ECRCVD设备镀膜工艺及膜系设计理论讲座

n0 n1 n2
d1 d2
正入射下：
2N n1 n 0 − nk +1 n 2 Rs = Rp = 2N n1 n + n 0 k +1 n 2
2
3 650nm LD中应用到的典型λ/4膜系 中应用到的典型λ/4膜系
3.3 典型规则膜系： 3.3.1 R=95% 膜系结构：
2
GaAs|(Si02|SiNx)4|Air
R=
8 1.5 3.52 − 2.3 = 96% 8 1.5 3.52 + 2.3
3.3.2 R=85% 膜系结构： GaAs|(Si02|SiNx)3|Air
4.2 反应方程式: SiO2 SiNx
Si4+ + H+ + O2- ⇒ SiO ↓ +H ↑ 2 2
Si4+ + H+ + N2- ⇒ SiN x ↓ +H ↑ 2
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
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θ0
θ0
n0 n1
1.4 设备示意图（未反映水电气系统）。
机械泵 工作气 增压泵 主阀
真空计3 气 扩散泵 控 箱 手动阀 硅烷 其它混合气
手动阀 仪表 冷阱 主机
衬底
观察窗
预真空室 机械手
淀积室 波导 机械控制 磁场 微波源 真空计4 机械泵 分子泵
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 路程。 κT
λ=
2πd 2 p
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。
2 膜系设计基本理论
n0 n1 n2
n1
n1
d1 d2
θ1
θ2
d1 nk n k +1
N
n1 n2 n1 n2 n 2N +1 n1
n1
n2
θ k +1
d1 d2 d1 d2
d1
n2
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：
E = ACos (ωt − 2π
λ
nd + ϕ ) 0
自由空间的光程： ∆= 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。
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。 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
ηip = ni / Cosθ i
θ0
n0 n1
组合导纳：
Y=
C B
nk n k +1
θ k +1
反射率：
R
s, p
=
η 0 − Y η 0 − Y η + Y η + Y 0 0
*
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。
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：
n 0Sinθ 0 = n1Sinθ1 = ... = n k +1Sinθ k +1 ∆ = 2n1d1Cosθ 1 1
光在薄膜中传播的光程差：
∆ 1 =n d 11 2
2
R=
6 1.5 3.52 − 2.3 = 87.5% 6 1.5 3.52 + 2.3
3.3.3 R=30% 膜系结构：
2
GaAs|Si02|Si02|Air
R=
2 1.5 3.52 − 1.5 = 31.1% 2 1.5 3.52 + 1.5
2
R=
2 n1 3.52 − 1.4 = 0% 2 n1 3.52 + 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
薄膜的光学厚度：
θ0
n0
n1
θ1
d1
薄膜的相位厚度：
δ =
1 2π n d Cosθ 1 λ 11
艾塔参量 S光 ηis = niCosθ i ， P光 干涉矩阵（特征矩阵）：
B k Cosδ i C = ∏ jη Sinδ i =1 i i jSinδ i / ηi 1 Cosδ i ηk +1
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
N n1 n2 n1 n2 n 2N +1 d1 d2 d1 d2
3.3.2 R=5% 膜系结构： GaAs|Si02|Air
2
R=
2 1.5 3.52 − 1 = 4.8% 2 1.5 3.52 + 1
3.3.4 R=0% 膜系结构： GaAs|SiNx|Si02|Air
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
θ0
n0
折射定律:
n0 sinθ0= n1 sinθ1
R
n1
θ1
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。
θ 0 = θ1 = θ 2 = 0
n1
n1
ηs = ηp
d1
Rs = Rp
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） λ/4 R
δi = π
2
2
ηis = ηip = ni
2
n 0 − n1 n2 Rs = Rp = 2 n1 n0 + n0 n2
ECRCVD设备镀膜工艺 ECRCVD设备镀膜工艺 及膜系设计理论讲座
制作：李雪冬
1. 2. 3. 4.
ECRCVD设备的基本原理
膜系设计基本理论 650nm LD中应用到的典型λ/4膜系 中应用到的典型λ/4膜系 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。 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。