ECRCVD设备镀膜工艺及膜系设计理论

2.3 光在分层均匀介质薄膜的传播的基本概念和公式:
(建立光在薄膜中传播的麦克斯韦方程组，根据边界条件求解，得到干 涉矩阵)
折射定律： n0Sin0 n1Sin1 ... nk1Sink1
光在薄膜中传播的光程差：
1 2n1d1Cos1
薄膜的光学厚度：
1 2
3.2 基本膜系设计参数选取
波长λ=650nm
因为激光器内发散角小于10°，可近似为正入射。
入射介质近似为GaAs，出射介质为空气 。
n0=3.52
nk+1=n2N+1=1
膜层介质为Si02、SiNx 。
n1=1.46~1.52
n2=1.8~2.8
3.3 典型规则膜系：
3.3.1 R=95% 膜系结构： GaAs|(Si02|SiNx)4|Air

R=
3.52 3.52

1.5 8 2.3 1.5 8

2

96%

2.3
3.3.2 R=85% 膜系结构： GaAs|(Si02|SiNx)3|Air

3.52


1.5
6


2

R=

2.3

3.52


1.
5
6


87.5%

2.3
3.3.3 R=30% 膜系结构： GaAs|Si02|Si02|Air
R=
3.52 3.52
1.52 1.5
1.52
2

31.1%

1.5
3.3.2 R=5%
n1
0 1 2 0 Rs Rp
s p
n1
d1
n2
反射率极值：正入射情况下，在薄膜的光学厚度 n1d1为 λ/4的整数倍时，反射率R取极值。 （菲涅尔振幅系数公式）
i


2
is ip ni
Rs
ห้องสมุดไป่ตู้
Rp


n0

n12 n2
n0

n12 n0n2
2
路程。

T 2d2p
等离子体：气体放电过程中分子、离子、电子混合存在,形 成相对稳定的状态，称为等离子体。
气体辉光放电：气体直流放电特性，特点是辉光放电时放电 管管压降、电流稳定，气体呈现辉光。
化学气相沉积：在等离子状态下，一些离子在真空室中发生 化学反应，形成固体沉积下来，称为化学气相沉积。
n1
n1
n2
d1 d2 d1 d2
d1
1.2 英文翻译 ：
Electron Ceclotron Resonance Chemical Vapor Deposition 电子回旋共振化学气相沉积
1.3 设备基本原理：微波激励、磁场限制气体辉光放电产生 等离子体，在淀积室中反应并沉积形成介质膜。微波激 励气体辉光放电，磁场可以增加离子行程，增加等离子 体密度，并在一定程度上限制离子。离子在淀积室中反 应，沉积在衬底上形成薄膜。
1.4 设备示意图（未反映水电气系统）。
机械泵
工作气
主阀
真空计3
气 控
扩散泵
箱 手动阀
增压泵
手动阀 冷阱
硅烷 其它混合气
波导
磁场 微波源
衬底 观察窗
淀积室
机械控制 真空计4
分子泵
机械泵
仪表
主机 预真空室 机械手 装料门 侧阀
1.5 设备结构图（未反映水电气系统）。
1.6 重点概念
分子的平均自由程：分子在连续两次碰撞之间所走过的平均
膜系结构： GaAs|Si02|Air
R=

3.52


1.5

2

2

1

3.52


1.5 1

2

4.8%
3.3.4 R=0%
膜系结构： GaAs|SiNx|Si02|Air
R=

3.52


n1
2

2

1.4

SiNx Si4 H N2- SiNx H2
4.3 折射率和膜厚控制
折射率控制：改变工艺参数，如微波功率、反应气体流 量等
膜厚控制： 控制工艺条件和工艺时间
0 n1
n1
d1
1
n2
2
0 n0 n1
N nk n k1
k1
n0
n1
d1
n2
d2
n1 n2 n1 n2 n 2N1

3.52


n1
2

0%

1.4
n1= 1.4 3.52 2.6
4 设计好的膜系在ECRCV设备上如何实现
4.1 工艺基本过程：
放入工艺气体
微波启动，计时
计时结束，微波停止
4.2 反应方程式:

SiO2 Si4 H O2- SiO2 H2

n1d1
薄膜的相位厚度：
1

2
n1d1Cos1
0 n0
n1
d1
1
艾塔参量 S光 is niCosi ， P光 ip ni / Cosi
干涉矩阵（特征矩阵）：
B
C



k i1

Cos i ji Sin i
jSini /i Cos i
d1
n2
d2
n 2N1

正入射下：
Rs

Rp


n0


n
0

nk1
nk1
n1 n2
n1 n2
2N

2N

2

3 650nm LD中应用到的典型λ/4膜系
3.1 重点概念 增透膜：设计膜系的反射率低于不镀膜时的反射率,称为增透膜或减反膜。 高反膜：设计膜系的反射率高于不镀膜时的反射率,称为高反膜。
1
k 1

组合导纳： Y C
B
0 n0
n1
nk n k1
k1
反射率：
*
R s, p


0 0

Y Y

0 0

Y Y

η0是入射介质
2.4 单层膜正入射的反射率极值（菲涅尔振幅系数公式）
正入射：入射角为0，即θ0 =0。

无影响膜层：在正入射下，薄膜的光学厚度 n1d1为 λ/2的 整数倍时，特征矩阵为单位矩阵，对膜系没有影响。
2.5 周期性λ/4膜系的基本概念和公式
周期性λ/4膜系：膜系结构周期性重复，各层膜的光学厚 度均为λ/4，又称规则膜系。
图例
n0
n1
d1
n2
d2
N
n1
d1
n2
d2
n1
2 膜系设计基本理论
2.1 光在自由空间传播的基本概念和公式:
横波：波的振动方向与传播方向垂直。
光的偏振： 光的振动方向与传播方向的不对称性叫光的 偏振。
光的正弦波表示： 2
E ACos(t nd )

0
自由空间的光程： Δ= nd
光的干涉：两束 相干光在迭加区域内，某些区域光强减 小，某些区域光强增大的现象。本质上是波的迭加。单 色光在空间某点能否形成干涉要看能否形成固定相位差。
ECRCVD设备镀膜工艺 及膜系设计理论讲座
制作：李雪冬
1. ECRCVD设备的基本原理 2. 膜系设计基本理论
3. 650nm LD中应用到的典型λ/4膜系 4. 设计好的膜系在ECRCV设备上如何实
现
1 ECRCVD设备的基本原理
1.1 工艺目的：在半导体激光器的前后腔面镀光学介质膜用 以形成谐振腔。
2.2 光在两种均匀介质界面的传播的基本概念和公式： 入射面：入射光线与入射点处界面法线所构成的平面 入射角：入射光线与入射点处界面法线所构成的夹角
折射定律: n0 sinθ0= n1 sinθ1
0
R
n0
n1
1 T
S光、P光：偏振光在入射界面按振动分量分解成S光、P 光。S光的振动方向垂直与入射面，P光的振动方向平行 与入射面，界面对S光和P光有不同的反射率。