溅射技术发展的历程

溅射技术发展的历程

1842年格洛夫（Grove）在实验室中发现了阴极溅射现象。他在研究电子管阴极腐蚀问题时，发现阴极材料迁移到真空管壁上来了。但是，真正应用于研究的溅射设备到1877年才初露端倪。其后70年中，由于实验条件的限制，对溅射机理的认同长期处于模糊不请状态，所以，在1950年之前有关溅射薄膜特性的技术资料，多数是不可靠的。19世纪中期，只是在化学活性极强的材料、贵金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中，采用溅射技术。1970年后出现了磁控溅射技术，1975年前后商品化的磁控溅射设备产生，大大地扩展了溅射技术应用的领域。到了80年代，溅射技术才从实验室应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域。最近15年来，进一步发展了一系列新的溅射技术，几乎到了目不暇接的程度。在21世纪来临的时刻，回顾一下溅射技术发展的历程，寻找其中某些规律性的思路，看来是有一定意义的。
一、最初溅射技术改革的原动力主要是围绕着提高辉光等离子体的离化率，增强离化的措施包括：
1、热电子发射增强—由原始的二极溅射演变出三极溅射。三极溅射应用的实际效果对离化率增强的幅度并不大，但是对溅射过程中，特别是在反应溅射过程中，工艺的可控性有明显地改善。
2、电子束或电子弧柱增强—演变出四极溅射。Balzers一直抓住这条线，形成有其特色的产品系列，最近几年推出在中心设置一个强流热电子弧柱，配合上下两个调制线圈，再加上8对孪生靶，组合成新型纳米涂层工具镀膜机。是一个典型实例。
3、磁控管模式的增强溅射—磁控溅射。利用磁控管的原理，将等离子体中原来分散的电子约束在特定的轨道内运转，局部强化电离，导致靶材表面局部强化的溅射效果。号称为“高速、低温”溅射技术。磁控溅射得到广泛应用的原因，除了效果明显之外，结构不复杂是一个重要的因数，大面积的溅射镀膜工艺得到推广。应该看到，靶面溅射不均匀导致靶材利用率低是其固有的缺点。
4、最近有人推出离子束增强溅射模式。采用宽束强流离子源，配合磁场调制，与普通的二极溅射结合组成一种新的溅射模式。他不同于使用窄束高能离子束进行的离子束溅射（这种离子束溅射的溅射速率低），采用宽束强流离子源，配合磁场调制后，既有离子束溅射的效果，更重要的是具有直接向等离子体区域供应离子的增强溅射效果。同时还可以具有离子束辅助镀膜的效果。
二、1985年之后，溅射模式的变革增加了新的目标，除了继续追求高速率之外，追求反应

溅射稳定运行的目标
、追求离子辅助镀膜—获得高质量膜层的目标、等等综合优越性的追求目标日益增强。例如：
捷克人J.Musil在研究低压强溅射的工作中，在磁控溅射的基础上，重复使用各种原来在二极溅射增强溅射中使用过的手段。从“低压强溅射”一直发展到“自溅射”效应。其中大部分工作仍然处于实验室阶段。
针对立体工件获得均匀涂层和色泽，Leybold推出对靶溅射运行模式。在随后不断改进的努力下，对靶溅射工艺仍然具有涂层质量优异的美名。
针对膜层组分可随意调节的目标，推出非对称溅射的运行模式。我国清华大学范毓殿教授采用调节溅射靶磁场强度的方法，进行了类似的工作。
推出非平衡溅射的运行模式最基本的目的是为了改善膜层质量，呈现离子辅助溅射的效果。后来，一些研究工作扩展磁场增强的布局，磁场在真空室内无处不在，看来效果并不理想，“非平衡”的热潮才逐渐降温。
1996年Leybold 推出多年研发的成果：中频交流磁控溅射（孪生靶溅射）技术，消除了阳极”消失”效应和阴极“中毒”问题，大大提高了磁控溅射运行的稳定性，为化合物薄膜的工业化大规模生产奠定了基础。最近在中频电源上又提出短脉冲组合的中频双向供电模式，运行稳定性进一步提高。
最近英国Plasma Quest Limited（PQL）公司推出S400型专利产品，名为“高密度等离子体发送系统”（High Plasma Launch System），属于上面提到的离子束增强二极溅射模式。其特点是：高成膜速率、高靶材利用率（>95%）、膜层质量优良。在光伏器件、光电薄膜、半导体薄膜、磁记录薄膜、精密光学薄膜和工程涂层方面得到广泛应用。
三、提高溅射速率是有一定限度的。施加到靶表面的功率密度与靶的溅射速率成正比。等离子体放电空间的离化率越高，靶的溅射电流才可能增大。于是有了种种强化电离的手段来提高溅射速率。实际上限制溅射速率的原因是：靶（阴极）能够耗散多少功率？溅射离子的能量大约70%需要从阴极冷却水中带走，如果这些热量不能及时带走，靶材表面将急剧升温、熔化、蒸发（升华）…从而脱离溅射的基本模式。
J.Musil研究了高速率溅射和自溅射，施加的靶功率密度高达50W/cm2,甚至更高，但是：只有Cu,Ag,Au靶呈现自溅射效应。在实验室特殊条件下呈现高速率溅射效果，在工业化应用上很难实现。反过来证明：工业化应用中适合的功率密度应该在30W/cm2以下。
为了保证工业化应用中靶的稳定运行，直接水冷而且靶材导热性能良好的情况下所施加的功率密度应该在25W/cm2以下。间接水冷而

且靶材导热性能良好的
情况下所施加的功率密度应该在15-20W/cm2以下。
如果靶材导热性能差、靶材由于热应力而引起碎裂、靶材含有低挥发性的合金组分等情况施加功率只能在2-10W/cm2以下。
靶功率的耗散能力要求精心设计靶（阴极）的各个传热和散热环节：靶材的热性能、靶材与冷套的热接触层、冷却介质的热性能、冷却介质与冷套的接触面积、冷却介质的流速（压力），冷却介质的后续换热功能和恒温功能。
四、磁控溅射的靶材利用率问题。一般磁控靶的靶材利用率小于20%，经过特殊处理磁场的磁控溅射靶的靶材利用率可以达到40-50%左右。要想使靶材利用率进一步提高，只有采取垂直移动磁场的设计方案，即使如此，靶材利用率提高到75%以上仍然是相当困难的（特别对于矩形平面靶来说）。转动靶材的柱状靶虽然有较高的靶材利用率（大约80%左右），考虑到运行稳定性和冷却效率，常常也不能将其特点发挥到极限。所以说：增加靶结构的复杂程度来换取较高的靶材利用率，有一个得失评估的问题。
要想从根本上解决靶材利用率问题，可能还是要回到二极溅射模式，所以最近推出的离子束增强溅射引起人们的广泛重视。
六、离子辅助溅射工艺。离子辅助镀膜（Ion Assisted Deposition）技术比较明确的兴起缘于光学蒸镀工艺中，在镀制高质量光学薄膜时，一个重要的工艺参数就是基片温度，一般要求320-350℃，而且同炉基片温差小于±1-2℃，由于温度测量的不准确性（静止定点测温与运动基片实际温度的差异、测温元件与基片的非接触测量产生的差异等），同炉温度场的不均匀性，光学厚度监控技术引起的差异，种种原因使镀膜质量总是有较大的偏差。采用IAD技术后，膜层质量的一致性有了极大地改善。抛开最近采用的激光测厚技术来说，IAD技术几乎是精密光学镀膜必不可少的措施。
IAD技术取代或改善了温度场在成膜过程中的作用，关键的一个参数是：轰击离子/沉积原子比，实验证明：I/A比等于1-4时，膜层质量就很好。轰击离子的能量大约70eV左右。这一点可能通过温度场对于膜层生长的热力学模拟，得到更为准确的解释。在非平衡磁控溅射和中频交流磁控溅射都观察到并分析过与IAD相同的工艺过程。
IAD技术与离子镀（Ion Plating）技术不同，各自的物理模型不一样，不能将偏压溅射与IAD技术混同起来。成膜过程中伴随适当能量的离子轰击对增加膜层附着力、降低膜层内应力、改善膜层结构、保证膜层组分比、获得光滑的膜层表面都有明显的效果。但是这个过程应该是可控的。过度的离子轰击

反而会带来相反的效果，例如：沉积
粒子的再溅射、晶格缺陷或位错增加、内应力变异、结晶表面粗化、膜层组分偏离、邻近结构对基片表面的污染等。
所谓“脉冲偏压溅射”（有的报道称为“等离子体源的离子注入”Plasma Source Ion Implantation，PSII）到是另有一番新意，在基片上施加1-3kV 脉冲偏压，膜层质量得到改善。延伸下去，如果基片上施加10-30kV, 300ns幅宽的陡前沿快脉冲偏压，膜层质量又会如何？

综上所述，本文并不是要肯定什么或者否定什么，只是想提出一个问题：从工业应用的角度出发如何选择溅射镀膜的运行模式呢？在新世纪之初，溅射技术基础研究的讨论与实践应该引起同行间的重视了。
当前光通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高对DWDM系统的性能提出了空前严格的要求。在DWDM器件一连串的参数要求中，最重要的莫过于精确的中心波长、宽且平坦的带通、小而均匀的插损、相邻和非相邻通道间高的隔离度，以及比特率与数据格式透明。其中，滤光片的中心波长和带宽决定了允许光通信信号通过的工作波长及其偏差。通常，每个中心波长对应于ITU（International Telecommunication Union）标准通道中的一个，所谓的ITU通道可以被看成频域坐标上的一些格点，其原点位于193.1THz，两相邻格点之间的间隔为100GHz。对于通道间隔低于100GHz的器件来说，其中心波长频率则落在每两个相邻ITU标准通道之间的等分点上。
带通较宽的DWDM器件可使得由于发射机频率漂移和线宽展宽引起的信号透过率的变化减到最小，这样就允许激光器的波长选择或其他参数可存在一定的误差，这些误差往往是由激光器工作过程中温度变化以及长时间的使用引起的。带通一般是指在中心波长以下插损0.5dB范围所对应的带宽。对带通宽度的典型要求是达到信道间隔的40％～50％。DWDM器件的插损（Insertion Loss）是指光信号通过器件时每个信道的信号损失量。插损低，则减少了有用信号功率的损耗，增加了信号再生与放大前的最大传输距离。插损的大小通常取决于复用与解复用技术以及复用信道数量的多少。对于典型的由薄膜滤光片构筑的8通道、100GHz复用器件，其插损往往在4dB～5dB之间。
相邻（非相邻）通道隔离度是指一个通道信号渗漏到相邻两通道（其他非相邻通道）的平均功率。通道隔离度对DWDM器件来讲是个非常重要的问题，如果隔离度不够大，则基于不同工作原理的器件之间可能会产生干涉效应。信道隔离度高，可以消除信道间的串扰，继而减少网络的比特误码率（BER）。对两相邻通道来讲，典型的

隔离度要求是≥25dB；而非相邻通道隔离度往往要求≥35dB。

比特率与格式透明对DWDM器件来说也非常重要。这不仅仅是因为在不同的信道中存在不同的数据调制格式，而且通信网络必须具有可被升级到高比特率的能力，以适应数据通信容量的不断增加。







薄膜滤光片技术
DWDM器件可以有多种实现方式，其中以薄膜滤光片技术为基础的器件凭借其优良的特性而成为最具竞争力的选择之一。薄膜滤光片本身具有非常低的温度系数（< 0.002nm/℃），能够保证长期的稳定性，而且与偏振特性相关的各类损耗都很小，其中包括偏振相关损耗（PDL）、色散（CD）、偏振模色散（PMD）等。
基于薄膜滤光片的器件可广泛用于多信道复用与解复用器以及光分插复用器（OADM）。同时，薄膜滤光片除了可以导引和处理光信号，还被广泛地用于增益平坦、频带分割、C通道和L通道的分离、泵浦光的合波等。值得一提的是，在新近出现的CWDM和BWDM网络中，薄膜滤光片技术是迄今为止唯一有实用价值的选择。
一、利用薄膜滤光片进行波分复用
在利用薄膜滤光片构造的波分复用器件中，多层薄膜滤光片与微光学元件以及光纤尾纤组装在一起。该滤光片允许一个特定通道波长的光透过而反射其他波长的光。值得注意的是滤光片与自聚焦透镜装配时其光轴与自聚焦透镜的光轴成一很小的角度，这样可使反射光束被同一个自聚焦透镜重新聚焦在双光纤尾纤的第二根光纤而进入反射端传输。入射光纤与反射光纤之间的距离很小，透射光则经第二个自聚焦透镜聚焦进入对面的单光纤后传输。
由于DWDM器件的参数要求非常严格，特别是在考虑到中心波长和插损的指标以后，其所能承受的光学元件间的准直误差很小。要得到1dB以下的插损，尾纤与自聚焦透镜间的横向失配必须小于20μm，同时要求两者中心轴的角度失配必须小于0.02°。一般来说，多通道的复用和解复用器由一系列三端口的器件级联而成，每一个器件的反射端信号可作为下一个三端口器件的输入端信号。
在每个独立的三端口器件内都有一个滤光片，允许一个特定的DWDM通道的波长通过。每个三端口器件都必须按照严格的标准进行装配与测试。这种用标准组件级联方式来装配器件的方法减少了大量的高精密光学装配过程，提高了产量。反之，如果不采用这种级联组装方式，那么就可能仅仅是因为器件的某一部分损坏、两光学元件间轻微的装配误差，或者是使用了错误中心波长的滤光片，而造成整个多通道器件的失效。另外，这种级联组装方式在用于OADM或者

今后需要额外的通道时可以大大增加装配的灵活性与可升级性
，也有利于库存控制与产品的标准化。
尽管每一个光学面的损耗被努力降到最低，但是由于通道数量增加，级联的三端口器件还会增加额外的损耗。一个三端口器件典型的插损应小于0.5dB。级联时随着通道数量的增加损耗会成比例的增大，这是由于光学表面数量也在增加。而在级联序列中越靠后传输的通道会产生越大的损耗。为了克服这个缺点，通常将不同透过率的滤光片与特定的级联设计配合在一起以平衡不同通道中的信号强度，或者以某种方式在所有的通道中得到一致的插损。对一个8通道、100GHz的DWDM复用器件来说，每个通道的平均插损约为5dB。
二、薄膜滤光片的制备
薄膜滤光片的工作原理立足于基本的光干涉现象。透明介质薄膜沉积在基片表面，随着入射光波长的变化其光学性质也发生变化。当膜层厚度为1/4波长厚度时，干涉效应最强。具有高反射率的高低折射率膜层交替的1/4膜系是低损耗滤光片的基础。
高反射率膜系具有一定的带宽。在这带宽之外，由于相位的失配造成干涉减弱，透过率变得很高。另外，在1/4波堆中常常加入1/2膜层在界面形成反射镜从而形成谐振腔。
多谐振腔滤光片结构可应用于多通道DWDM器件，因为这种结构可以得到很窄的通带，并且损耗很低，曲线陡峭，而且可以通过增加1/4膜层对数以及灵活组合谐振腔层来设计薄膜滤波片。
薄膜滤光片通常的尺寸为1.5×1.5mm2，是从一个特殊的具有优良热学性质的基片上切割下来的。一般在基片上交替镀制高低两种折射率的光学材料，层数要求100层～200层。常用的低折射率膜层材料是SiO2，高折射率膜层材料是Ta2O5，这两种材料在通信波段内具有很好的热稳定性。而且二者还具有很高的折射率比值，这样有利于采用较少的高低膜层数来获得窄的带宽和低损耗指标。
作为制作通道很窄、曲线陡峭的滤光片的选择之一，人们对高低折射率交替的1/4膜层结构已有很长时间的认识。然而，没有先进的现代镀膜技术，针对DWDM应用的一系列前所未有的要求就难以实现。目前有三种沉积技术用于DWDM镀膜：离子束辅助沉积（IBAD）、等离子体辅助沉积（PAD）和离子束溅射（IBS）。它们都基于共同的工作原理：用离子束轰击成膜材料表面，在基片表面形成致密的薄膜。
高能粒子与目标分子之间的碰撞可以避免薄膜内缺陷的形成，缺陷的减少有几个优点：第一，薄膜密度增大，物理一致性很好，可提高产量。第二，避免因薄膜缺陷吸附水蒸气及其他分子，而导致薄

膜长时间稳定性变化。第三，从多次重复的薄膜沉积过程来看，折射率变得更
加稳定。当有能量辅助沉积时，SiO2和Ta2O5可产生致密的非晶微结构，从而获得表面非常光滑的薄膜。
三、薄膜技术的发展趋势
目前DWDM的信道数已扩展至40个通道以上，而通道间隔也已达到 50GHz以下。通道间隔的减小需要滤光片的透过率曲线非常陡峭以获得可接受的通道带宽。一个典型的50GHz滤光片通常需要镀制数百层的膜层来分隔单个波长。镀制如此多的膜层，容易造成局部薄膜厚度与密度波动产生的缺陷增加，从而降低了滤光片的合格率。针对这个问题的解决方式是将薄膜滤光片与一个交叉波分复用器（Interleaver）组合。Interleaver可将一束输入的多通道信号分离成互补的两束，一束包括奇数通道信号，另一束是偶数通道信号，使得通道之间的间隔变为原来的2倍。利用级联的Interleaver可实现更宽的通道分离。因为用现有的镀膜技术制备出的滤光片，其通道分离能力还无法达到Interleaver的水平，而且还存在稳定性差，产量低的问题。滤光片与Interleaver的组合不仅解决了通道间隔小于50GHz滤光片产量低的问题，而且减轻了由于级联架构的采用所导致的插损增加。这种插损的增加一方面来源于多个三端口器件的串联，此外还包括为了平衡各个通道的插损而对滤光片透过率所做的调整。
例如一路160通道的输入信号，首先被分解成C波段和L波段的两路信号。其中每路包括80个通道，通道间隔为50GHz。然后这两路信号分别通过2个50GHz的Interleaver，每路信号被分离成2路分别包含40个通道的信号列，信道间隔为100GHz。这4路信号又通过4个100GHz的Interleaver，分为8路20个通道的信号，每路信道间隔为200GHz。第一个10通道信号被一个10通道200GHz滤光片模块解复用；余下的10个通道信号则通过该200GHz滤光片模块的一个升级端口，最终被第二个10通道的200GHz滤光片模块解复用。