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光学薄膜
光学薄膜技术
1、薄膜应力研究的重要性光学多层膜系统已经广泛的应用于微电子系统，光学系统等，而由于薄膜应力的存在，对系统的功能与可靠性产生很大的影响，它不仅会直接导致薄膜的龟裂、脱落，使薄膜损坏，而且会作用基体，使基体发生形变，从而使通过薄膜元件的光波
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等离子体状态对薄膜微结构的影响注：
本文使用PECVD方法在电阻率为4～7cm的n型Si（100）衬底上沉积SiC薄膜，实验装置为一内径为50mm的水平石英管，外置加热炉及13.56MHz的射频源。
衬底经过甲苯、丙酮、乙醇的超声波清洗后经10min的氢等离子体蚀刻。
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光学薄膜技术:
1、薄膜应力研究的重要性
光学多层膜系统已经广泛的应用于微电子系统，光学系统等，而由于薄膜应力的存在，对系统的功能与可靠性产生很大的影响，它不仅会直接导致薄膜的龟裂、脱落，使薄膜损坏，而且会作用基体，使基体发生形变，从而使通过薄膜元件的光波前发生畸变，影响传输特性。
更重要的是，薄膜在激光辐照下，由于应力的存在，加速了薄膜内热力耦合作用，是其破坏的敏感因素，因此很有必要研究光学多层膜系统中的残余应力，并设法控制其发展。
2、薄膜应力的成因
薄膜应力主要包括热应力与生长应力：
热应力是当薄膜从沉积温度冷却到室温的过程中，由于薄膜与基底的热膨胀系数不同引起的；生长应力存在于所有镀膜方法（如真空蒸发、阴极溅射或气相沉积）制作的薄膜中，其最大值可达109N/m2。
它的大小与由薄膜和基底材料以及制备工艺条件有关。
3、光学薄膜缺陷的特点
薄膜缺陷的研究大约从1970开始，刚开始薄膜缺陷被表征为薄膜表面特征，认为是一种典型的粗糙度，在一些文献中薄膜缺陷被描述为节瘤。
Guenther首先对光学薄膜缺陷进行研究，他指出节瘤是在镀膜过程中对外部干扰颗粒形状相似复制而形成的；现在薄膜缺陷越来越引起人们的重视，很多文献建立了薄膜节瘤缺陷模型，其中Lettsl第一次提出了节瘤缺陷形成的经验模型，另外，Kardar提出了一种薄膜生长的非线性连续模型，Tren通过对HfO2/SiO2多层膜缺陷一系列的研究，认为当节瘤颗粒非常小时，节瘤生长模型是无效的，但是同时认为当节瘤颗粒非常大时，由于屏蔽效应会产生更加复杂的缺陷结构。
薄膜缺陷类型很多，按照缺陷的性质，可以分为杂质缺陷、电致缺陷、结构缺陷、化学缺陷、力学缺陷以及热缺陷等等；按照缺陷的形貌来分，大致有结瘤缺陷、陷穴缺陷、条状缺陷及其它形状不规则的复杂缺陷。
一般来说，缺陷的类型、密度、大小随膜层材料，沉积工艺以及表面清洁度的不同而不同。
对激光薄膜来说，根据实验观察，主要有节瘤与陷穴缺陷。
基本薄膜材料
名称：
钇（Y）
三氧化二钇，（Y2O3）使用电子枪蒸镀，该材料性能随膜厚而变化，在500nm时折射率约为1.8.用作铝保护膜其极受欢迎,特别相对于800—12000nm区域高入射角而言,可用作眼镜保护膜,且24小时暴露于湿气中.一般为颗粒状和片状.
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
蒸气成分
250--8000
1．79
2300--2500
电子枪
防反膜，铝保护膜
名称：
二氧化铈（CeO2）
使用高密度的钨舟皿（较早使用）蒸发,在200℃的基板上蒸着二氧化铈,得到一个约为2.2的折射率,在大约3000nm有一吸收带其折射率随基板温度的变化而发生显著变化,在300℃基板500nm区域折射率为2.45,在波长短过400nm时有吸收,传统方法蒸发缺乏紧密性,用氧离子助镀可取得n=2.35（500nm）的低吸收性薄膜,一般为颗粒状,还可用一增透膜和滤光片等.
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
400--16000
2.35
约2000
电子枪
防反膜，
多
名称：
氧化镁（MgO）
必须使用电子枪蒸发因该材料升华,坚硬耐久且有良好的紫外线（UV）穿透性,250nm时n=1.86,190nm时n=2.06.166nm时K值为0.1,n=2.65.可用作紫外线薄膜材料.MGO/MGF2膜堆从200nm---400nm区域透过性良好,但膜层被限制在60层以内（由于膜应力）500nm时环境基板上得到n=1.70.由于大气CO2的干扰,MGO暴露表面形成一模糊的浅蓝的散射表层,可成功使用传统的MHL折射率3层AR膜（MgO/CeO2/MgF2）.
名称：
硫化锌（ZnS）
折射率为2.35,400—13000nm的透光范围,具有良好的应力和良好的环境耐久性,ZnS在高温蒸着时极易升华,这样在需要的膜层附着之前它先在基板上形成一无吸附性膜层,因此需要彻底清炉,并且在最高温度下烘干,花数小时才能把锌的不良效果消除.HASS等人称紫外线（UV）对ZNS有较大的影响,由于紫外线在大气中导致15—20nm厚的硫化锌膜层完全转变成氧化锌（ZNO）.
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
方式
400--14000
2.35
1000--1100
电子枪,钽钼舟
防反膜，
升华
应有:
分光膜,冷光膜,装饰膜,滤光片,高反膜,红外膜.
名称:
二氧化钛（TIO2）
TIO2由于它的高折射率和相对坚固性,人们喜欢把这种高折射率材料用于可见光和近红外线区域,但是它本身又难以得到一个稳定的结果.TIO2,TI2O3.TIO,TI,这些原材料氧—钛原子的模拟比率分别为:
2.0,1.67,1.5,1.0,0.后发现比率为1.67的材料比较稳定并且大约在550nm生成一个重复性折射率为2.21的坚固的膜层,比率为2的材料第一层产生一个大约2.06的折射率,后面的膜层折射率接近于2.21.比率为1.0的材料需要7个膜层将折射率2.38降到2.21.这几种膜料都无吸收性,几乎每一个TIO2蒸着遵循一个原则:
在可使用的光谱区内取得可以忽略的吸收性,这样可以降低氧气压力的限制以及温度和蒸着速度的限制.TIO2需要使用IAD助镀,氧气输入口在挡板下面.
TI3O5比其它类型的氧化物贵一些,可是很多人认为这种材料不稳定性的风险要小一些,PULKER等人指出,最后的折射率与无吸收性是随着氧气压力和蒸着温度而改变的,基板温度高则得到高的折射率.例如,基板板温度为400℃时在550纳米波长得到的折射率为2.63,可是由于别的原因,高温蒸着通常是不受欢迎的,而离子助镀已成为一个普遍采用的方法其在低温甚至在室温时就可以得到比较高的折射,通常需要提供足够的氧气以避免（因为有吸收则降低透过率）,但是可能也需要降低吸收而增大镭射损坏临界值（LDT）.TIO2的折射率与真空度和蒸发速度有很大的关系,但是经过充分预熔和IAD助镀可以解决这一难题,所以在可见光和近红外线光谱中,TIO2很受到人们的欢迎.
在IAD助镀TIO2时,使用屏蔽栅式离子源蒸发则需要200EV,而用无屏蔽栅式离子源蒸发时则需要333EV或者更少一些,在那里平均能量估计大约是驱动电压的60%,如果离子能量超过以上数值,TIO2将有吸收.而SIO2有电子枪蒸发可以提供600EV碰撞（离子辐射）能量而没有什么不良效应.
TIO2/SIO2制程中都使用300EV的驱动电压,目的是在两种材料中都使用无栅极离子源,这样避免每一层都改变驱动电压,驱动电压高低的选择取决于TIO2所允许的范围,而蒸着速度的高低取决于完全致密且无吸收膜所允许之范围.
TIO2用于防反膜,分光膜,冷光膜,滤光片,高反膜,眼镜膜,热反射镜等,黑色颗粒状和白色片状,熔点:
1175℃
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
400--12000
2.35
2000-2200
电子枪,
防反膜，增透
多
TIO2用于防反膜,装饰膜,滤光片,高反膜
TI2O3用于防反膜滤光片高反膜眼镜膜
名称:
氟化钍（ThF4）
260—12000nm以上的光谱区域，是一种优秀的低折射率材料，然而存在放射性，在可视光谱区N从1.52降到1.38（1000nm区域）在短波长趋近于1.6,蒸发温度比MGF2低一些,通常使用带有凹罩的舟皿以免THF4良性颗粒火星飞溅出去,而且形成的薄膜似乎比MGF2薄膜更加坚固.该膜在IR光谱区300NM小水带几乎没有吸收,这意味着有望得到一个低的光谱移位以及更大的整体坚固性,在8000到12000NM完全没有材料可以替代.
名称:
二氧化硅（SIO2）
经验告诉我们,,氧离子助镀（IAD）SIO将是SIO2薄膜可再现性问题的一个解决方法,并且能在生产环境中以一个可以接受的高速度蒸着薄膜.
SIO2薄膜如果压力过大,薄膜将有气孔并且易碎,相反压力过低薄膜将有吸收并且折射率变大,,需要充分提供高能离子或氧离子以便得到合乎需要的速度和特性,必要是需要氧气和氩气混合充气,但是这是热镀的情况,冷镀时这种性况不存在.
SIO2用于防反膜,冷光膜,滤光片,绝缘膜,眼镜膜,紫外膜.
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
200--2000
1.46
1800-2200
电子枪,
防反膜，增透
少,升华
无色颗粒状,折射率稳定,放气量少,和OS-10等高折射率材料组合制备截止膜,滤光片等.
名称:
一氧化硅（SIO）
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
600--8000
1.55at550nm
1.8at1000nm
1.6at7000nm
1200-1600
电子枪,
钽钼舟
冷光膜
装饰膜
保护膜
升华
制程特性:
棕褐色粉状或细块状.
熔点较低,可用钼舟或钛舟蒸发,但需要加盖舟因为此种材料受热直接升华.
使用电子枪加热时不能将电子束直接打在材料上而采用间接加热法.
制备塑料镜片时,一般第一层是SIO,可以增加膜的附着力.
名称:
OH-5（TIO2+ZrO2）
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
300--8000
2.1
约2400
电子枪,
增透
一般
蒸气成分为:
ZRO,O2,TIO,TIO2
呈褐色块状或柱状
尼康公司开发之专门加TS--ェート系列抗反射材料,折射率受真空度,蒸发速率,氧气压力的影响很大,蒸镀时不加氧或加氧不充分时,制备薄膜会产生吸收现象,但是我们在实际应用时没有加氧也比较好用.
名称:
二氧化镐（ZrO2）
ZrO2具有坚硬,结实及不均匀之特性,该薄膜有是需要烘干以便除去它的吸收,其材料的纯度及为重要,纯度不够薄膜通常缺乏整体致密性,它得益于适当使用IAD来增大它的折射率到疏松值以便克服它的不均匀性.目前纯度达到99.99%基本上解决了以上的问题.SAINTY等人成功地使用ZRO2作为铝膜和银膜的保护膜,该膜层（指ZRO2）是在室温基板上使用700EV氩离子助镀而得到的.一般为白色柱状或块状,蒸发分子为ZRO,O2.
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
320-7000
2.05
2.0AT2000
约2500
电子枪,
增透,加硬膜
眼镜膜保护膜
一般
制程特性:
白色颗粒,柱状,或块状,粉状材料使用钨舟或钼舟.颗粒状,粉状材料排杂气量较多,柱状或块状较少.
真空度小于2*10-5Torr条件下蒸发可得到较稳定的折射率，真空度大于5*10-5Torr时蒸发，薄膜折射率逐渐变小。
蒸镀时加入一定压力的氧气可以改善其材料之不均匀性。
名称:
氟化镁（MgF2）
MGF2作为1/4波厚抗反射膜普遍使用来作玻璃光学薄膜，它难以或者相对难以溶解，而且有大约120NM真实紫外线到大约7000nm的中部红外线区域里透过性能良好。
OLSEN，MCBRIDE等人指出从至少200NM到6000NM的区域里，2.75MM厚的单晶体MGF2是透明的,接着波长越长吸收性开始增大,在10000NM透过率降到大约2%,虽然在8000—12000NM区域作为厚膜具有较大的吸收性,但是可以在其顶部合用一薄膜作为保护层.
不使用IAD助镀,其膜的硬度,耐久性及密度随基板的温度的改变而改变的.在室温中蒸镀,MGF2膜层通常被手指擦伤,具有比较高的湿度变化.在真空中大约N=1.32,堆积密度82%,使用300（℃）蒸镀,其堆积密度将达到98%,N=1.39它的膜层能通过消除装置的擦伤测试并且温度变化低,在室温与300（℃）之间,折射率与密度的变化几乎成正比例的.
在玻璃上冷镀MGF2加以IAD助镀可以得到300（℃）同等的薄膜,但是125—150EV能量蒸镀可是最适合的.在塑料上使用IAD蒸镀几乎强制获得合理的附着力与硬度.经验是MGF2不能与离子碰撞过于剧烈.
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
2000-7000
1.38
1.35AT200
约1100
电子枪,
钼钽钨舟
增透,加硬膜
眼镜膜
少,MGF2
（MGF2）2
制程特性:
折射率稳定,真空度和速率对其变化影响小
预熔不充分或蒸发电流过大易产生飞溅,造成镜片”木”不良.在打开档板后蒸发电流不要随意加减,易飞溅.基片须加热到高的张应力
白色颗粒状,常用于抗反射膜,易吸潮.购买时应考虑其纯度.
名称:
三氧化二铝（AL2O3）
普遍用于中间材料,该材料有很好的堆积密度并且在200—7000NM区域的透明带,该制程是否需要加氧气以试验分析来确定,提高基板温度可提高其折射率,在镀膜程式不可理更改情况下,以调整蒸发速率和真空度来提高其折射率.
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
200-7000
1.63
2050
电子枪,
增透,保护膜
眼镜膜
一般,AL,O,
O2,ALO,AL2O,（ALO）2
制程特性:
白色颗粒状或块状,结晶颗粒状等.
非结晶状材料杂气排放量高,结晶状材料相对较少.
折射率受蒸着真空度和蒸发速率影响较大,真空不好即速率低则膜折射率变低;真空度好蒸发速率较快时,膜折射率相对增大,接近1.62
AL2O3蒸发时会产生少量的AL分子造成膜吸收现象,加入适当的O2时,可避免其吸收产生.但是加氧气要注意不要影响到它的蒸发速率否则改变了它的折射率.
名称:
OS-10（TIO2+ZrO2）
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
250-7000
2.3
2050
电子枪,
增透,滤光片,截止膜
一般,
制程特性:
棕褐色颗粒状.
杂气排放较大,预熔不充分或真空度小于5*10-5Torr时蒸发,其折射率会比2.3小,帮必须充分预熔且蒸发真空度希望大于上述这数值.蒸发此种材料时宜控制衡定的蒸发速率,材料可添加重复使用,为减少杂气排放量,尽量避免全数使用新材料.
蒸气中的TI和TIO和O2反应生成TIO2
常用于制备抗反射膜和SIO2叠加制备各种规格的截止膜系和滤光片等.
名称:
锗（Ge）
稀有金属,无毒无放射性,主要用于半导体工业,塑料工业,红外光学器件,航天工业,光纤通讯等.透光范围2000NM---14000NM,n=4甚至更大,937（℃）时熔化并且在电子枪中形成一种液体,然后在1400（℃）轻易蒸发.用电子枪蒸发时它的密度比整体堆积密度低,而用离子助镀或者镭射蒸镀可以得到接近于松散密度.在锗基板上与THF4制备几十层的8000---12000NM带通滤光片,如果容室温度太高吸收将有重大变化,在240--280（℃）范围内,在从非晶体到晶体转变的过程中GE有一个临界点.
名称:
锗化锌（ZnGe）
疏散的锗化锌具有一个比其相对较高的折射率,在500NM时N=2.6,在可见光谱区以及12000—14000NM区域具有较少的吸收性并且疏散的锗化锌没有其材质那么硬.使用钽舟将其蒸发到150摄氏度的基板上制备SI/ZnGe及ZnGe/LaF3膜层试图获到长波长IR渐低折射率的光学滤镜.
名称:
氧化铪（HfO2）
在150摄氏度的基板上有用电子枪蒸着,折射率在2.0左右,用氧离子助镀可能取和得2.05—2.1稳定的折射率,在8000—12000NM区HFO2用作铝保护膜外层好过SIO2
透光范围（nm）
折射率（N）
550nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
230-7000
2.0
2350
电子枪,
增透,高反膜
紫外膜
少
无色圆盘状或灰色颗粒状和片状.
名称:
碲化铅（PbTe）
是一种具有高折射率的IR材料，作为薄膜材料在3800---40000NM是透明的，在红外区N=5.1—5.5，该材料升华,基板板温度250摄氏度是有益的,健康预防是必要的,在高达40000NM时使用效果很好,别的材料常常用在超过普通的14000NM红外线边缘.
名称:
铝氟化物（ALF3）
可以在钼中升华，在190—1000NM区域有透过性，N=1.38,有些人声称已用在EXIMER激光镜,它无吸收性,在250—1000NM区域透过性良好.ALF3是冰晶石,是NaALF4的一个组成部分,且多年来一直在使用,但是在未加以保护层时其耐久性还未为人知.
名称:
铈（Ce）氟化物
Hass等人研究GeF3，他们使用高密度的钨舟蒸发发现在500NM时N=1.63,并且机械强度和化学强度令人满意,他们指出在234NM和248NM的吸收最大,而在波长大过300NM时吸收可以忽略.FUJIWARA用钼舟蒸发CEF3和CEO2混合物,得到一个1.60---2.13的合乎需要的具有合理重复性的折射率,他指出该材料的机械强度和化学强度都令人满意.
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
300-5000
1.63
约1500
电子枪,
钼钽钨舟
增透,
眼镜
少
名称:
氟化钙（CaF2）
CaF2是Heavens提出来的，它可以在10-4以上的压力下蒸发获得一个约为1。
23---1。
28的折射率。
可是他说最终的膜层不那么令人满意，在室温下蒸着氟化钙其堆积密度大约为0.57,这与Ennos给出的疏散折射率1.435相吻合,这说明该材料不耐用并容易随温度变化而变化.原有的高拉应力随膜厚增大而降低,膜厚增大导致大量的可见光散射.可以用钨钽舟钼舟蒸发而且会升华,在红外线中其穿透性超过12000nm,它没有完全的致密性似乎是目前其利用受到限制的原因,随着IAD蒸着氟化物条件的改善这种材料的使用前景更为广阔.
名称:
氟化钡（BaF2）
与氟化钙具有相似的物理特性,在室温下蒸镀氟化钡,使用较低的蒸着速度时材料的堆积密度为0.66,并且密度变化与蒸着速度增大几乎成正比,在速度为20NM/S堆积密度高达0.83,它的局限性又是它缺乏完全致密性.透过性在高温时移到更长的波长,所以目前它只能用在红外膜.
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
250-15000
1.48
约1500
电子枪,
钼钽钨舟
红外膜
少
名称:
氟化铅（PbF2）
氟化铅在UV中可用作高折射率材料,在300nm时N=1.998,该材料与钼钽,钨舟接触时折射率将降低,因此需要用铂或陶瓷皿.Ennos指出氟化铅具有相对较低的应力,开始是压力,随着膜厚度的增加张力明显增大,但这与蒸着速度无关.
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
250-17000
1.75
700--1000
电子枪,
铂舟,坩锅
红外膜
少
名称:
铬（Cr）
铬有时用在分光镜上并且通常用作”胶质层”来增强附着力,胶质层可能在5—50NM的范围内,但在铝镜膜导下面,30NM是增强附着力的有效值.颗粒状可用钨舟蒸发而块状宜用电子枪来蒸发,该材料升华,但是表面氧化物可以防止它蒸发/升华,可以全用铬电镀钨丝.可以用铬作为胶质层对金镜化合物进行韧性处理,也可在塑料上使用铬作为胶质层.也可使用一个螺旋状的钨丝蒸发.它应该是所有材料中具有最高拉应力的材料.
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
1.5
1300--1400
电子枪,
铂舟,钨舟
吸收膜分光膜导电膜加硬膜
名称:
铝（AL）
不管是装饰膜还是专业膜都是普遍用于蒸发/溅镀镜膜,常用钨丝来蒸发铝丝,在紫外域中它是普通金属中反射性能最好的一种,在红外域中不用Cu,Ag,Au.铝原先有一个比较高的拉应力,在不透明厚度时,该拉应力降低到一个小的压应力,并且蒸着以后拉应力进一步降低.其膜的有效厚度为50NM以上.
名称:
银（Ag）
如果蒸着速度足够快并且基板温度不很高时,银和铝一样具有良好的反射性,这是在高速低温下大量集结的结果,这一集结同时导致更大的吸收.银通常不浸湿钨丝,但是往往形成具有高表面张力的液滴,它可以用一高紧密性的螺旋式钨丝来蒸发,从而避免液滴下掉.有人先在一个V型钨丝上绕几圈铂丝接着绕上银丝,银丝可以浸湿铂丝但没有浸湿钨丝.
名称:
金（Au）
金在红外线1000nm波长以上是已知材料中具有最高反射性的材料,作为一种贵重金属,它具有较强的化学坚硬性,由于它的可塑性因而抗擦伤性能低,AU可用钨或氮化硼舟皿或者电子枪来蒸发（不能与铂舟蒸发,它与铂很快合金）.金对玻璃表面的附着力低,因而通常使用一层铬作为胶质层.也可用氧离子助镀使金的附着力得到上百倍的改善,在不透明性达到即中止IAD,并且最后的薄膜中不含有氧,掺氧将降低薄膜的反射率.
名称:
铟---锡氧化物和导电材料
铟—锡氧化物（ITO）和In3O5—SnO2有相对良好的导电性能和可见光穿性.这样的薄膜在数据显示屏和抗热防霜装置等方面已有很大原需求.在建筑上可用作择光窗和可控穿透窗.ITOn=1.85at500nm熔化温度约1450摄氏度.
名称:
H1
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
360--7000
2.1
2200-2400
电子枪,
增透,眼镜膜
少
名称:
H2
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
400-5000
2.1
2200
电子枪,
增透,眼镜膜
少
名称:
H4
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
360--7000
2.1
2200-2400
电子枪,
增透,眼镜膜滤光片
少
名称:
M1
透光范围（nm）
折射率（N）
500nm
蒸发温度（℃）
蒸发源
应用
杂气排放量
30
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