1、CASIX1薄膜制造技術(shù)工藝因素及成膜原理 CASIX 唐小鵬CASIX2影響薄膜的工藝因素v如下面圖示：n0 表示空氣，n1表示膜層，n2表示基底，則： 1r 2r 0n 1d 1n 2n 11111cos2d射角，有：為入射光在膜層中的折v由上面表達式可以看出影響膜層光學(xué)特性的因子： n (n ik） & d21qnnnnrq1qq1qq,.CASIX3厚度控制的誤差v光學(xué)厚度 nd 光控，盡量保證n的穩(wěn)定可以提高光控的控制精度，光控有誤差補償作用，整體控制精度高。v幾何厚度 d 晶控，利用石英晶體的壓電效應(yīng)和質(zhì)量負荷效應(yīng)測量控制膜厚。要求控制系統(tǒng)工作條件穩(wěn)定 ：晶振片清潔、晶振片

2、安裝位置、冷卻水溫。只對膜層物理厚度敏感，而沒有誤差補償作用，要求n在蒸鍍過程盡量恒定。CASIX4工藝參數(shù)與薄膜性能間的關(guān)系表格中表示影響嚴重程度關(guān)系依次遞減：+、（）CASIX5真空度的影響v本底真空設(shè)備和生產(chǎn)實際允許情況下，越高越好作用減少蒸發(fā)分子與殘余氣體分子的碰撞控制它們之間的反應(yīng)；可改善膜層光潔度v蒸鍍真空-直接影響膜料的折射率n根據(jù)所用材料選擇合適的蒸發(fā)真空，依據(jù)膜料。根據(jù)所用材料充入合適的反應(yīng)氣體，例：Ar、O2CASIX6氣體分壓對膜層結(jié)構(gòu)的影響CASIX7基片溫度的影響v增加基底與薄膜之間的結(jié)合力，例：鍍MgF2v減少或消除膜層的內(nèi)應(yīng)力，需要摸索到合適的溫度v高的溫度可以促

3、進薄膜材料與反應(yīng)氣體之間的反應(yīng)，改變膜層的結(jié)晶形式和結(jié)晶常數(shù)，從而影響薄膜的微觀結(jié)構(gòu)以及光學(xué)特性：n。v溫度越高大顆粒結(jié)晶越容易形成溫度選擇必須合適溫度不合適有可能引起發(fā)霧CASIX8蒸發(fā)速率的影響 - 外觀發(fā)霧CASIX9發(fā)霧對光學(xué)特性的影響CASIX10發(fā)霧的根本原因CASIX11散射的基本原理CASIX12基片清潔v基片清洗的重要性基片在冷加工過程中，經(jīng)過粗磨、精磨、拋光、磨邊等加工工序，在基片表面和邊緣上，常常吸附很多污染物，如火漆、柏油、拋光粉、玻璃末、保護漆等等基片在搬運、存貯等過程中也極容易受到大氣塵埃、水汽的污染。這些表面表面污染物如果不清除干凈，將對所鍍制薄膜的質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影

4、響，如附著力差，容易脫膜，激光損傷閾值低、表面光潔度降低等等針對基體加工和輸運過程引入的污染進行清洗，以期獲得一個清潔的，有活性的表面，例：鍍前刻蝕有一定效果CASIX13基片清洗v清洗方法機械清洗v包括高壓氮氣（空氣）吹拂，適當(dāng)功率的超聲波振蕩、紗布或擦鏡紙以及火棉膠粘貼都屬于機械清洗范圍。主要去除表面的灰塵顆粒及各種嵌入亞表面的固體敷料化學(xué)清洗v采用乙醇、異丙醇、丙酮、石油醚等有機溶劑，中性或酸堿性洗滌劑、鉻酸、草酸等酸性溶液浸泡去除油污、表面膜等各種可溶性污染離子清洗v等離子體放電，離子束清洗等手段在真空系統(tǒng)內(nèi)去除二次污染及靜電吸附引起的真空室環(huán)境內(nèi)塵埃油氣等污染激光清洗v通過激光的熱沖

5、擊或濺射作用去除表面吸附物。一般來說在真空室內(nèi)作為清洗過程的最后工序較為有效CASIX14基片表面狀況對外觀的影響CASIX15蒸發(fā)方法的影響v蒸發(fā)方法影響到蒸發(fā)粒子的噴射和膜料的離化等。由于各種蒸發(fā)方式提供給膜料的蒸發(fā)分子的功能有很大差別，薄膜結(jié)構(gòu)不同。v膜料蒸發(fā)過程存在離化、分餾等化學(xué)反應(yīng)，成膜后，化學(xué)計量同大塊膜料不一致，常見的是氧化物膜層失氧、氟化物失氟，導(dǎo)致膜層的折射率、吸收和散射的變化。v例如：ZnS膜由于膜的組成偏離化學(xué)計量，在氧壓與總氣壓之比由0.11變化為0.55時，消光系數(shù)則由4X10-6上升到1.3 X10-5CASIX16膜料蒸汽入射角的影響v不同的蒸發(fā)方式、不同的膜料

6、其發(fā)散角不同，直接影響成膜均勻性。例，同一爐鍍制不同圈出現(xiàn)不同顏色。CASIX17膜厚均勻性的復(fù)雜性CASIX18改善均勻性的措施CASIX19CASIX20CASIX21成膜理論v薄膜的性能與薄膜的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，薄膜的結(jié)構(gòu)取決于薄膜形成過程的各種條件。這里有必要介紹一下成膜理論。v薄膜的鍍制是膜層材料的粒子（原子、離子或分子）從氣相到基片上的吸附相，再到固相，而且其中都要經(jīng)過短暫的物理化學(xué)變化的復(fù)雜過程。為了說明這個過程，需要討論有關(guān)薄膜形成的基礎(chǔ)知識：單體的吸附、小原子團的形成、凝結(jié)系數(shù)等。CASIX22單體吸附v包括物理吸附和化學(xué)吸附： 物理吸附是基片與被吸附的原子或分子之間的物理結(jié)合。

7、這個能量的大小不但決定與基片，而且與被吸附原子或分子的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和線度密切相關(guān)。由于基片表面上各處的原子密度不同、結(jié)構(gòu)和缺陷狀況也異，所以基片上各處的物理吸附能也不同。溫度升高，基片表面原子和被吸附原子的熱振動加劇，增大了它們之間的距離，因而物理吸附能隨著減小。一般物理吸附能的量值小于0.45ev。 化學(xué)吸附是被吸附的原子或分子和基片表面最活潑的原子之間發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移或共有形成了化學(xué)鍵，產(chǎn)生了新的化合物?；瘜W(xué)吸附能很大，（可達5ev以上）所以在常溫下通常很難或根本不可能發(fā)生解吸附，只有給以解吸附所需要的活化能（如基片加熱）才能發(fā)生解吸附。 CASIX23成膜過程v凝結(jié)是指沉積剛開始時的狀況，是

8、指吸附原子在基片表面上形成原子對及其以后的逐漸成膜過程。根據(jù)成核理論和電子顯微鏡實驗觀察，薄膜形成的順序如下： 膜層材料的氣相原子（或分子）在基片表面的吸附，即單體吸附； 被吸附的原子形成大小不同的各種小原子團； 小原子團形成臨界核； 臨界核俘獲其周圍的單體，逐漸長大； 在臨界核長大的同時，非捕獲區(qū)的單體逐漸形成臨界核； 由臨界核形成的穩(wěn)定核長大到互相接觸時，彼此結(jié)合后形成小島，由于結(jié)合而成的新島所占面積下于結(jié)合前的兩島，所以在基片上暴露出新的表面積； 在新暴露的基片表面積上吸附單體，發(fā)生二次成核； 小島長大結(jié)合為大島，大島相互結(jié)合成更大的島，在新暴露的表面積上發(fā)生“二次”或“三次”成核； 島

9、與島相互結(jié)合，形成帶有溝道和孔洞的薄膜； 在溝道和空洞處發(fā)生“二次”或“三次”成核，逐漸形成連續(xù)的薄膜。v所謂“二次”或“三次”成核是指從單體吸附開始，直到穩(wěn)定核長大而相互結(jié)構(gòu) 的過程。下圖是一組形象的成膜過程 CASIX24成膜過程CASIX25薄膜的結(jié)構(gòu)v薄膜的形成過程決定了薄膜結(jié)構(gòu)及其缺陷是屬于薄膜本性的問題，關(guān)系到薄膜使用性能的提高、薄膜鍍制方法的改進和創(chuàng)新。薄膜的結(jié)構(gòu)包括組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)三部分。v1）.組織結(jié)構(gòu)v無定型結(jié)構(gòu)，它是在原子的遷移率低到原子凝結(jié)在本身的入射點或入射點附近的情況下產(chǎn)生的。這種結(jié)構(gòu)也稱為玻璃態(tài)，吸附原子或分子沒有遷移能。高熔點金屬、高熔點非金屬化合物

10、薄膜和碳、硅、鍺的某些化合物薄膜等。v多晶結(jié)構(gòu) 它由無規(guī)則取向的微晶組成。其晶粒大小約為10-100nm。屬于這種結(jié)構(gòu)的有低熔點金屬。v還有纖維結(jié)構(gòu)、單晶結(jié)構(gòu)等CASIX26薄膜結(jié)構(gòu)v2）晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)是指薄膜中的微晶的晶型。薄膜中微晶的晶體結(jié)構(gòu)不僅在晶粒取向和晶粒尺寸方面不同于塊狀膜層材料，而且還有可能是完全無序結(jié)構(gòu)，還可能處于介穩(wěn)結(jié)構(gòu)和超結(jié)構(gòu)。 3）表面結(jié)構(gòu) 從理論上講，薄膜為使其總能量達到最低，應(yīng)保持盡可能小的表面積，即應(yīng)是理想的平面。但薄膜的實際表面與理想的幾何表面有很大的差異，實際表面積遠大于幾何的表面積。如果沉積膜層時，系統(tǒng)處于低真空，剩余氣體分子被膜層材料的蒸發(fā)原子帶到基片上

11、，而后這些氣體分子又離開基片，留下很多空穴，從而導(dǎo)致薄膜的內(nèi)表面結(jié)構(gòu)是多孔的粗糙結(jié)構(gòu)。稱為“柱狀體+空穴”結(jié)構(gòu)。 CASIX27薄膜微結(jié)構(gòu)-柱狀結(jié)構(gòu)CASIX28CASIX29CASIX30聚集密度v這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)薄膜可以用聚集密度P來表示，即v聚集密度P=v聚集密度P一般在0.75-1.0之間，絕大多數(shù)為0.8-0.95，只有極少數(shù)為1.0。這種結(jié)構(gòu)決定了薄膜材料本身的光學(xué)特性不同與固體材料，“柱狀體+空穴”的結(jié)構(gòu)對薄膜性能的影響是多方面的。v在使用環(huán)境中，薄膜在吸收水氣之前，膜層中空穴是折射率為1的空氣填充。當(dāng)吸水后，空穴被折射率為1.33的水所填充，因而膜層折射率發(fā)生了改變。這種變化隨著

12、環(huán)境的溫度起伏而波動，造成了薄膜光學(xué)性能的不穩(wěn)定。聚集密度越低，膜層牢固度越差、附著力越小。要改善膜層結(jié)構(gòu)更大程度上取決與成膜的條件：真空度、基片溫度、蒸發(fā)速率等等是否能找到最佳參數(shù)！ 空穴）膜層總體積（柱狀體即柱狀體）膜層固體部分的體積（CASIX31離子輔助鍍對膜層結(jié)構(gòu)的改善v離子輔助沉積( IAD) 、離子束輔助沉積( IBAD) 、反應(yīng)離子濺射和磁控濺射、雙離子束濺射沉積技術(shù)(PIAD) 、脈沖激光沉積( PLD) 等各種離子輔助以及離子化方法，得到大量采用，克服了使用傳統(tǒng)熱蒸鍍和電子束蒸鍍方法得到的氣相分子能量過低、膜層結(jié)構(gòu)呈柱狀結(jié)構(gòu),膜層結(jié)構(gòu)致密性差,缺陷較多的缺點。CASIX32離子輔助鍍的優(yōu)點v離子轟擊提高了沉積分子或原子的遷移力,從而提高了薄膜的聚集密度;v由于減少了內(nèi)部空隙,散射損耗也明顯減少,具有高的堆積密度和極細致的微觀結(jié)構(gòu);v由于折射率接近塊狀材料,因此薄膜具有高的