离子束辅助沉积非晶硅薄膜红外光学特性研究
薄膜材料研究中的RD技术
薄膜材料研究中的RD技术随着科技的不断发展，薄膜材料在众多领域的应用越来越广泛，如电子、光学、生物医学等。
为了获得性能优越的薄膜材料，科研人员不断探索和发展新的制备技术和表征方法。
其中，RD技术是一种非常重要的研究手段，在薄膜材料研究中发挥着至关重要的作用。
本文将详细介绍RD技术的定义、原理和流程，并阐述其在薄膜材料研究中的应用，同时分析影响RD技术成功的因素，并展望未来发展方向。
RD技术是一种通过在材料表面沉积一层或多层薄膜来改变材料的性质和功能的技术。
RD技术的原理是基于物理或化学气相沉积（PVD或CVD）方法，将气体或液体前驱体在一定条件下转化为固态薄膜。
RD技术的主要流程包括前驱体选择、沉积温度和压强控制、薄膜厚度和均匀性调节等环节。
在薄膜材料研究中，RD技术可用于制备功能薄膜、修复受损表面、改进材料的耐蚀性和硬度等方面。
影响RD技术成功的因素主要包括技术本身、操作条件和设备等。
技术本身：RD技术的成功与应用的关键在于前驱体的选择和沉积条件的优化。
合适的前驱体可以保证薄膜的化学成分与母体材料的匹配，同时保证薄膜的稳定性。
沉积条件的优化，如温度、压强、磁场等，可以影响薄膜的结构和性能。
操作条件：操作条件如反应时间、气体流量、基体温度等也会对薄膜的质量产生重要影响。
这些参数需要精确控制，以实现薄膜厚度、结构和性能的优化。
设备：设备因素如真空度、清洁度、稳定性等对RD技术的成功具有决定性作用。
先进的设备可以提供更加稳定的实验条件，提高薄膜的质量和重复性。
下面是两个RD技术在薄膜材料研究中应用的案例：案例一：利用RD技术在钛合金表面制备一层超硬薄膜。
在此案例中，选择合适的的前驱体和沉积条件是关键。
科研人员选择了钛合金作为基体材料，并采用离子束辅助沉积（IBAD）方法进行薄膜制备。
在优化的沉积条件下，制备出的薄膜具有高硬度和良好的耐蚀性，显著提高了钛合金的表面性能和使用寿命。
案例二：利用RD技术在光学镜片表面制备一层增透膜。
离子束辅助沉积二氧化硅
离子束辅助沉积二氧化硅1. 简介离子束辅助沉积（Ion Beam Assisted Deposition，IBAD）是一种常用的表面工程技术，用于在材料表面形成薄膜。
其中，离子束辅助沉积二氧化硅（SiO2）是一种常见的应用。
本文将介绍离子束辅助沉积二氧化硅的原理、过程、应用以及相关的研究进展。
2. 原理离子束辅助沉积二氧化硅的原理基于离子束能量沉积和化学反应。
具体步骤如下：1.基底清洁：首先，需要对基底进行清洁处理，以去除表面的杂质和污染物。
2.离子束轰击：接下来，通过离子束轰击的方式，将高能离子束瞄准到基底表面。
离子束的能量会使基底表面发生变化，并激发出一系列的物理和化学反应。
3.化学反应：在离子束轰击的同时，需要在基底表面引入二氧化硅的前体分子，如硅烷（SiH4）或二氧化硅（SiO2）气体。
离子束轰击会激发出化学反应，使前体分子在基底表面发生聚合反应，形成二氧化硅的薄膜。
4.控制薄膜厚度：通过控制离子束轰击时间和前体分子的供应速率，可以控制薄膜的厚度。
较长的轰击时间和较高的前体分子供应速率会导致较厚的薄膜。
5.后处理：最后，需要对沉积的二氧化硅薄膜进行后处理，如热退火或等离子体处理，以改善薄膜的性能和质量。
3. 过程离子束辅助沉积二氧化硅的过程可以分为以下几个步骤：1.基底准备：首先，需要对基底进行清洁处理，以去除表面的杂质和污染物。
常用的方法包括超声清洗、溶剂清洗和等离子体清洗。
2.离子束源：离子束源是产生高能离子束的关键设备。
常用的离子束源包括离子束溅射（Ion Beam Sputtering，IBS）和离子束辅助沉积（Ion BeamAssisted Deposition，IBAD）等。
3.离子束轰击：将高能离子束瞄准到基底表面，以使基底表面发生变化。
离子束的能量和轰击角度可以通过调节离子束源的参数进行控制。
4.前体分子供应：在离子束轰击的同时，需要在基底表面引入二氧化硅的前体分子，如硅烷（SiH4）或二氧化硅（SiO2）气体。
硫系玻璃基底PECVD法沉积光学薄膜工艺研究
硫系玻璃基底PECVD法沉积光学薄膜工艺研究费海明;杭凌侠【摘要】针对硫系玻璃(IRG204)的低软化点特点,为研究等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)在硫系玻璃基底低温沉积薄膜的可行性以及工艺条件,通过氩离子轰击工艺确定基底可承受的离子辅助轰击强度和时间,并在此基础上,以100℃的温度分别制备了SiNx,SiOxNv和SiOxFv薄膜.采用椭偏仪检测薄膜的折射率和厚度,傅里叶红外光谱仪检测薄膜的红外透过率,按GJB 2485-95标准对膜层进行耐摩擦测试.结果表明:氩离子清洗工艺中,射频功率为300W,Ar气流量为50 sccm,压强为30 Pa及轰击时间在30 min以内,对基底材料无损伤.轰击时间为5 min时,镀制的SiNx,SiOxNv和SiOxFy薄膜折射率分别为1.74,1.54和1.39,略低于常规工艺,消光系数小于10-5,与常规工艺无明显差异;镀制的薄膜满足膜层牢固度测试.利用该方法在硫系玻璃上沉积光学薄膜可行,并通过红外光谱分析确定,该方法制备的薄膜材料适用于近红外和中红外波段.%The feasibility and technological conditions of low temperature deposition of chalcogenide glass (IRG204) by PECVD method were studied according to the characteristics of low softening point of IRG204.The material properties of IRG204 were characterized by argon ion bombardment,and the appropriate ion assisted bombardment strength and time were obtained.On this basis,the SiNx,SiOxNy and SiOxFy film were prepared on the chalcogenide glass substrate at 100 ℃,and the refractive index and thickness of thin films were measured by ellipsometry,the infrared transmittance of the films was detected by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR).Finally,the film was tested by GJB 2485-95 standard.The results show:While the RF power is 300 W,Ar gasflow rate is 50 sccm,pressure is 30 Pa and bombardment time is less than 30 min,there is no damage to the substrate material.The refractive index of deposition of SiNx,SiOxNy and SiOxFy thin film was 1.74,1.54 and 1.39 respectively when the bombardment time is 5 min.The refractive index is slightly lower than that of the conventional process,and the extinction coefficient is less than 10-5.The prepared films meet the frictiontest.Therefore,it is feasible to use this method to deposit optical thin films on chalcogenide glass.The infrared spectrum analysis results show the thin films prepared by this method are applied to the near infrared and mid infrared bands.【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2017(037)005【总页数】7页(P368-374)【关键词】硫系玻璃;等离子体辅助化学气相沉积;光学薄膜;光学特性;摩擦特性【作者】费海明;杭凌侠【作者单位】西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,西安710021;西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,西安710021【正文语种】中文【中图分类】O484硫系玻璃作为一种新型的红外光学材料，红外透过波段宽，可覆盖三个大气窗口，可精密模压成型，方便大批量的生产，被广泛应用于红外热成像以及红外军用设备中[1-5].由于红外硫系玻璃折射率较高，表面反射大，必须镀减反射膜来降低表面反射损失.等离子体辅助化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)技术制备光学薄膜时的常规工艺沉积温度控制在300 ℃左右[6]，而硫系玻璃软化点都较低，如IRG204硫系玻璃的软化点为167 ℃.如何在硫系玻璃上沉积出质量可靠附着力好的薄膜，同时不破坏基底表面状态成了研究难点.文献[7]在Ga30As10Se60基底上采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的方法制备了两种红外增透膜，实现了8～11.5 μm波段范围内平均透射率为94%.文献[8]制备了用于红外热成像的硫系玻璃，并利用离子束辅助沉积(Ion Assisted Deposition，IAD)技术在Gasir1玻璃(Ge22As20Se58)上制备了减反射膜层.文献[9]在Ge22Ga11Se63CsI4硫系玻璃上，采用PVD的方法制备了7层的减反射膜，实现了8～11 μm的平均透过率为97%.而目前采用PECVD法在硫系玻璃上沉积光学薄膜的文章还未见报导.本文采用PECVD技术，在硫系玻璃上完成了SiNx，SiOxNy和SiOxFy薄膜试制，并对所制备的薄膜进行了牢固度测试.测试结果表明，该方法可以作为硫系玻璃基底上低温沉积光学薄膜的有效技术途径，为推广硫系玻璃的应用奠定了工艺基础. 选用口径为∅20 mm的IRG204号硫系玻璃作为实验样片(化学式为Se63As30Sb4Sn3，软化点为167 ℃，折射率为2.80 (在波长为2 000 mm处)，选用消光系数<10-2的沉积工艺，在低温下进行离子束轰击试验，寻求增强薄膜牢固度的有效技术途径.首先对样片进行离子束轰击试验，确定基片的耐受工艺条件，并选取合适的离子束轰击工艺，在此基础上，完成低温沉积试验，并对制备的薄膜的光学特性和红外透过率进行测量，最后进行耐摩擦测试，检验薄膜的牢固度.为明确工艺对硫系玻璃低温沉积薄膜的影响，从四个方面对结果进行分析.首先利用Taylor Surf CCI2000非接触式白光干涉仪测量轰击前后表面粗糙度，并利用Spectrum GX 型傅里叶变换红外光谱仪测量其透过率，以综合评价确定轰击工艺是否对基底产生了损伤(玻璃软化)；采用M-2000UI型变角度宽光谱椭偏仪测量薄膜的光学常数，分析不同工艺对其的影响；采用GJB 2485-95标准检验轰击后制备的薄膜的耐摩擦特性；最后利用傅里叶红外光谱仪测量膜层的光谱特性，评价其实用性.1.1 离子束轰击试验轰击工艺实验参数：采用气体为高纯氩气(99.999%)，轰击功率为300 W，氩气流量为50 sccm，轰击时压强30 Pa，温度为室温(25 ℃).轰击实验过程：选用标准工艺中的离子能量，控制基片表面的轰击时间进行试验.轰击时间试验分为4组，分别为不轰击，轰击5 min，轰击15 min和轰击30 min.1.2 低温沉积试验采用北京创世威纳公司生产的PECVD-1201型等离子体化学气相沉积设备沉积薄膜，根据选取的实验参数，在不改变其他工艺参数的情况下，仅将薄膜沉积温度由300 ℃降至100 ℃.为确定薄膜的耐摩擦特性与轰击时间的关系，分别在轰击5 min、15 min和30 min后的硫系玻璃上镀制SiN薄膜，具体工艺参数见表1.轰击完后，对薄膜进行摩擦试验，找出耐摩擦的最佳轰击工艺后，以此轰击工艺，分别制备SiNx，SiOxNy和SiOxFy薄膜，制备时的轰击功率为200 W，压强30 Pa，时间20 min，气体流量比见表2.镀制完成后，利用椭偏仪测试薄膜的光学常数，并利用红外傅里叶光谱仪测量样片的透过率.1.3 耐摩擦试对样片1，2和3及样片A，B和C分别进行耐摩擦试验，用CML手持式摩擦棒按GJB 2485-95标准进行摩擦测试，由于基底较软，显微硬度小于45 kg·mm-1，因此使用中度摩擦具，并在橡皮魔头上薄膜两层清洁纱布以4.9 N摩擦样片，来回摩擦50次.2.1 离子轰击工艺的影响表3中，轰击5 min时，样片表面的粗糙度Sq略微下降，这是由于氩离子的轰击将表面附着的一些不易清洗的颗粒溅射掉了，使得薄膜表面整体变得光滑.而随着轰击时间的继续增加，刻蚀的深度增加，使硫系玻璃基底表面变得粗糙.但30 min内的轰击并未使硫系玻璃表面出现软化现象，未造成强损伤.同时以未轰击和轰击5 min时表面形貌为例进行分析，如图1～2所示，因篇幅问题另外两个检测结果不再重复.由图1～2可看出，两者表面的疵点和粗糙度在一个数量级上，并无明显差异.利用傅里叶红外光谱仪对样片透过率进行测试，轰击后的透过率曲线变化如图3所示.从图3可以看出，随着轰击时间的加长，样片的透过率出现略微的上升，这是由于轰击会使得基底表面出现许多刻蚀坑，这些坑可看作一层部分填充了空气的渐变层，可近似看作一层薄膜，折射率在空气和基底之间，因此低于基底折射率，从而出现一定的增透效果.由图3可知，增透的峰值应当在可见光波段，对于远红外波段影响很小，轰击时间的加长，会使得刻蚀坑加深，这层近似的薄膜变厚，增透峰值向长波区移动，因此透射率出现上升.在3～12 μm红外波段，透过率未出现大波动，粗糙度变化也在预计内，因此综合评定基底耐受离子辅助轰击时间为30 min以内，此时的轰击功率为300 W.2.2 薄膜的耐摩擦结果分析薄膜的摩擦测试结果见表4.结果显示，轰击5 min时的薄膜未脱落，而轰击15 min和轰击30 min的薄膜出现划痕和脱落现象，一方面轰击5 min时的离子轰击能量和时间能够清洗基底表面的杂质，提高表面的附着力.另一方面，轰击时间超过15 min时，可能由于离子轰击能量过大，可参考物理溅射刻蚀，薄膜表面变得粗糙，缺陷增多，从而不利于薄膜与基底的结合，沉积的薄膜不能经受耐摩擦试验.因此，综合考虑轰击工艺选取轰击时间为5 min.在此轰击工艺下，完成的SiNx，SiOxNy和SiOxFy薄膜在经受标准耐摩擦特性实验后，薄膜不脱落，均能满足使用条件.确定最终轰击工艺为300 W，50 sccm，30 Pa，轰击时间5 min.2.3 低温对薄膜的特性影响利用椭偏仪分别测量样片A，B和C的光学常数n，d和k，详见表5.其中n为折射率(在波长为550 nm处)，d为厚度，k为消光系数.通过课题组前期的实验以及文献[10]可知，低温会导致制备SiNx，SiOxNy和SiOxFy薄膜的折射率下降，沉积速率也出现微小的变化.这是由于温度的下降导致反应物质获取的能量减小，表面迁移率下降，形成的薄膜不致密，从而导致了折射率的下降.样片C的椭偏测量结果如图4所示，实际拟合时的拟合效果很好，拟合曲线和实测曲线的均方误差(Mean Squared Error,MSE)仅为4.6.三种薄膜材料可作为膜系设计中的高低折射率材料，为硫系玻璃上制备光学薄膜提供了可行的技术和方法. 2.4 红外光谱分析利用spectrum GX型傅里叶红外光谱仪分别测试样片A，B和C在3～12 μm波段的透射光谱曲线，如图5所示.并根据椭偏测量得到的光学常数，不考虑吸收情况下利用TFCalc软件进行理论仿真对比，结果如图6所示.通过干涉效应的计算分析，并利用TFCalc软件进行仿真，无吸收时，1～8 μm波段内的透过率曲线基本与实际一致，2 μm左右处的峰值为薄膜干涉效应引起，3 μm左右存在一个吸收带.8～12 μm波段内，仿真结果显示透过率并无明显变化，而图5显示该波段内出现明显的透过率变化，并有峰谷值，因此，该波段被必然存在着材料本身的吸收.根据红外材料的文献[11-12]报道，图5中的吸收峰均为材料特征吸收峰，其中3 μm (3 300 cm-1)处有一个吸收带为O-H键伸缩振动吸收峰，11.5 μm (850 cm-1)左右处的吸收峰为Si-N键吸收峰，8.5 μm (1 150 cm-1)左右处为Si-O键特征吸收峰，10.6 μm (940 cm-1)左右处为Si-F键伸缩振动吸收峰，因此，文中使用的方法所制备的薄膜材料可用作近红外和中红外的减反膜材料.探讨了PECVD技术在硫系玻璃表面沉积光学薄膜的可行性以及工艺条件.通过测量离子束轰击前后表面的粗糙度以及透过率变化，优化了氩离子清洗工艺.在硫系玻璃上以100 ℃的温度，分别制备了SiNx，SiOxNy和SiOxFy薄膜，镀制的薄膜折射率略低于常规工艺，消光系数小于10-5，与常规工艺无明显差异；牢固性良好，满足国军标耐中度摩擦使用要求.得到结论为1) IRG204玻璃氩离子轰击工艺，压强为30 Pa，功率为300 W，气体流量为50 sccm，轰击时间30 min以内，基底材料表面状态无明显破坏.2) 优化后的氩离子轰击工艺轰击IRG204玻璃表面后，采用100 ℃分别沉积SiNx，SiOxNy和SiOxFy不同折射率光学薄膜，与常规工艺相比，薄膜折射率略有降低，SiNx从1.83降低到1.73，SiOxNy从1.59降低到1.53，SiOxFy从1.40降低到1.39(三种材料)，消光系数均小于1×10-5，无明显变化.3) 按照优化工艺制备的高低折射率材料的单层薄膜，均能满足GJB 2485-95标准的膜层牢固性测试.4) 该方法制备的薄膜材料可用于设计制备近红外和中红外光学薄膜.【相关参考文献链接】王党社,张建科,吴振森.光学薄膜BRDF五参数模型的粒子群优化[J].2009,29(3)：214.成虎,许军锋,常芳娥,等.Ge-Se-Sb硫系玻璃均匀性分析[J].2016,36(12)：989.坚增运,贾婷婷,许军锋,等.Ge-Se硫系玻璃的光学性能与特征温度研究[J].2016,36(2)：149.常芳娥,薛改勤,许军峰,等.RbI掺杂硫系红外玻璃的纳米晶化工艺研究[J].2016,36(2)：143.杭凌侠,张霄,周顺.PECVD工艺参数对SiO2薄膜光学性能的影响[J].2010,30(2)：117.徐均琪,陈银凤,苏俊宏,等.强激光辐照对无氢DLC膜光学特性的影响[J].2012,32(12)：959.弥谦,刘哲.直流磁过滤电弧源沉积氧化钛薄膜的光学特性[J].2012,32(4)：270.潘永强,黄国俊.离子束辅助沉积非晶硅薄膜红外光学特性研究[J].2011,31(1)：9.潘永强,施洋.TiO2薄膜表面粗糙度对光学特性的影响[J].2010,30(1)：1.潘永强,施洋.离子束辅助沉积TiO2薄膜近红外光学特性分析[J].2009,29(4)：307. 刘建康,刘江南,马丽,等.紫外线照射对纯钛表面氧化膜光学特性的影响[J].2008,28(2)：142.张建生,刘建康.气泡光学特性的研究[J].2005,25(2)：103.【相关文献】[1] 坚增运,曾召,董广志,等.硫系红外玻璃的研究进展[J].西安工业大学学报,2011,31(1):1.JIAN Zengyun,ZENG Zhao,DONG Guangzhi,et al.Progress in the Research of 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ITO薄膜研究现状及应用2
ITO薄膜研究现状及应用2ITO薄膜研究现状及应用2ITO薄膜是由铟和锡的氧化物组成的透明导电薄膜。
它具有优异的透光性和导电性能，是一种重要的功能性材料。
目前，ITO薄膜研究已经取得了一些重要的进展，并在多个领域得到了广泛应用。
本文将介绍ITO薄膜的研究现状和应用，并对未来的发展进行展望。
首先，ITO薄膜的制备方法有多种，其中最常用的是物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。
PVD方法包括蒸发、溅射和激光烧蚀等，适用于小面积的薄膜制备。
CVD方法则可以制备大面积、均匀性好的薄膜。
此外，还有溶液法和离子束辅助沉积等方法，可以制备高质量的ITO薄膜。
然后，ITO薄膜在光电子器件领域有广泛应用。
例如，它可以用于液晶显示器的导电电极，提供稳定的电流输出和高透光性。
此外，ITO薄膜还可用于有机太阳能电池和有机发光二极管等器件中，提高其性能和效率。
另外，ITO薄膜还可以用作光学薄膜，用于太阳能电池中的抗反射层和导电镜片等。
此外，ITO薄膜在传感器领域也有重要应用。
例如，它可以用于气体传感器，通过测量气体的电导率变化来检测特定气体的存在。
此外，ITO薄膜还可以用于压力传感器和湿度传感器等。
此外，ITO薄膜还可以用于触摸屏和柔性电子器件等领域，提供灵敏的触控和柔性的制备。
此外，ITO薄膜还在其他领域得到了广泛应用。
例如，在生物医学领域，ITO薄膜可以用于电刺激和电生理记录等应用。
此外，它还可以用于防静电涂层和EMI屏蔽等领域，提供静电和电磁屏蔽的功能。
虽然ITO薄膜在多个领域得到了广泛应用，但也存在一些问题和挑战。
首先，ITO薄膜的高成本限制了其在一些领域的应用。
其次，ITO薄膜还存在着导电性不稳定和薄膜厚度不均匀等问题。
此外，ITO薄膜的氧化镉含量较高，可能对环境和人体健康造成潜在风险。
为了解决这些问题，研究人员正在积极开展工作。
例如，他们正在寻求替代ITO薄膜的导电材料，如铝锌锡氧化物（AZO）和氧化铟锡锗（IGZO）等。
非晶硅热成像敏感薄膜制备技术研究综述
非晶硅热成像敏感薄膜制备技术研究综述摘要：非制冷红外探测器的发展是目前红外探测的重要研究领域。
而测辐射热计作为非制冷红外探测的重要分支，随着材料科学和微电子技术的发展也被重点关注。
作为红外探测的红外吸收层，非晶硅薄膜由于具有较高的电阻温度系数，已成为许多科研院所研究的重要材料。
非晶硅薄膜一般含氢，称为氢化非晶硅薄膜（-αSi:H）。
这种薄膜的制备常用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
但由于得到的非晶硅电阻太大（甚至上百千欧），不易测量，用作红外吸收层需要合适的电阻。
所以常对其进行掺杂。
目前比较成熟的掺杂是进行汽相掺杂，即PECVD制备非晶硅薄膜过程中通入磷烷（PH3）和乙硼烷（62HB），但这两种气体都具有毒性，于是考虑用离子注入的方式，对制备好的非晶硅薄膜进行离子注入掺杂。
注入金属考虑镁，钛，铜，锑，钇，镱等，也可考虑用硼固体直接注入，期望达到在高的电阻温度系数下，电阻率在几千欧姆厘米的量级。
关键字：微测辐射热计，-αSi:H，离子注入。
1 前言热成像，起初是由人们用手在一个熄灭的火把的位置，感觉到温度来确定火把的位置发展而来的。
这个距离单像点的辐射热检测计的出现有上千年的历史。
这需要包括黑体辐射，热敏感材料的结晶学和化学特性，以及微电子图像扫描和显示技术。
红外成像需要两步:第一步是将待测视场的热辐射聚焦于检测器件并产生物理效应，如光电导变化，这需要制冷设备；或者由于温度增加引起的材料物理特性变化，如测辐射热计。
第二步，物理效应或物理变化通过一定的方式显示出来。
在二十世纪20年代末，随着显示技术的发展，可显示出生动的可见图像。
由此推动了红外成像技术进一步发展。
通过好多努力，人们研制出机械式扫描和电子束扫描的红外照像管。
直到20世纪60年代MOS硅电路得到发展，1968年Noble提出X-Y寻址成像阵列，才使得红外成像读出电路得以实现]1[。
现代红外成像技术开始于1920年代末，第一代热成像用银氧铯光电阴极系统的光电子发射效应，用在近红外探测，制成夜视图像增强器件，并用于军事。
新型红外光学材料的制备和性能研究
新型红外光学材料的制备和性能研究近年来，随着现代科学技术的不断发展，红外光学材料的研究已经成为了热点话题之一。
在这个领域中，新型的红外光学材料备受关注，并且受到了许多科学家的关注和研究。
为了更好地了解这一领域的最新进展，我们来探讨一下新型红外光学材料的制备和性能研究情况。
首先，对于红外光学材料的制备，科学家们主要采用了多种方法，如激光熔凝、物理气相沉积、热蒸发和离子镀等。
其中，离子镀技术是最常用的一种方法。
这种方法是通过将靶材料置于真空室内，并在其表面施加高电压，使得动能较高的离子不断轰击靶材料表面，从而使其原子或分子被剥离，并在基底上形成薄膜。
这个过程类似于给物体喷涂一层薄膜的过程，但和普通的涂装不同的是，这里用的是离子束进行加工。
另外，红外光学材料的制备还需要特别注意一些因素，如材料的化学成分、材料的物理结构、制备工艺的条件等。
其中，制备工艺的条件对于材料的性能有着直接的影响。
例如，离子镀的工艺参数如离子束能量、离子束角度、离子束流密度、设备中真空度等，均是非常重要的因素。
在这些参数合理的控制下，会使得材料的性能有较大的提升。
其次，新型红外光学材料的性能研究也是制备工艺不可或缺的一环。
在目前的研究中，对于新型材料的性能研究主要包括以下方面：1、光学性能光学性能是衡量新型红外光学材料好坏的重要指标之一。
其中包括的性能参数有折射率、透射率、反射率、吸收系数、散射系数等。
这些性能参数通常通过光学测量或者光谱测量来进行确定。
2、热学性能热学性能是指材料在热场下的性能表现。
对于红外光学材料来说，其热学性能主要包括热传导系数、放热系数、温度稳定性等。
这些性能参数可以通过热学测量来进行测定。
3、机械性能机械性能是指材料在受到外力作用时的表现。
对于红外光学材料来说，其机械性能主要包括硬度、脆性、耐磨性、韧性等。
这些性能参数可以通过力学测试来进行检测。
4、化学稳定性化学稳定性是指材料在化学环境中的稳定性表现。
电子束热蒸发非晶硅薄膜红外光学特性
ｒ ｔ ｄ ｓ ｂｓ ａ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｅ ｈ ｅ ｒ ｆａ ｔｖ ｎ ｅ ｆ ａ Ｓｉｆｌ ｉ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆｒｔｙ ａ ｄ ｔｅ ｅ ｒ ａ ｅ ｉ ａｅ ａ ｕ ｔ ￣ ｅ ｅ ａｕ ，ｔ ｅ ｃ ｅ ｉ ｄ ｘ ｏ － ｍ ｎ ｒ ａ ｅ ｓｌ ｎ ｎ ｄ ｃｅ ｓ ｓ ｗｈ ｌ ｎ ｒ ｒ ｒ ｉ ｉ ｉ ｈ ｅ ｉ ｃ ｅ ｓｎ ｔ ｈ ｒ ｉ ｒ ｓｕ ｅ．Ｔｈ － ｉ ｆｌ ｒ ｆａ ｔ ｅ ｉ ｄ ｘ ｃ ａ ｇ ｓ ｉ ｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ６ －３．８ ａ ｎ ｒ ａ ｉｇ ｗｉ ｔｅ ｗｏ ｋｎｇ ｐ ｅ ｓ ｈ ｒ ｅ ａ Ｓ ｍ ｅ ｃ ｖ ｎ ｅ ｈ ｎ ｅ ｎ ｔ ａ ｇ ｆ２． ５ ｉ ｒ ｉ ｈ ３ ｔ
关 键 词 ：非 晶硅 薄 膜 ； 电子束 蒸发 ； 红 外光 学特性
中 图分 类号 ： ４４１ ０ ８． 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ － ２ ６ ２ １ ）１ ２ ３ － ５ ０ ７ ２ ７ （０ １１ － ２ ３ ０
Ｉ ｆ ａ ｅ ｐ ｉａ ｒ ｐｅ ｔｅ ｆａ ｏ ｐ ｏ ｉｉｏ ｉ ｓ ｎ ｒ ｒ ｄ ｏ ｔｃ ｌｐ ｏ ｒ ｉｓｏ ｍ ｒ ｈ ｕｓ ｓｌｃ ｎ ｆｌ ｍ
第 ４ Ｏ卷 第 ｌ ｌ期
Ｖｏ ．０ Ｎｏ １ １ ．１ ４
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａｅ ｎ ｓｒＥ ｇｎ ｅｉ ｇ ｎ ｒｒ ｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｎ ｉ ｅ ｒｎ
２１ ０ １年 ｌ １月
ＮＯ Ｖ．ห้องสมุดไป่ตู้２ ０１１
电子 束 热蒸 发 非 晶硅 薄 膜 红 外 光 学 特 性
ｄ ｐ ｓｔ ｄ ｂ ｌ ｃｒ ｎ ｂｅ ｍ ｖ ｐ ｒ ｔｏ ｅ ｏ ｉｅ ｙ ｅｅ ｔ ｏ ａ ｅ ａ ｏ ａ ｉ ｎ
磁控溅射ZrN薄膜的生长机理及光学性能
832
研究论文
人 工 晶 体 学 报
第 50 卷
Key words:zirconium nitride; reactive magnetron sputtering; single oriented; surface morphology; columnar growth; optical
出现致密的三角锥晶粒,且表面粗糙度最大,薄膜呈柱状生长。 随后利用 Extend Structure Zone Model 解释了 ZrN 薄膜
的生长机制,最后研究了 ZrN 薄膜的光反射特性,发现反射光谱与晶粒形状和表面粗糙度密切相关,表面具有三角锥
状晶粒的薄膜,其反射谱在 300 ~ 800 nm 波长范围内存在振荡现象,相比于具有不规则晶粒形貌的薄膜其反射率明显
( FE-SEM) , atomic force microscope ( AFM) and spectroscopic ellipsometry ( SE) . The results confirm that all the ZrN films
have a cubic, NaCl-type crystal structure with (111) single orientation and the crystalline quality of the films increase with the
pyramid texture, compared with that of none texture counterparts. Moreover, with increasing deposition time to 45 min, there are
PZT薄膜的结晶特性及红外特性
PZT薄膜的结晶特性及红外特性谢东珠;任玉磊【摘要】采用电子束蒸发方法在n-Si(100)衬底上制备Pb(zrxTi1-x)O3(简记为PZT)多晶薄膜.用X射线衍射分析了PZT薄膜的结晶择优取向与Zr/Ti成分比、生长温度、退火气氛和退火温度的关系.结果表明不同Zr/Ti比的薄膜在真空中退火都形成(110)择优取向;而在空气中退火后薄膜的择优方向与Zr/Ti成分比有关,Zr/Ti 比值小时为(101)择优取向,Zr/Ti大时为(100)择优取向.红外吸收光谱的测量结果表明(100)和(11O)择优取向的PZT薄膜在长红外波段(8～12 um)存在较强的吸收峰,而(101)择优取向的PZT薄膜在这一波段没有明显的吸收峰.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2008(037)006【总页数】5页(P587-591)【关键词】PZT材料;择优取向;X射线衍射;红外吸收光谱【作者】谢东珠;任玉磊【作者单位】上海师范大学,数理学院,上海,200234;上海师范大学,数理学院,上海,200234【正文语种】中文【中图分类】O482.20 引言Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)薄膜是一种钙钛矿型化合物, 具有优越的铁电性、压电性和热释电性. PZT材料的物相随Zr/Ti的变化而变化, Zr/Ti<52/48时，PZT材料为四方相; Zr/Ti>52/48时, PZT材料为三角相; Zr/Ti=52/48附近，PZT材料处于准同型相界, 四方相和三角相共存; 在Zr/Ti=95/5附近, PZT材料为反铁电相, 无压电性[1～4]. 在热处理过程中PZT薄膜从无定形相经焦绿石相转变为钙钛矿相[3～6].薄膜的性能与薄膜的晶粒取向有关,(100)晶向的薄膜介电常数高,适用于动态随机存储器, 而(111)晶向的薄膜剩余极化强度高，适用于铁电随机存储器[7,8]. 近年来人们对用PZT材料制做非致冷红外探测器进行了广泛的研究[9], 不同晶向的PZT材料其红外吸收特性也不同. 因此不同的应用领域需要选用不同晶向的PZT材料. 而PZT薄膜的晶向与制备和退火条件有关, 故掌握不同晶向PZT薄膜的制备工艺显得很重要. 本研究采用电子束蒸发法制备不同Zr/Ti比的PZT薄膜，并研究薄膜的结晶取向和红外吸收特性随生长温度、退火气氛及退火温度的变化规律.1 实验1.1 PZT 靶材料的制备(1) PZT5/95靶的制备将57.49g PbO，1.56g ZrO2，19.17g TiO2粉体混合(3种成分的纯度均为99%,其中PbO按2%过量配比),加入适量水球磨2h,将所得前驱物烘干后放入Al2O3坩埚中加适量蒸馏水预压,然后在800℃煅烧2h,制得Pb(Zr0.05Ti0.95)O3(简记为PZT5/95)块体材料, 作为电子束蒸发制备PZT5/95薄膜所需的靶材料.(2) PZT50/50靶的制备用上面相同的方法将57.49g PbO，15.56g ZrO2，10.097g TiO2混合、球磨、烘干、预压、煅烧可制得Pb(Zr0.5Ti0.5)O3(简记为PZT50/50)靶材料.(3) PZT95/5靶的制备将57.49g PbO，29.55g ZrO2，1.008g TiO2混合、球磨、烘干、预压、煅烧即可得到用于生长Pb(Zr0.95Ti0.05)O3(简记为PZT95/5)薄膜所需的靶材料.1.2 PZT 薄膜的制备及退火处理PZT 薄膜是在10-3Pa真空环境下采用电子束蒸发的方法生长在经过常规半导体工艺清洗干净的n-Si(100)基片上. 为了分析薄膜的晶向与生长温度、退火温度和退火环境的关系, 共制备了3组样品, 样品的厚度在0.5 ～1.00 μm之间. 第一组用于分析生长温度对薄膜晶向的影响, 生长温度选择在50～435℃的范围; 第二组样品均在50℃生长, 用于分析真空下退火温度对薄膜晶向的影响，真空度为10-2Pa, 退火温度为200～450℃的温度; 第三组样品均在50℃生长, 用于分析空气中退火温度对薄膜晶向的影响，退火温度为200～1000℃．1.3 PZT 薄膜的表征薄膜的结晶取向用DMAX-111X射线衍射仪进行分析，所用波长为Cukα线，2θ角以20°/min的速度在20°～60° 之间做连续扫描,扫描步长为0.02°；用AVA7AP330红外光谱仪测量了薄膜的红外吸收光谱．2 结果与讨论2.1 生长温度对晶向的影响对在不同基底温度下(50～435℃)生长的3种成分比的PZT薄膜用X射线衍射进行了分析, X射线衍射(XRD)结果表明: 在一定的基底温度下不同Zr/Ti比的PZT薄膜都可以形成(101)择优取向, 但形成(101)择优取向所需的生长温度随Zr/Ti比的增大而升高. 如图1所示是部分PZT薄膜的XRD 结果. 从图1可以看出50℃的生长温度就可以使PZT5/95薄膜形成(101)择优取向(图1a), 50℃以上的生长温度, 其择优程度更高; PZT50/50薄膜在365℃的温度下生长可形成几乎100%的(101)择优取向(图1b)，而在200℃以下生长则没有明显的择优取向(此处未给出XRD 图); PZT95/5薄膜形成(101)择优取向需要的生长温度更高(如图1c所示), 低于400℃时薄膜没有明显的择优取向.(a)PZT5/95 50℃生长; (b)PZT50/50 365℃生长; (c) PZT95/5 435℃生长图 1 PZT薄膜的X射线衍射图2.2 退火环境对晶向的影响退火环境对薄膜材料的结晶取向有重要影响. 图2是部分PZT薄膜样品真空中退火后的XRD图. 从图2可以看到, 不同Zr/Ti比的PZT薄膜在真空中足够高的温度下退火时, 薄膜都形成(110)择优取向. 此外还发现, PZT50/50薄膜经300℃退火后其XRD并不显示明显的择优取向, 说明PZT50/50在真空中退火时形成择优取向所需的退火温度应当不低于约350℃；而PZT95/5薄膜在真空中370℃温度退火2h 后，薄膜也没有明显的择优取向, 说明PZT95/5 在真空中退火时形成明显(110)择优取向所需退火温度高于370℃. 这些XRD结果表明在真空中退火时，PZT薄膜形成(110)择优取向所需的退火温度随Zr/Ti的增大而升高.(a)PZT5/95 350℃退火; (b) PZT50/50薄膜350℃退火; (c) PZT95/5 400℃退火图 2 真空中退火2 h后PZT薄膜的XRD图不同Zi/Ti比的PZT薄膜在空气中退火时表现出与真空中退火不同的择优取向特性. 图3是3种成分的PZT薄膜在空气中退火2h后的X射线衍射结果.从XRD结果可以看出，PZT5/95薄膜经250℃退火后具有很好的(101)择优取向, 根据择优取向程度的一般表示法ɑhkl=Ihkl/∑Ihkl[10], 其中Ihkl为各个衍射峰的相对高度, 可以算得PZT5/95 (101)择优取向参数为ɑ101=81%. PZT50/50薄膜在空气中500℃退火后的择优取向为(110)晶向, 且ɑ110=70%, 而400℃以下退火后PZT50/50的XRD没有明显的择优取向特性. PZT95/5薄膜在700℃以下退火无明显的择优取向, 在700℃以上退火时薄膜为(100)择优取, 其择优取向程度随退火温度升高而增大, 800℃、850℃和900℃退火后(100)择优取向参数ɑ100分别为70.3%，76.2%和78.3%. 从以上分析可以看出PZT5/95，PZT50/50和PZT95/5薄膜空气中退火时分别形成(101)，(110)和(100)择优取向所需的最低退火温度随Zr/Ti的增大而升高.(a)PZT5/95 250℃退火; (b)PZT50/50 500℃退火; (c)PZT95/5 850℃退火图 3 空气中退火2 h后PZT薄膜的XRD图对于PZT薄膜, 随着Zr/Ti比的增大, 能形成择优取向所需要的生长温度或退火温度都增大, 其原因可能是由于Zr原子半径比Ti大, 从而Zr原子进入晶格所需要的激活能也大, 因此需要更高的温度.2.3 红外吸收光谱PZT材料由于具有良好的热释电性, 因此是很好的制做非致冷红外探测器的材料. 对不同晶向的PZT薄膜进行了红外吸收特性的测量. 结果表明, 不同晶向的PZT薄膜材料其红外吸收特性不同. (101)择优取向的PZT薄膜在近红外至长红外波段内的吸收都比较均匀(图4), 而(100)择优取向和(110)择优取向的PZT薄膜在长红外波段(833～1250cm-1) 具有明显的增强吸收(图5), 这个吸收峰通常被认为是由于Ti-O 键和Pb-O键的伸缩振动引起的[3,11]. 由吸收光谱的特点可知(100)择优取向和(110)择优取向的PZT薄膜比(101)择优取向的PZT薄膜更适合于制做长红外非致冷探测器.图 4 (101)晶向PZT薄膜的红外吸收光谱图图 5 (100)和(110)晶向PZT薄膜的红外吸收光谱3 结论(1) XRD测量表明电子束蒸发制备不同Zr/Ti比的PZT薄膜在一定的生长温度下都可以形成(101)择优取向, 但形成(101)择优取向所需的生长温度随Zr/Ti比的增大而升高.(2) 真空中退火时, 不同Zr/Ti比的PZT薄膜都形成(110)择优取向, 但形成(110)择优取向所需的退火温度随Zr/Ti比的增大而升高.(3) 空气中退火时, PZT薄膜择优取向的晶向与Zr/Ti比有关, PZT5/95 的择优取为(101)晶向, PZT50/50的择优取向为(110)晶向, 而PZT95/5 的择优取向是(100)晶向.(4) 在长红外波段(100)和(110)晶向的PZT薄膜比(101)晶向的PZT薄膜具有更高的吸收系数.致谢: 作者感谢上海师范大学生环学院孙大志教授和朱杰、陶振卫2位研究生在PZT靶材料制备及PZT薄膜红外吸收光谱测量中提供的帮助.参考文献:[1] ROSSETTI G A. Phase coexistence near the morphotroic phase boundary in lead zirconate titanate(PbZrO3- PbTiO3) solidsolutions[J].Appl Phys Lett,2006,88(8):072912-1.[2] 戴玉蓉.PZT陶瓷材料的微结构及物性[D].南京大学博士论文,2002.[3] ESCOTE M T. Highly oxygen-pressure annealing effects on the ferroelectric and structural properties of PbZr PbZr0.3Ti0.7O3 thin films[J]. Appl Phys Lett,2004,96(4):2186-2191.[4] 蒲兴华.PZT陶瓷厚膜的制备和性能研究[D].中科院上海硅酸盐研究所博士论文,2001.[5] SCOTT J F. Ferroelectric thin films in integrated microelectronic devices[J].Ferroelectrics, Part I,1992,133(1):47-60.[6] AL-SHAREEF H N, DIMOS D, WARREN W L, et al. Voltage offset and imprint mechanism in Sr Bi3Ta3O9 thin films[J].J ApplPhys,1996,80(8):4573-4577.[7] AOKI K, FUDUDA Y, NUMATA K, et al. Dielectric properties of (111) and (100) lead-zirconate-titanatefilms prepared by sol-gel technique[J].Jpn J Appl Phys Part I,1994,33(9B):5155-5158.[8] 林殷茵,汤庭鳌,黄维宁,等.用于铁电存储器的PZT薄膜的制备与性能[J].固体电子学研究与进展，2001,21(2):234-238.[9] 李建康，姚熹.锆钛酸铅铁电薄膜的制备及在红外探测器中的应用[J].太原理工大学学报,2004,35(4):388-391.[10]HUI H. Highly a-axis-oriwnted Nb-Doped Pb(TixZr1-x)O3 thin films grown by sol-gel technique for uncooled infrared detectors[J]. Appl Phys Lett，2004,85(22):5310-5312.[11]QIN N, FAN X C, WU S Y, et al. Infrared reflection spectra of Ba6～3xSm8+2xTi18O54 (x=0.5, 0.67, and 0.75) microwave dielectric ceramics [J].J Appl Phys, 2007, 101: 064103.。
精确拟合两种薄膜的光学常数及其应用
精确拟合两种薄膜的光学常数及其应用WANG Song-lin;ZHANG Jian-fu;MI Gao-yuan;LI Yuan;WANG Ying-hui;YANG Chong-min;LIU Qing-long【摘要】研究了一种新的研究薄膜光学参数的方法,在同一基片上沉积两种薄膜,可以同时对这两种薄膜材料进行参数拟合.通过材料实验与光谱测试,基于柯西公式拟合得到了两种薄膜在可见与近红外波段的光学参数.将获得的薄膜参数应用到透450～600、反650～800滤光膜的设计与制备中,结果表明,用该方法获取的薄膜材料参数具有较高的准确性.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2019(049)006【总页数】4页(P747-750)【关键词】光学薄膜;薄膜常数拟合;滤光膜【作者】WANG Song-lin;ZHANG Jian-fu;MI Gao-yuan;LI Yuan;WANG Ying-hui;YANG Chong-min;LIU Qing-long【作者单位】;;;;;;【正文语种】中文【中图分类】O4841 引言光学薄膜的复折射率N=n+ik和厚度d作为膜层的主要光学参数[1],其精确度对于设计与镀制多层光学干涉薄膜是非常重要的。
近些年来,国内外在研究薄膜光学参数方面的文献已经很多了,大多数是通过测试单层薄膜的光谱透射率T(λ)和反射率R(λ),采用透射率(或反射率)极值法、包络线法、椭偏法来计算,再利用一些色散模型来拟合单层薄膜的折射率n(λ)和消光系数k(λ)[2-10]。
这些方法固然有自己的特点,使用起来也比较方便,但在实际的薄膜研制过程中,一些分光膜或滤光膜的光谱特性对于薄膜参数的误差非常敏感,因此,需要研究更加精确的薄膜参数获取方法。
本文提出了一种可以同时获取两种薄膜材料参数的方法。
在同一片基底上沉积两种薄膜材料,通过同时对基底、两种单层膜以及两层膜光谱的测试,基于柯西公式拟合薄膜参数,并将获取的薄膜参数应用到薄膜制备中进行验证。
光学薄膜离子束辅助蒸发沉积技术新进展
光学薄膜离子束辅助蒸发沉积技术新进展一、离子束辅助沉积离子束辅助沉积是在气象沉积镀膜的同时,利用高能粒子轰击薄膜沉积表面,对薄膜表面环境产生影响,从而改变沉积薄膜成分、结构的过程。
这一薄膜制备手段的优点是:合成的薄膜致密,附着力强,能够在低温下合成,可以合成一些用常规手段难以获得的特殊薄膜材料,等等。
这一技术开始于20世纪70年代,到80年代中期受到普遍重视,目前已经成为国际上广泛关注的新型薄膜制备手段。
离子辅助沉积技术是一种新型的镀膜技术,其特点是在气相沉积的同时,用高能离子轰击基体或薄膜,这种把离子辅助与反应蒸发法结合起来的镀膜技术能够实现低温成膜,改善薄膜的微观结构、力学性能并提高薄膜和基体结合力,提高薄膜的综合性能。
二、研究背景对光学薄膜的硬度和环境稳定性的不断提高,促使人们开发离子辅助镀膜技术。
今天的用户越来越重视薄膜的坚固性和耐久性。
典型的要求是优良的光学性能加上最好的环境稳定性和较低的价格。
采用离子技术可以满足上述要求,但是离子束溅射有较高的价格,因此这种技术只用于不多考虑价格的场合。
离子束辅助沉积技术应运而生。
三、研究进展由于荷能离子与沉积原子的级联碰撞效应, 增加了沉积原子的迁移能力,减轻或消除成膜过程中的阴影效应。
荷能离子的轰击还会使沉积原子与基体原子间相互扩散,提高膜层与基片的附着力,从而可在低温甚至室温下镀制出均匀性强、聚集密度高、膜基结合好的高质量膜层。
轰击用离子源一般使用考夫曼离子源,离子束能量从几十到几千电子伏特,轰击离子一般为氩离子或氮离子。
离子束辅助沉积技术初期报导最多和最成功的是镀制光学膜方面与蒸发法连用。
热蒸镀技术的优点是设备简单,并可容易地镀制多种物质,但利用蒸镀法沉积出的光学膜层常是疏松的柱状结构、抗湿性、耐磨性不能满足许多领域对膜层高可靠和长寿命的要求。
而简单的在热蒸镀中加入离子枪,进行离子束辅助沉积,则可镀制出高质量的光学膜。
在高功率激光薄膜材料中,氧化铅是一种常见的薄膜材料,它具有从紫外到红外较宽的透明区域,同时川花入还具有高的折射率和较高的抗激光损伤阑值。
离子束辅助沉积非晶硅薄膜红外光学特性研究
离子 束辅 助 沉 积 非 晶硅 薄 膜 红 外光 学 特 性 研 究
潘永 强，黄 国俊
（ 西安工业大学 光电工程学院 ， 西安 ７０ ３ ） １ ０ ２
摘 要 ： 为了得到非晶硅 （—ｉ薄膜红外光学常数与工艺参数之 间的关 系， ａＳ） 采用 Ａ 离子束 ｒ 辅助电子柬热蒸发技 术制Байду номын сангаас ａＳ 薄膜 ， —ｉ 并利 用椭偏仪 和分光光度计测量 了薄膜的光学常数 ， 分析 了薄膜沉积速率、 基底温度和工作真空度对 ａＳ 薄膜折射率和消光 系数的影响． —ｉ 实验 结
参数（ 薄膜沉积速率、 基底温度和工作真空度） 之间
的关 系．
１ 光学常数的计算理论
使用椭圆偏振法 计算 ａＳ 薄膜 在 ０ ３ １ ７ —ｉ ． ～ ．
ｍ 波段 的折 射率 和 消 光 系数 时 ， 用 了洛 仑兹 谐 选
等［ ］为了制备出吸收小、 １． 折射率高的高性能 ａＳ —ｉ 薄膜 ， ａＳ 薄膜得到更好 的应用． 使 —ｉ 目前 ， 内外 国 对ａ ｉ — 薄膜红外 波段光学 特性研 究 的文献还 很 Ｓ
关 键词 ： 非 晶硅 薄膜 ； 电子 束 蒸发 ； 红外 光 学常数 ； 离子 柬辅 助沉积
中图号 ： ０４ ４ １ ８ ． 文 献标 志码 ： Ａ
硅在 常温 下性 质稳 定 、 外 透 明 区宽 、 明度 红 透
波 段 的光 学 常 数． 究 了 ａＳ 薄 膜 在 ０ ３ ５Ｆ 研 —ｉ ． ～ ｍ 波段 的光学 特性 ， 并主要 分 析 了红 外波段 １ ５Ｆ ～ ｍ 之 间 ， 膜 的光学 常 数 （ 射 率 、 光 系数 ） 薄 折 消 与工 艺
好， 所形成的硅薄膜质硬 、 红外区折射率高 ， 是一种
离子束加工原理特点及其应用研究
本科课程论文题目离子束加工原理特点及其应用研究学院专业机械设计制造及其自动化年级2012学号XX指导教师成绩2014年12 月10 日目录1 前言12 离子束加工的原理23 离子束加工的优缺点33.1离子束加工的优点33.1.1加工精度高33.1.2污染少、无氧化33.1.3对材料影响小33.2离子束加工的缺点34 离子束加工的分类34.1离子蚀刻44.2离子溅射沉积44.3离子镀44.4离子注入45离子束加工的主要应用45.1刻蚀加工的定义及具体应用领域55.1.1刻蚀加工的定义55.1.2刻蚀加工的应用领域55.2离子镀膜加工的定义及具体应用55.2.1离子镀膜加工的定义55.2.2离子镀膜加工的具体应用55.3离子注入加工的定义及具体应用6 6离子束加工应用现状67结语6参考文献7离子束加工原理特点及其应用研究摘要:本文分析离子束加工的原理特点，阐述了离子束加工作为加工精度最高的特种加工方法在微电子学领域中特别是纳米加工的重要性。
离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀，离子注入。
离子束加工作为最近几年才发展起来的特种加工方法，极大的拓宽了人类对微细材料领域的探索；但是离子束加工的潜力还有待继续挖掘；目前因为加工设备费用贵，成本搞，加工效率低，一些技术还处于研发阶段等问题，离子束加工还未能普及。
但我们相信未来离子束加工必将被广泛应用，为人类发展带来更多的贡献。
关键词：离子束加工原理分类现状1 前言特种加工是现代先进制造工程技术中较为重要和实用的新技术之一，而且获得了较为广泛的应用，它是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段之一。
经过最近十几年的迅猛发展，各种特种加工方法在生产中的应用日益广泛，无论是在国内还是国外电加工机床年产量的年平均增长率均打打高于金属切削机床的增长率。
作为近年来获得较大发展的新兴特种加工方式，离子加工极高的加工精度和加工质量在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到了较多的应用，比如亚微米加工和纳米加工技术。
光学薄膜的研究新进展及应用
研究 的深入 ， 人们发现类金刚石膜具 有很大 的研究价值和广
泛 的应用前景 ， 引起学术界极大兴趣 。美 国已经将类金 刚石
薄膜材料作 为国家 ２ １世纪的战略材 料之 一 。
２ ２ 软 ｘ射线 多层膜 ． ． 意大 利 、 国、 国 、 国和俄罗斯等 国对软 ｘ射线 多层 英 法 美 膜开展了广泛研 究 ， Ｘ射 线 的光谱 区为 １～３ ｍ， 报 软 ０ｎ 据 道 ， 同波长 的各种 软 Ｘ射 线多层 膜都取得 了可喜 的成 绩。 不 采用离子柬溅射和磁控溅射等镀 膜技 术制备 的软 Ｘ射 线多
拓宽 了光学薄膜 可以利用 的材料范 围， 而且极 大地改进 了光 学薄膜 的性能和 功能 。光 学 薄膜 可以采 用物理 气相 学 沉积
（ Ｖ 、 学 气 相 沉 积 （ Ｖ 和 化 学 液 相 沉 积 （ Ｌ ３种 技 Ｐ Ｄ） 化 Ｃ Ｄ） Ｃ Ｄ）
离子镀兼 有热蒸发 的高成 膜速 率和溅 射高 能离 子轰击
性， 设计 出了低温条件下符合光谱要求的带通滤光片 。
在航 空航 天等军 用领域 中 ， 存在强光和 电磁 干扰等环境
影响因素 ， 了使显示器能够在这种恶劣环境 下稳定可靠工 为
作， 需要 对显 示 器 进行 Ａ ／ Ｍ （ 反射／ ＲＥ Ｉ减 电磁 屏 蔽 ） 固。 加 对 ＩＯ （ Ｔ 氧化铟锡 ） 电磁 屏蔽 层与 Ａ 减 反 ） 系进行 综合 Ｒ（ 膜
膜具有很大的研究 价值 和广 泛的应用 前景 ， 引起 科研人员 的 极大兴趣 。 ２ ４ 高功率激光膜 ．
化学气相沉积（ Ｖ 一般需要较 高的沉 积温度 ， Ｃ Ｄ） 而且在 薄膜制备前需要特定 的先驱 反应 物 ， 过原 子 、 子 间化学 通 分 反应的途径来生成 固态薄膜的技术 ，ＶＤ技术 制备 薄膜 的沉 Ｃ 积速率一般较高 。但在薄膜制备过程 中也会 产生可燃 、 有毒 等一些副产物 。
几种氟化物薄膜材料的光学特性
万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据１５１２光学精密工程第１７卷［２１３Ｅｚ２３Ｖａｃｕｕｍｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｔｈｉｎｆｉｌｍｓ．１：Ｏｐｔｉｃａｌｃｏｎ—ｓｔａｎｔｓｏｆＢａＦ２，ＣａＦ２，ＬａＦ３，ＭｇＦ２，Ａ１２０３，Ｈｆ０２，ａｎｄＳｉ０２ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９９０，２９（２８）：４２８４－４２９２．ＫＯＬＢＥＪ。
ＫＥＳＳＬＥＲＨ，ＨＯＦＭＡＮＮＴ，ｅｔａ１．．Ｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｄａｍａｇｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓｏｆｄｉｅｌｅｃ—ｔｒｉｃＵＶ／ＶＵＶｃｏａｔｉｎｇｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ＩＡＤ，ａｎｄＩＢＳ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，１９９２，１６２４：２２１．夏志林，薛亦渝，赵利，等．基于包络线法的薄膜光学常数分析［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００３，２５（５）：７３—７６．作者简介：薛春荣（１９７２一），女，山东济宁人，博士研究生，讲师，２００４年于同济大学获得硕上学位，主要从事光电子器件、光纤通信、真空紫外光学薄膜和薄膜材料方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｃｒｌ６３＠１６３．ｃｏｍ易葵（１９７０一），男，湖南汨罗人，研究员，博士生导师，２００２年于浙江大学获得硕士学位，主要从事光学薄膜的研究，包括高功率激光薄膜、软Ｘ射线激光薄膜、薄膜测试技术和薄膜生长监控控制技术等。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｙｉ＠ｏｐｆｉｌｍ．ｃｏｒｎＸＩＡＺＨＬ，ＸＵＥＹＹ，ＺＨＡＯＬ，以ｎ￡．．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍ＇ｓｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｎｖｅ—ｌｏｐｅｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕＴ（Ｉｔ，Ｉｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），２００３，２５（５）：７３’７６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２３］刘细成．透射光谱法测量薄膜参数的研究［Ｄ］．成都：四川大学，２００３．ＬＩＵＸＣＨ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐａｒａｍｅ—ｔｅｒｓｏｆｔｈｉｎｌｔｌｍｓｂｙｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｍｅｔｈｏｄ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００３．（ｉｎＣｈｉ’ｎｅｓｅ）邵建达（１９６４一），男，浙江宁海人，研究员，博十生导师，１９８６在浙江大学获得学士学位，１９９３年，１９９８年在中科院上海光学精密机械研究所分别获硕士和博士学位，１９９４—１９９５年在英国ＲｅａｄｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ作访问学者，１９９８—１９９９年在意大利国家研究委员会博洛尼亚Ｉ．ＡＭＥＩ，研究所作访问学者，主要从事光学薄膜技术与光电信息功能薄膜的研究。
离子束辅助沉积原理
离子束辅助沉积原理宝子们！今天咱们来唠唠一个超酷的技术——离子束辅助沉积。
这玩意儿听起来是不是就很有科技感呢？咱先说说啥是沉积哈。
想象一下，你在一个超级微观的世界里，有一些小颗粒，它们就像一个个小小的建筑材料，慢慢地堆积在一个表面上，就像盖房子一样，一块砖一块砖地垒起来，这就是沉积啦。
那普通的沉积就有点像慢悠悠地手工堆东西，效率有时候不太高，而且堆出来的东西可能不是那么完美。
这时候，离子束辅助沉积就闪亮登场啦！离子束啊，就像是一群超级有活力的小助手。
这些小助手可是带电的哦，就像一群充满能量的小精灵。
它们是怎么来的呢？其实是通过一些特殊的设备，把原子或者分子变成离子，然后加速，让它们形成一束离子流。
这些离子束冲向要沉积的表面的时候，那可就热闹啦。
就好比一群热情的小工冲向工地一样。
它们和那些要沉积的材料小颗粒会发生各种各样好玩的互动。
比如说，离子束的能量可以把要沉积的材料原子或者分子打得更“听话”。
原本那些原子可能是懒洋洋地，在那里晃悠着准备沉积，离子束一冲过来，就像给它们打了一针兴奋剂，让它们变得更活跃，排列得也更整齐有序了。
而且哦，离子束还像一个严格的监工。
在沉积的过程中，如果有一些原子或者分子没有按照理想的方式堆积，离子束就会把它们“推”到正确的位置。
这就好比盖房子的时候，工人要是把砖头放歪了，监工就会把砖头扶正一样。
这样沉积出来的薄膜或者涂层，质量就特别好。
再说说这个离子束辅助沉积在材料表面改性方面的厉害之处吧。
你想啊，材料的表面就像人的脸一样，要是能给它做个超级棒的“美容”，那这个材料就会变得更厉害。
离子束辅助沉积就可以在材料表面形成一层特殊的涂层。
这层涂层就像是给材料穿上了一件超级防护服。
比如说，这个涂层可以让材料变得更耐磨，就像给材料的表面穿上了一层厚厚的铠甲，怎么磨都不容易坏。
又或者可以让材料变得更耐腐蚀，就像给材料表面打了一把伞，酸雨啊、化学腐蚀啊，都不怕。
还有哦，离子束辅助沉积在光学材料上的应用也超有趣。
第7章 离子镀和离子束沉积
离子轰击在离子镀中的作用
对基片表面的作用（膜层沉积之前）
1）溅射清洗。高能粒子轰击基片表面，引起表面原子射出，产生溅射。 清除吸附气体、溅射掉表面物质、发生化学反应。 2）产生缺陷和位错网。轰击粒子的能量传递给表面的晶格原子。 3）破坏表面结晶结构。稳定的缺陷造成表面晶体结构的破坏变成非晶态 结构。同时，气体的掺入也会破坏表面的结晶结构。 4）气体掺入。低能离子轰击会造成气体掺入表面和淀积膜之中，掺入气 体量可高达百分之几。 5）表面成分变化。由于系统内各成分的溅射率不同，会造成表面成分与 基体成分的不同。
• 从阴极直接产生等离子体 • 入射粒子能量高、离化率60-80% • 蒸镀速度快，绕镀性好
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离子束沉积
离子束沉积法是利用离化的粒子作为蒸镀物质，在较低的 基片温度下形成薄膜。
金属离子入射固体表面的效应：
沉积；溅射；注入
E 500 eV
E 50 eV
E 500 eV
在Si (111) 基片表面 沉积Ge+
a. 电子束蒸镀离子束辅助沉积（IBAD） b. 离子束溅射辅助沉积（IBSAD），又叫双离子束溅射沉积
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习题
1. 离子镀中采用的蒸发源和离化方式各有哪几种？ 2. 简述离子轰击对基片的作用。 3. 简述离子束辅助沉积的概念及常见的两种工艺。
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6）表面形貌变化。表面经离子轰击后，无论晶体和非晶体基片的表面形 貌，将会发生很大的变化，使表面粗糙度增大，并改变溅射率。
7）温度升高。因为轰击离子的绝大部分能量都变成热能。
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离子轰击在离子镀中的作用
对薄膜生长的影响
• 在离子镀时，一方面有镀材粒子沉积到基片上，另一方面有高能 离子轰击表面，使一些沉积粒子溅射出来。当前者的速率大于后 者，薄膜就会增厚。这一特殊的淀积与溅射的综合过程使膜基界 面和薄膜生长具有许多特点。
电子束蒸发TiO_2薄膜的光学特性
文章编号:1002-2082(2004)05-0053-03电子束蒸发T i O2薄膜的光学特性潘永强,朱昌,弥谦,宋俊杰(西安工业学院 光电工程学院,陕西西安 710032)摘 要: 研究了不同工艺参数条件下,电子束蒸发T i O2薄膜的光学特性。
在正交实验的基础上,利用离子束辅助沉积技术,获得了影响T i O2薄膜折射率的主要因素,得到了T i O2薄膜的折射率随氧气分压的关系。
对离子氧和分子氧两种情况下T i O2薄膜的折射率进行了比较,得到了T i O2薄膜的折射率与沉积速度的关系,并给出了T i O2薄膜的红外吸收光谱。
关键词: 电子束蒸发;T i O2薄膜;折射率;红外吸收光谱中图分类号:O484.1 文献标识码:AThe Optica l Properties of T i O2Th i n F il m Preparedby Electron Beam Evapora tionPAN Yong2qiang,ZHU Chang,M i Q ian,SON G Jun2jie(X i’an Institute of T echno logy,X i’an710032,Ch ina)Abstract:T he op tical p roperties of T i O2th in fil m s p repared by electron beam evapo rati on w ith different craft param eters are studied.O n the base of experi m ents,the m ain facto rs of affecting the refractive index of the T i O2th in fil m depo siti on assisted by i on beam have been found out.Functi on relati on of T i O2refrative index,oxygen p ressure and depo siti on speed have been gained,besides infrared spectrum.R efractive indices of T i O2th in fil m s depo sited in i oned and mo lecular oxygen are compared.Keywords:electron beam evapo rati on;tianium di oxide th in fil m;refractive index;infrared abso rp ti on spectrum引言二氧化钛薄膜的折射率高,膜层牢固稳定,在可见和近红外区透明,这些优异的性能使其在光学薄膜应用中十分诱人。
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离子束辅助沉积非晶硅薄膜红外光学特性研究潘永强;黄国俊【摘要】In order to get the relationship between the infrared optical constants and the process parameters of the amorphous silicon(a-Si)film, the a-Si films are prepared by electron beam evaporation and Ar ion beam assisted deposition and their optical constants are measured with an ellipsometer and a spectrophotometer. The effects of deposition rate, substrate temperature and working pressure on the film refractive index and extinction coefficient are analyzed. The experimental results show that deposition rate and substrate temperature strongly influence optical properties of a-Si films, and working pressure has the least influence. With an increase in deposition rate and substrate temperature, the refractive index of a-Si film increases first and then decreases; the retractive index increases with an increase in the vacuum. The a-Si film refractive index changes from 2. 47 to3. 28 when the wavelength ranges from 1 to 5 μm.%为了得到非晶硅(a-Si)薄膜红外光学常数与工艺参数之间的关系,采用Ar离子束辅助电子束热蒸发技术制备a-Si薄膜,并利用椭偏仪和分光光度计测量了薄膜的光学常数,分析了薄膜沉积速率、基底温度和工作真空度对a-Si薄膜折射率和消光系数的影响.实验结果表明:影响a-Si薄膜光学常数的主要工艺因素是沉积速率和基底温度,工作真空度的影响最小.当沉积速率和基底温度升高时,薄膜的折射率先增大后减小;当工作真空度升高时,薄膜的折射率增大.在波长1～5μm之间,a-Si薄膜的折射率变化范围为2.47～3.28.【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2011(031)001【总页数】5页(P9-13)【关键词】非晶硅薄膜;电子束蒸发;红外光学常数;离子束辅助沉积【作者】潘永强;黄国俊【作者单位】西安工业大学,光电工程学院,西安,710032;西安工业大学,光电工程学院,西安,710032【正文语种】中文【中图分类】O484.1硅在常温下性质稳定、红外透明区宽、透明度好,所形成的硅薄膜质硬、红外区折射率高,是一种较理想的红外光学薄膜材料.非晶硅(a-Si)作为一种高折射率材料,而且在红外区1～9μm范围内透明,因此a-Si薄膜广泛应用于红外和激光技术中,例如它常作为近红外、中红外区的光学薄膜材料,半导体激光器腔面高反膜的高折射率材料等[1-2].为了制备出吸收小、折射率高的高性能a-Si薄膜,使a-Si薄膜得到更好的应用.目前,国内外对a-Si薄膜红外波段光学特性研究的文献还很少,文献多采用PECVD方法制备非晶(a-Si:H)薄膜,研究了薄膜在可见光波段的光学特性[3-6].文献[2]采用电子束蒸发技术制备a-Si薄膜,研究了薄膜在0.3～1.1μm波段的光学特性.文中采用A r离子束辅助电子束蒸发技术制备a-Si薄膜,利用美国J.A.WOLLAM公司的M-2000UI型宽光谱变角度椭偏仪测量薄膜在0.3～1.7μm 波段的光学常数;利用日本日立公司的U-3501型分光光度计和薄膜测试分析软件Matedit计算薄膜在1～2.5μm波段的光学常数,并应用Matedit软件拟合所得的柯西色散公式,外推a-Si薄膜在2.5～5μm波段的光学常数.研究了a-Si薄膜在0.3～5μm波段的光学特性,并主要分析了红外波段1～5μm之间,薄膜的光学常数(折射率、消光系数)与工艺参数(薄膜沉积速率、基底温度和工作真空度)之间的关系.1 光学常数的计算理论使用椭圆偏振法计算a-Si薄膜在0.3～1.7 μm波段的折射率和消光系数时,选用了洛仑兹谐振子模型作为薄膜材料的色散模型,在洛仑兹谐振子模型中,复介电方程ε(w)=εr+iεi表达式为式中:ε(w)为光子频率的复介电函数;ε∞为高频介电常量;Ec是第 j个谐振子的中心频率,单位为eV;Aj第j个是谐振子的振幅,单位为eV;rj是第j个谐振子的阻尼因子,单位为eV;m是谐振子的数目.在拟合的过程中,ε∞、E c、Aj和rj都可作为拟合的参量.折射率n和消光系数k可以通过式(2)～(3)进行计算.折射率n为使用光度法计算a-Si薄膜在1～2.5μm波段的折射率和消光系数时,由于a-Si薄膜在此波段内吸收很小,可视为透明薄膜,所以我们选用了柯西色散模型.其折射率n和消光系数k可表示为折射率 n(λ)=An+Bn/λ2+Cn/λ4 (4)消光系数式中:A、B、C为常数;λ为入射光波长.拟合过程中,柯西参数A、B和C都可作为拟合参量[7-10].利用以上两种方法计算a-Si薄膜的折射率和消光系数时,在重叠波段1～1.7μm内,薄膜的光学常数差别很小,变化趋势一致.2 实验2.1 实验设备利用南光机器厂的ZZS700-1/G箱式光学镀膜机,采用A r离子束辅助电子束热蒸发技术制备a-Si薄膜.基底材料厚度为1mm、直径为∅20mm的K 9光学玻璃.a-Si薄膜光学常数测试仪器为美国J.A.WOLLAM公司的M-2000UI型宽光谱变角度椭偏仪、日本日立公司的U-3501型分光光度计和美国PE公司的SPECTRUMGX型傅立叶变换红外光谱仪.2.2 实验方法为了得到a-Si薄膜的红外光学常数与工艺参数(沉积速率、基底温度和工作真空度)之间的关系,首先建立了三因素三水平的正交试验,通过对正交试验表所得结果进行极差分析,找出影响a-Si薄膜红外光学常数的主要工艺因素,并对各主要因素进行研究和分析,得到各工艺因素对a-Si薄膜红外光学常数的影响.正交试验表见表1.表1 因素水平表Tab.1 Listof factorsand standards因素沉积速率/(nm/s)A基底温度/℃B真空度/Pa C水平1 0.4 50 8×10-3水平2 0.6 100 1×10-2水平3 0.8 150 1.5×10-23 实验结果及分析通过三因素三水平的正交试验,得到各因素对a-Si薄膜光学常数影响的极差,极差越大则该因素对薄膜光学常数的影响越显著.极差分析结果见表2.表2 极差分析Tab.2 Range analysis of orthogonal test因素折射率A B C消光系数A B C水平1 2.778 2.921 2.883 3.80E-3 5.6E-3 5.50E-03水平2 3.048 2.654 2.881 6.28E-03 5.1E-3 3.51E-03水平3 2.718 2.828 3.036 3.67E-03 6.1E-03 5.13E-03极差 0.330 0.267 0.155 2.62E-03 1.0E-03 1.99E-03由表2可得:沉积速率、基底温度和工作真空度对薄膜折射率影响的极差分别为0.33、0.267和0.155;对薄膜消光系数影响的极差分别为2.62×10-3,1.99×10-3和1×10-3.所以 ,影响 a-Si薄膜光学常数的主要因素是沉积速率和基底温度,工作真空度的影响最小.3.1 a-Si薄膜折射率与沉积速率的关系为了得到a-Si薄膜折射率与沉积速率的关系.研究了在基底温度为120℃,工作真空度为9×10-3 Pa条件下,改变薄膜的沉积速率时,a-Si薄膜折射率的变化,不同沉积速率时,a-Si薄膜折射率与波长的变化关系曲线如图1所示.由图1可知,a-Si薄膜的折射率随着沉积速率的升高先增大后减小;当沉积速率为0.6 nm/s时,薄膜的折射率达到最大值.这主要是由于,沉积速率对膜层结构有很大的影响,从而影响薄膜的折射率.当沉积速率增加时,成膜粒子的动能增大,提高成膜粒子在基片上的迁移率,从而形成更加致密的膜层,使薄膜折射率增大.但当沉积速率过高时,容易造成薄膜表面的损伤,在膜层中形成微空洞和缺陷态,导致薄膜内出现微柱状结,从而使薄膜的折射率有所减小.图1 不同沉积速率时,折射率与波长的关系Fig.1 Refractive indexvs wavelength at different deposition rates在红外波段1～5μm之间,a-Si薄膜的折射率随着波长的增大而减小,但变化率很小;不同沉积速率下,薄膜折射率的变化范围为2.63～3.26.3.2 a-Si薄膜折射率与基底温度的关系基底温度也是影响a-Si薄膜折射率的一个主要因素.沉积速率为0.6 nm/s,工作真空度为8×10-3 Pa,不同基底温度时,a-Si薄膜折射率与波长的变化关系曲线如图2所示.图2 不同基底温度时,折射率与波长的关系Fig.2 Refractive indexvs wavelength at dif ferent substrate temperatures从图2可以看出,随着基底温度的升高,a-Si薄膜的折射率先增大后减小;当基底温度为100℃时薄膜的折射率最大.主要是由于基底温度对膜层的结构、密度和结晶颗粒的大小都有一定的影响.随着基底温度的增加,基片上薄膜分子的迁移率增大,膜层晶格缺陷减小,晶粒尺寸变大,增大了薄膜的聚集密度,使膜层的致密性增加,所以a-Si薄膜的折射率随之增大.当基底温度进一步增加时,又会导致膜层柱状和孔状结构的出现,使薄膜的折射率有所减小.在红外波段1～5μm之间,a-Si薄膜的折射率随着波长的增大而减小;实验所得,不同基底温度下,薄膜折射率的变化范围为2.82～3.28.3.3 a-Si薄膜折射率与工作真空度的关系在薄膜沉积速率为0.6 nm/s,基底烘烤温度为120℃条件下,改变真空室的压强,研究不同工作真空度时,a-Si薄膜的折射率与波长的变化关系曲线.如图3所示.图3 不同真空室压强时,折射率与波长的关系Fig.3 Refractive indexvs wavelength under differentw orking pressures从图3可以看出,a-Si薄膜的折射率随着工作真空度的升高而增大.这主要是由于膜料蒸汽分子在沉积过程中,可能与真空室内的气体分子发生碰撞.真空室压强越大,则真空室的气体分子越多,与膜料分子碰撞的机率也就越大.当膜料蒸汽分子与气体分子发生碰撞时,会损失一定的能量而导至膜层的致密性变差,使薄膜的折射率减小. 在红外波段1～5μm之间,a-Si薄膜的折射率随着波长的增大而减小,但变化很小,而且波长越大变化率越小;不同压强下,薄膜折射率的变化范围为2.47～3.18.3.4 a-Si薄膜消光系数与波长的关系实验中,由于各工艺参数下所得a-Si薄膜,在红外波段1～5μm之间的消光系数小于1×10-3,而且随工艺参数的变化并不明显,所以,文中未讨论消光系数与工艺参数的变化关系.下面选取了几组差别较大的消光系数,分析消光系数与波长的变化关系. 从图4可以看出,a-Si薄膜的消光系数随着波长的增大而减小,而且在波长大于1μm时,消光系数明显减小.而且,a-Si薄膜的消光系数在可见光波段明显有一个峰值,这是因为每种材料都有自己的特征谱,而非晶硅薄膜特征谱是在波长480 nm附近有一个散射峰,从而导致薄膜在该处消光系数增大,出现一个峰值[11-12].图4 不同工艺参数时,消光系数与波长的关系Fig.4 Extinction coefficient vswavelength with different parameters3.5 锗基底上a-Si薄膜的红外光谱通过单因素多水平实验,得到各因素对a-Si薄膜光学常数的影响.分析比较,确定了一组使a-Si薄膜消光系数小、光学特性比较好的工艺参数(沉积速率为0.6 nm/s、基底温度为120℃、工作真空度为8×10-3 Pa),并在厚度为1mm的锗基底上沉积一定厚度的a-Si薄膜.采用美国PE公司的SPECTRUMGX型傅立叶变换红外光谱仪,测得的锗基底上单层a-Si薄膜的红外透射光谱曲线如图5所示.从图5可知,与未镀a-Si薄膜的锗基片相比,镀制一定厚度a-Si薄膜后,锗基片在波数3 000～1 500 cm-1之间,透射率明显增加,透射率峰值为57%;通过计算可以得到,薄膜在波长3μm处的折射率为3.14,消光系数仅为1.67E-5.镀制 a-Si薄膜后,锗基片在波数1 100 cm-1(波长约9μm)处出现一个明显的吸收峰,而且在波长大于9μm时,薄膜吸收明显增大,透射率显著降低,说明a-Si薄膜的红外透射截止波长为9 μm,结合3.4中所得硅薄膜的透明区大于1μm,可知a-Si薄膜的透明区为 1～9μm.以上说明a-Si薄膜在红外波段1～9μm之间吸收很小,可以做为一种红外光学薄膜材料.图5 锗基底上a-Si薄膜的红外透射光谱曲线Fig.5 IR transmission curve of a-Si thin films on germanium substrate4 结论1)通过正交试验,得到了影响a-Si薄膜红外光学常数的主要工艺参数为薄膜沉积速率和基底温度,其次是工作真空度.2)通过单因素实验,得到了各工艺参数对a-Si薄膜红外光学常数的影响情况.在红外波段1～5μm之间,a-Si薄膜的折射率和消光系数随波长的增大而减小.当沉积速率和基底温度升高时,a-Si薄膜的折射率先增大后减小;当工作真空度升高时,a-Si薄膜的折射率增大;实验中,a-Si薄膜折射率的变化范围为2.47～3.28.3)分析得到a-Si薄膜的红外透明区为1～9 μm,并确定了一组使a-Si薄膜消光系数小、光学特性比较好的工艺参数.在此工艺下制备的a-Si薄膜消光系数非常小,在3μm处折射率为3.14、消光系数仅为1.67E-5.参考文献:【相关文献】[1] 周玉峰,张宇明,韩杰才.硅膜制备[J].材料导报,2005,19(12):84.ZHOU Yu-feng,ZHANG Yu-m ing,HAN Jie-cai.Preparation of Silicon Coating[J].Materials Review,2005,19(12):84.(in Chinese)[2] 舒雄文,徐晨,田增霞,等.电子束蒸发非晶硅光学薄膜工艺研究[J].光电子◦激光,2006,17(8):905.SHU Xiong-w en,XU Chen,TIAN Zeng-xia,et al.Process Investigation of Elec tron Beam Evaporation Deposited Amorphous Silicon Optical Films[J].Journal of Optoelectronics◦Laser,2006,17(8):905.(in 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