束加速电压下，工件架上离子束电流密度分布
　　图3不同离子束加速电压下制备的TiO2薄膜的折射率
　　图4是氧化钛薄膜的折射率随反应气体中氩和氧比例变化的曲线。从图中可以看出，随着反应气体中氩比例的增加，氧化钛薄膜在550nm处的折射率逐渐下降。而且在固定的工作真空度下，由于氧气的分压不断降低，氧化钛薄膜氧化不充分或失氧的情况也越来越严重，膜层的吸收严重。
　　图4反应气体中氩氧对氧化钛薄膜折射率的影响
　　从上述氧化钛单层膜的实验结果来看，用纯氧作为反应气体，离子束加速电压在300V400V之间，离子束电流在900mA时，氧化钛单层薄膜具有折射率最大，光学损耗最小的最佳光学特性。但当用这一离子源参数，进行氧化钛和氧化硅组合的IAD多层膜试验时，随着膜层厚度的增加，多层膜显现出强烈的散射，整个滤光片的外观为白色雾状，短波段的透过率明显下降。
　　通过图5所示的扫描电子显微镜，图5（a）和XRD图5（b）观察发现，在多层膜沉积的过程中，氧化钛薄膜会逐渐向晶格结构转变，从而产生严重的散射，导致光学损耗增大。由此可见，对于TiO2薄膜来说，其单层膜沉积时的条件和多层膜沉积时的条件是不一样的。因此，如何防止氧化钛薄膜在IAD多层膜沉积过程中结晶是制备无定型氧化钛多层滤光片的关键。在通过调整离子源的工艺参数，并对设备的硬件进行相应的改造之后，最终找到一组最佳的氧化钛多层膜工艺参数，有效地防止了在制备氧化钛多层膜过程中，氧化钛薄膜结晶的问题。并制备出完全无定型态稳定性好的氧化钛多层膜。
　　图5氧化钛最佳单层膜工艺制备的氧化钛氧化硅42层IRCut滤光片的SEM照片和XRD分析结果
　　（a）SEM照片（X15000）；（b）XRD分析结果。
　　图6氧化钛最佳多层膜工艺制备的氧化钛氧化硅42层IRCut滤光片的SEM照片和XRD分析结果
　　（a）SEM照片（X15000）；（b）XRD分析结果。
　　图7稳定性好的氧化钛多层膜图
　　（a）EB和不同IAD工艺制备的42层IRCut滤光片之比较；
　　（b）氧化钛最佳多层膜IAD工艺制备的42层IRCut滤光片之稳定性。
　　3、氧化钛光学薄膜的应力与离子源参数及微观结构之关系
　　随着数码相机、数码摄像机、投影仪等民用光学仪器设备不断向轻小型化发展，光学系统对光学滤光片的大小，基片厚度，面精度以及稳定性等也都提出了相应的要求。而且滤光片的划片，切割工艺对滤光片的稳定性也提出了更高得要求。如何降低膜层的应力，并提高膜层的稳定性，是目前滤光片制备过程中的一个重要课题。
　　膜层的应力可以分为内应力和热应力两大部分。要减少膜层的应力，同时又能确保滤光片的稳定性，则必须了解是什么因素引起的膜层变化。对于IAD成膜工艺来说，膜层应力与离子源参数及基板温度的关系是分析膜层应力问题的两个方面。
　　图8是在不同离子源参数下镀制的氧化钛，氧化硅薄膜的应力情况，基板温度为150。从图8（a）中可以看出对于氧化硅薄膜，当基板温度为150时，不管用什么离子源参数，氧化硅薄膜都为压缩应力。而且随着离子源加速电压的升高，膜层的应力有下降的趋势。离子束对膜层强烈的溅射效应是造成这一现象的主要原因。图8（b）则显示出随着基板温度的不断升高，氧化硅薄膜的压缩应力也不断地增大。基板温度低于150时，电子束蒸发的氧化硅薄膜显现出引张应力。
　　图8不同离子源参数下镀制的氧化钛，氧化硅薄膜的应力情况
　　（a）氧化硅单层膜应力与离子束加速电压之关系；
　　（b）不同沉积工艺条件下氧化硅薄膜的应力；
　　（c）氧化钛单层膜应力与离子束加速电压之关系；
　　（d）不同工艺下制备的42层IRCut之应力特性。
　　图8（c）则显示氧化钛薄膜的应力随着离子源加速电压的增大，逐渐由引张应力转向为压缩应力。在离子束电压为400V600V之间时，应力的类型发生转变，这和氧化钛薄膜的折射率在离子源加速电压400V左右达到最大正好吻合。
　　因此，也可以推断为当氧化钛薄膜由多晶结构转变为无定型结构时，其膜层的应力也由引张应力转变为压缩应力。氧化钛薄膜的应力和其微观结构直接相关联。当氧化钛膜层的微观结构为晶格结构时，由于氧化钛的引张应力和氧化硅的压缩应力相抵消，从而会使多层膜的应力减小。因此，可以利用氧化钛的这一特点，通过选择合适的氧化钛离子源参数，使得膜层既能满足稳定性和光谱特性的要求，又能满足应力的要求。总结
　　通过对氧化钛薄膜微观结构的观察与分析，发现氧化钛膜层在多层膜制备的过程中结晶是造成氧化钛氧化硅多层膜产生散射的根本原因。通过对氧化钛薄膜的光学，微观特性与离子源工艺参数之间关系的系统研究，得到了制备无散射，稳定性好的TiO2SiO2多层膜滤光片的最佳工艺条件。并通过对真空成膜系统的硬件改造，制备出了完全符合要求的氧化钛氧化硅多层滤光片。
　　通过对氧化钛氧化硅单层膜膜层应力与离子源工艺参数之间关系的研究，发现氧化钛薄膜的微观结构和应力直接相关联。当膜层为晶格结构时，膜层为引张应力；当膜层的微观结构为无定型结构时，膜层则显示出压缩应力。因此在滤光片式样允许的范围内，可以通过调节氧化钛离子源参数和基板温度等办法来调整氧化钛薄膜的微观结构，从而减少膜层的应力。