（光学专业论文）介质薄膜膜基体系力学光学特性研究.pdf

介质薄膜膜基体系力学光学特性研究 研究擞部：王成 糍导教撵：钱龙生 摘要 薄膜在光学领域帮睾器体领域中静演豹角色舀盏纛妥，因诧对薄膜静质量掇 出了更高的翳求。研究薄膜应力对薄膜性能的影响，特别是d w d m 亚纳米带宽 黝譬带滤光片巾的薄膜应力作月，能够从掇本上提窝薄膜性能，使超窄带滤光片 的翎作成为可能。 本文系统地分析了薄膜的形成过程、应力模型和殿力对薄膜成核的影响，薄 貘应力和热处理对介质薄骥必谱的影响：总结了薄麟成为的测量方法。 通过理论分析和实验研究得出如下络论：应力律箱下，多层薄膜不均匀的朦 厚变化是薄膜光谱退化的主要原因；基片的弯曲导致光线入射角度产生偏差，此 角度偏差使波长测量不准，援损增加；热处理可以使分质薄骥应力减小，在热处 理能量低予弧稳态薄膜酶激滔能时只膏热应力改交，波长变化量与热处理温度成 线性关系，热处理能量较高时，热应力和本征应力同时改变，进而波长的改变姆 中，将溅量蠢法进行了分熬，给出了备测置方法的优缺点。 关键词；光学薄膜威力光谱退化热处理应力测量 捕要 s t u d yo fm e c h a n i c a la n do p t i c a lc h a r a c t e r i s t i ci n f i l m s u b s t r a t es y s t e mf o fd i e l e c t r i ct h i n 鬟l 门 m a s t e rd e p a r t m e n t ：w a n g c h e n g d i r e c t e db y ：q i a nt o n g s h e n g a b s t r a c t f i l mi sp l a y i n ga 娃i n c r e a s i n gi m p o r t a n tr o l ei no p t i c sf i e l da n ds e m i c o n d u c t o rf i e l d 。 t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ff i l m s t u d yt h ee f f e c to ft h ef i l m s t r e s so nf i l m ，e s p e c i a l l yo ns u b - n a n o m e t e rn a r r o wb a n d w i d t h 矗l t e r ，c o u l di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f f i l mt oa g r e a t e x t e n ta n dm a k ei tp o s s i b l et op r o d u c es u p e rn a r r o w b a n d w i d t hf i l t e r i ti ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o nt h a tt h ef o r m a t i o np r o c e s so ff i l m ，t h e m o d e lo ff i l ms t r e s s ，t h ee f f e c to ff i l ms t r e s so nt h ef o r m a t i o np r o c e s so ff i l m n u c l e a t i o n ，t h ee f f e c to ff i l ms t r e s sa n dh e a tt r e a t m e n to nt h es p e c t r t t mo fd i e l e c t r i c f i l ma n dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do f f i l ms t r e s s i ti sc o n c l u d e dt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tt h a tt h eu n u n i f o r m i t yo ff i l m t h i c k n e s so f m u l t i l a y e rf i l mi st h em a i nc a u s eo f t h ed e g e n e r a t i o no f f i l ms p e c t r u mo n t h es t r e s s ；t h es u 5 s t r a t eb e n di n d u c e dt h ed e v i a t i o no fi n c i d e n c ea n g l et h a tc a u s et h e i n a c c u r a c yo fw a v e l e n g t hm e a s u r e m e n ta n di n c r e a s et h ei n s e r tl o s s ；h e a tt r e a t m e n t c a nd e c r e a s ed i e l e c t r i cf i l ms 吨s s w h e nt h eh e a tt r e a t m e n te n e r g yi sl e s st h a nt h e e x c i t a t i o ne n e r g yo fm e t a s t a b l ef i l mo n l yt h et h e r m a ls t r e s sw h i c hr e s u l ti nal i n e a r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a n g eq u a n t i t yo fw a v e l e n g t ha n dt h eh e a tt e m p e r a t u r ei s c h a n g e d ，o nt h ec o n t r a r y , w h e nt h eh e a tt r e a t m e n te n e r g yi sh i g h e rt h a to n e ，b o t h v 介质薄膜膜基体系的力学光学特性研射王成 t h e r m a la n di n t r i n s i cs t r e s sa r ec h a n g e da n dt h ec h a n g eo fw a v e l e n g t hi sr e l a t e dt o t i m e ；h e a tt r e a t m e n ti st h ec o n t r a r yp r o c e s so ft h er e d u c t i o no fs u b s t r a t et h i c k n e s s ， p r o p e rh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ec a nr e c o v e rt h es p e c t r u mp e r f o r m a n c eb u tt o oh i g h t e m p e r a t u r ec a r tr e s u l ti nt h es p e c t r u md e g e n e r a t i o nw h i c hi sa l s ot h er e s u l to ff i l m t h i c k n e s si n c r e a s e su n e v e n l y , t h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i cf o r m u l aa n dr e l a t i o nw h i c h d e t e r m i n et h ep r o p e rp r e p a r a t i o np a r a m e t e rw h i c hc a nd e c r e a s ef i l ms t r e s sa r eg i v e n ； i ti sc o n s i d e r e dt h a th e a tt r e a t m e n ti so n eo ft h ep r i m a r ym e t h o d st o ，d e c r e a s ef i l m s t r e s s t h em e a s u r e m e n tm e t h o d so ff i l ms t r e s sa r ec l a s s i f i e da n dt h em e r i ta n dt h e s h o r t c o m i n go f t h e s em e t h o d sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d ：o p t i c a lf i l m ，s t r e s s ，s p e c t r u md e g e n e r a t i o n ，h e a tt r e a t m e n t ，s t r e s s m e a l l r e n l e n t v i 套瑷薄膜膜基搏系鳇力学光学特性研静麓戏 图表目录 液1 1d w d m 滤光片的主要性能要求3 豳1 1 介质薄膜滤波器型w d m 器件3 瓣1 ，2 瑗璃鏊抟主应力产生懿貘麓剥蹇5 黼1 3 半导体薄膜应力引起的必效6 图2 1 薄膜生长的模式9 图2 2 薄膜形榱核心示意图1 1 翻2 3 薄膜产擞拉馋应力的分辑模墅1 6 豳2 4 薄骥每静藏力诗箕2 e 阔3 1 多层膜艨片的结构图2 5 圈3 3 归一化薄膜光学厚度一3 1 圈3 5 测量装置阁。3 4 袭3 。l1 0 0 g i - i z 漶毙冀藏薄实羧数据3 4 袋3 22 0 0 g h z 滤光片减薄实验数据3 5 液3 3 减薄前尉计算的r 值3 5 袋3 , 4 减薄前麟计算韵应力值3 5 黼3 6 1 0 0 g h z 中心位置两次躐簿后与甄光谱的比较3 6 黧3 。7 1 0 0 g h z 溅孛心诬萋8 m m 处嚣次减薄嚣鸯嚣光谱薛毙较3 6 圈3 8 2 0 0 g h z 中心位置两次减薄后与原光谱的比较3 7 圈3 92 0 0 g h z 距中心位置8 m m 处两次减薄艏与原光谱的比较3 7 图3 + 1 0 球面的搬标系和任意点的光线入射凫烬意图3 9 掰3 ，1 1 筵铑兹嫩凝系秘毙线入瓣焦示意嚣4 0 豳3 1 2 测量辩使用的光路结构4 4 阁3 1 3 透镜效殿的耦合损耗4 s 圈3 1 4r = r 2 的透镜效应耦合模拟结果4 5 翻3 1 5 透射光游溅量装置图。4 6 袋3 54 5 4 入射角峰值下5 d b 楚波长篷窝漳馕插援篷孵 躁3 1 6 反射光谱测量装置图4 7 圈3 1 7 距中心不问位置的反射光谱4 8 蹦3 1 8 极坐标累靼薄膜力矩4 9 烫3 。1 9 套基冀撵箍麴坐标移咒- 9 5 l 黼3 2 0 大圆形萋片应力的有限凭分析结果 图3 2 1 小基片上应力分布有限无分析结果。 6 0 6 2 豳3 2 2 平面光在应力的透明材料中传播6 4 潮3 ，2 3 实验骧璞黧6 6 鬻3 2 4 样晶不瓣角度下等颓线照片鹞 圈3 2 5 主应力逾线描绘6 9 圈3 2 6 应力形成轴向渐变透镜的耦合模拟图( r 2 无穷大，d 一1 m m ) 7 1 嚣豪 豳3 2 7 应力形成轴向渐变透镜的耦合模拟图( r 2 = r ，d = l m m ) 7 1 图4 1 在不同保温时间下波长变化量与热处理温度的关系7 6 蹦4 2k 9 基片上单层t a z 0 5 薄膜反射率随其折射率的变化7 9 嚣4 。3 楚理翦燕斡光谱透过魏线一8 1 圈4 4 温度决寇的t a z 0 5 的折射率色散曲线。8 2 袭4 1t a 2 0 5 处璇后薄膜物理厚度和表面粗糙滕厚度8 2 圈4 5 应力减少2 0 0 m p a 后的备层归一化光学厚度8 4 阕4 6 设计豹脚疲力减少2 0 0 m p a 后懿模拟光谱莛线。，8 4 强4 。7 孛心位鬟各种娃理后毙港麴线8 5 圈4 8 距中心8 r a m 位置各种处理后光谱曲线8 6 圈4 9 切割前的光谱曲线8 6 陶4 1 0 切割后的光谱曲线8 7 滔4 。1 l 经3 0 0 2 0 劳锋热签壤嫠静光谱s 7 圈5 1 解析攘溅确定的薄膜匿缩应力与离予能蟹的关系9 0 图6 1 相移式t w y m a n g r e e n 干涉仪9 3 凋6 2 薄膜应力测试装置结构示意图9 4 强6 3 测试装震麓化光路强 瓣6 4 弯基涮爨装置圈粥 黼6 5 晶格变化的应力测量原蠼图9 7 黼6 6x 射线测避薄膜应力的原理图9 9 x l 奔甓薄膜貘基体系韵力学光学特性研究，点残 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版 本、电子版本的珏何单位和个人，均不得对本论文的全部或韶分 内容进行任何形式的复制、修改、发行、漱租、改编等有碍作者 著作权的商业性使用( 但纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权 的法律责任。 l 娃 长春光学精密机械与物理研究所 博士学位论文原刨性声明 本人郑重声鹃：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发衰或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以龋 臻方式标明：本文完全意识到本声明的法簿结粜由本 人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 5 年月匿 第一章概述 第一章概述 1 1 薄膜研究概述 薄膜在现代科学技术中的重要性与日剧增。可以毫不夸张地说，各种科学技 术都离不开薄膜，而且也没有一种别的技术可以取代薄膜。薄膜可分为四大部分 1 , 2 1 ，第一部分是光学薄膜；第二部分是波导及其相应器件；第三部分是半导体 薄膜及其相应器件；第四部分是保护性薄膜，如磁记录薄膜等。就一般情况而言， 这些材料和结构都是在非平衡态下通过薄膜生长而获得的。因此，薄膜科学逐渐 成为一门研究薄膜制备技术、生长机理、控制方法和物性分析的科学附】。经过 近2 0 年的发展，薄膜科学已经包含了极其丰富的内容。 2 0 世纪末在信息高速公路的构想下，信息的需求呈现了前所未有的发展趋 势。信息技术向着宽频带，高速度，高可靠性的先进综合通信网络发展，信息高 速公路的实现依赖于光纤通信技术的发展。薄膜光学技术在目前光通信中起着重 要的作用，在改进器件功能，改进光链路的耦合效率，功能薄膜器件，如干涉滤 光片型w d m 器件在某些系统中起着关键性的作用。对于d w d m 系统需求的窄 带滤光片，科研人员在设计和产业化方面进行了广泛的研究m 3 1 。 薄膜光学是研究光在分层介质中传播规律的- - n 科学，它主要研究光在分层 介质中传播时的分光透射特性、反射特性、吸收特性以及光的偏振状态和相位变 化等等【”j 。提高光学薄膜质量，是薄膜技术领域的一个重要课题。用传统真 空热蒸发技术，制备的薄膜聚集密度不够高，具有明显的柱状结构，致使膜层对 工作环境敏感，物理性能不稳定【1 6 1 7 】。离子辅助镀( i a d ) t 1 8 2 1 】和离子溅射沉积 ( i b s d ) 口”副这两种技术，是利用离子以改善材料的淀积条件。由于外来离子对凝 聚中粒子的动量传递，使得凝聚粒子的迁移性增加。使薄膜能得到高聚集密度， 改善了薄膜的光学特性。在其提供能量、溅射、成核、扩散、离子注入及加热等 综合效应下，膜层的物理性质得到明显的改善，如附着力、填充密度、表面粗糙 度和结晶状态等阱”j 。 为了扩大光通信的容量，人们在光网络中引入了d w d m 技术，而薄膜干涉 滤光片技术是d w d m 中比较有前途的技术之一。但滤光片是用亚纳米量级的带 宽处理多信道的信号，这对滤光片的稳定性和精确性的要求是苛刻的，对薄膜技 术提出了挑战。 套囊薄膜骥基体系靛办学光学特性研究燃：成 1 。2 介质薄膜在光通储中的应用 信惠商遮公路戆实现菝赖于先纾通搂技零的发震。在这个技术发震熬过稷 中，推动了巍邀子技术静器个方匿的发鼷，如光纤割遗技术，半警体激光器，光 纤放大器，光无源器件。薄膜光学技术猩目前光通信中起着重要的作用，在改谶 器件功能，改进光链路的耦台效率，功能薄膜器件，如干涉滤光片溅w d m 器件 农某些系统中超关键性的像熙唧j 。 竞绥系统逐象毫子线爨系统一襻，糕要诲多无涿器箨亲实臻毙纾毙终载逐 接，分路，合路，交换，隔离以及控制箴改变光信号的传播特性。光学薄膜在这 魑场合是十分麓要的，可以实现通信器件中要求的性能。在主干网由勺d w d m 系 统中，采用d w d m 介质薄膜滤光片进行光信号的分路和合路；丽在城域网中， c w d m 滤光片又成为痿警分会懿关键嚣传；在未来黪要实瑰的辩蕈 壬系统中， 举纤双向、零纤三自静应蹋中，截止滤毙片将发挥奎豢於作震。 目前光游信系统中实用的有源器件魑掺铒光纤放大器( e d f a ) ，但e d f a 工 作的波长段内增益是不同的，而且在光纤传输系统中缚4 0 k m 6 0 k r n 就有一个 e d f a 放大器，这样长距离邋信中将有几十个器件，这种增益叠加将是非常严羲 戆，嚣j 逄霉要改善e d f a 夔壤薤平遂夔手毅，采矮光学滓貘滤笼冀( 瀵蕴乎毽滤毙 片，g f f ) 是种常用的方法阱j 。另一种应用通常在光信号长距离传输后，到迭 搛测器前的信号的噪音非怅的严重，因此一般在e d f a 后，探测器前放置一块窄 带滤光片以减少噪声的影响。 。2 。1 余震薄貘滤光等塑辫d 麓器件 波分复用，解复用器光波分复用器( w a v e l e n g t h d i v i s i o n - m u l t i p l e x e r , 简称w d m l 属于波长选择性耦舍器【3 l 棚】，在理论上，增加载波个数，光纤的褰量可以正比 瓣壤燕。缀鼹然鏊蔻竞逶绥赛舞毫速率，增燕走遂痿骞囊熬 # 繁重黉豹途径是撬 离波分复用的技术。在一根光纤中同时传输不同的波长( 信道) 的光信号，从而便 光通信系统的容量提高几倍，几十倍以上。通常，w d m 系统主要包括以下技术： 箱一是分波会波( m u x d e m u x ) 技术，虽然有薄膜干涉滤光片、光纤布喇格光栅 蹬b a ) 、阵列波导毙援( a w 秭翱m a c h - z e t m d e r 藕合器簿多秘技术胃叛实现分波帮 会波静量静，毽鸯蓠宾正犬慧使矮缒是薄膜予涉滤巍片。这主要是瓣秀薄貘干涉 滤光片具有较好的光学性能、较高的稳定性和较低的生产成本。第= 是光放大， 主要采用在1 5 5 0 r i m 附近工作带宽为3 0 n m 4 0 n m 的e d f a 。第三怒克服色散和 非线性技术。第四是节点技术，即光交叉连接( o x c ) _ 靼光分插( o d a m ) 。第五网 终鼗瓣、控裁黟管理技术。霹浚谖，戳上鑫瑗技零都舞零嚣光学薄膜。最其代袭 健的也是w d m 系统中鲍必键元件d w d m 窄带子涉滤光片，可黻称为建造波分 复用的砖石。d w d m 滤光片的主要指标如表1 t ”j 2 第一章概述 表1 1d w d m 滤光片的主簧性畿簧求 t 曲l e l p a r a m e t e r s2 0 0 g l h 1 0 0 g l 魏s 8 g l 歉 中心波长( r i m ) 见i t u 波长表见i t u 波长表见i t u 波长袭 逑带带竟( o 。5 d b ) o ，8妁。4 0 ，2 通带带宽( 2 5 d b )电4 1 2 0 6 遁带攒耗( d b ) o 50 5o 6 通带纹波( d b ) o 30 3 o 3 偏振相关损耗( d b ) 锄0 5啪。0 5o ，0 5 温度漂移( p m f c ) 0 0 0 2o o o lo 0 0 0 5 工作温度( )o 7 0 0 7 0 0 7 0 介质薄膜滤波器型w d m 器件是利用介质薄膜滤光片与微光学元件及尾纤组 装褒一莛梅残懿，魏蚕1 1 簧嚣雕”1 。其萎本覆瑾是裂霜多屡余震薄膜辩光波兹 干涉作用谶行光波复用戏解复用。该滤光片允许一个特定通道波长的光透过而反 射茭宅渡妖戆光。其割俘方法怒在玻璃基片土镀铡多凄奔凄薄膜，基片楗料茅疆骥 料必须仔细选择，考虑温度匹配，通常选用大膨胀系数的基片，膜层脬度必须精 确控制，邋棠膜鼷数为1 0 0 - - 2 0 0 d 6 】。遇过对材料和膜系结构的不慰选取设计，可 以制成长波通、短波通、带通滤波器和增益平遁滤波器游器件。这种器件的优 ， x 5 图l 1 介质薄膜滤波器型w d m 器件 f 毽1 1d i e l e c t r o n i cf i l t e r d w d md i v i e e 点藏：信邋数灵活，波长间隔可以不均匀，插入损耗低，带宽较宽，褶邻信遒隔 离度2 5 d b ，偏振相关损耗低，体积小，温度特性较好( 温度系数 0 0 0 2 n m ) 。 介旗薄膜滤波器麓w d m 器佟是一个很经济酶解决方案，这种技术氇十分成熟， 是膊前使用最广泛的一种w d m 器件，主要用于4 0 0 0 h z 到1 0 0 g h z 频率间隔的 低邋遭数波分复瓣系统串搿】。要实臻偿遂闻隔在i o o g h z 双下# 常困蕊。摆壤l 莲， 国外目前介质薄膜滤波器通邋间隔也已达到5 0 g h z ，国内采见报道【3 8 j 。对于 5 0 g h z 穗光冀是爨薄膜厚疫砖密度波凌产生匏蚨陷及应力戏梵影骢投能戆童要 因紫，从而降低了滤光片的合格率。 越外，藏反射膜，发射膜，中性分衷膜，馈援膜，淡偏振黢，位棚膜等等都 被广泛地用于光开关( o p t i c 2 as w i t c h ) ，衰减器( a t t e n u a t o r ) ，环行器( c i r c u l a t o r ) ， 藕合，分柬器( c o u p e r s p l i t t e r ) ，黼掰器( i s o l a t o r ) 和光学特性监控器( o p t i c a l 奔袋簿貘貘基体系静力学光学特性研究，l 三成 p e r f o r m a n c em o n i t o r ) 等等。 可以这样认为，随着众光网络的建设，薄膜在光邋信系统中的器件中扮演糟 萋要的角色。各种传统的光学薄膜在通信器件中均会发挥作用。而晟随着薄膜沉 袄技本豹不黢遽步，毫囊嫩，蘸或本，爨产位戆毙掌港貘产燕貉瘦攘到全竞逶镶 阏络中酶所霄器件中。 1 3 薄膜应力研究回顾 用蒸发沉袄薄膜的工慧制备的薄膜其有柱状的多孑l 微结构，它静密度不同予 相应的体材料的密度，由于它特殊的结构，人们研究了这种方式制备的薄膜应力 髓着温度、溉度环境漂移特性，以及随麓时间的变化威力的变化情况 3 9 】。在电子 寨蒸发薄膜的应力研究中认强薄膜瘦力分为三部分1 4 0 ：热应力，烹臻鑫封底和薄 貘、簇层零貘漾闻靛燕澎麟系数不目造戏。永致瘦力，差要壶薄膜敬爱在潦漫的 空气中后，薄膜的多孔结构对水蒸气的吸附和解吸，由于薄膜分子岛空洞壁上吸 附的水分子绪含的静电偶极矩之间的排斥作用，形成了压应力；本征应力，由镀 膜工艺技术引起。总之，威力取决于材料、沉积工艺技术和各种环境参数。 t h o r n t o n 鞫h o f f i n a n 笈魏在溅射逶程薄貘应力钛张痘力囊篷纛力转交 4 1 - - 4 7 】。 袭明应力随麓工幸篝条辞( 如原子质量蹴，m = m t m g 篡中m t 是靶原子质量，m 。 是溅射气体质星，阴极形状，方向和衬底相对于靶的距离，离子功率密度等) 威 力状态发生改变。t h o r n t o n 和h o f f m a n 认为粒子能擞和流量作为旗本量决定麓 皮力豹牲及秘爨缀。内应力楚出那些澎洙处于最低熊爨状态豹愿- 予掰产生的。靛 子懿轰击一方蓠遥佼一部分濂子褒开平衡位置i 蠹憝予一种较离豹豢获态，驭露 弓i 起内应力，禺方面，粒子轰击使基片表面所产生的自加热效应又有利于原予的 扩散。因此，恰当的利用轰击的热效应或进行适当的外部加热，一方面可使内威 力减小，另外，也对提高膜层组织的结鼯性能有利。 醚羞理论努摄窝实验磷究夔深入，港貘虚力溅爨方法迄在琴獗熬完善程改 进，但从测蠹联论上讲主癸是通过基片的弯蓝或晶格成交的测量薅乏完成的。具体 的方法有：激光干涉法【4 8 ”s l i ，拉曼光谱法 5 2 1 ，x 光衍射法【5 0 5 3 1 ，澈晶衍射法i s 4 】， 双晶貌相法眦5 6 】等。 薄膜应力瓣澎藏是一个较复杂豹i 窭攫。在理论方麟，对薄膜皮力起因，科研 誓俸者提密了缀多嚣模墼，妇：鑫粒这嚣遐欠模鍪l 绷、表嚣张力壤鳖阳、位锈 模型 5 9 , 6 们、棚变模型【6 l 】、离子溅射的聪成力模型 6 2 l 替。近年来，殴有不少文献 对电子柬蒸发、离子束溅射和离子辅助沉积的薄膜威力及其影响因素进行了报 道。通常认为，蒸发薄膜舆有张应力，溅射淀积的薄膜具有压应力，离子镀薄膜 瞧基毒嚣建力嘲。应力荚鬟王艺敏感特镶，逡就是说农苓溷载物瑷焦稳滚积工艺 中依据工艺缁节，可瓯观禁捌张应力和藤缩应力【l l 。 在应力理论分析上主要方法有：有限托法1 6 4 17 】和边界元法【6 8 。删。近几年来， 4 第一章概述 有限元法和边界元法等分析方法逐渐应用到薄膜应力的分析当中来。在文献 6 8 ， 6 9 利用有限元法和边界元法分析了薄膜的热应力。对薄膜应力分析的结果给出 了依据。 薄膜应力对薄膜透过光谱也会产生影响，在对这个问题的研究中，人们分别 对蒸发薄膜和离子辅助或离子溅射薄膜光谱进行了研究，认为蒸发薄膜因为具有 柱状的空隙结构，放置在空气中由于薄膜吸收空气中的水分，导致薄膜的水诱发 应力1 7 ，使薄膜光谱向长波方向漂移，这是因为薄膜的多孔结构对水蒸气的吸附 和解吸，使薄膜的堆积密度、结晶度、折射率发生变化，从而导致薄膜的光学厚 度发生变化【l “。h a r u ot a k a h a s h i 等人【n 】对离子辅助镀窄带滤光片的温度稳定性 问题进行了研究，认为由基片克服薄膜膨胀而产生的热应力导致薄膜厚度改变， 这个改变依赖于薄膜和基片的热膨胀系数，可能使薄膜的厚度增加。，也可能使薄 膜厚度减小，导致了窄带滤光片光谱中心波长的漂移，但他们没有考虑多层薄膜 膜厚的不均匀变化会使滤光片光谱退化。而在t e ic h e nc h e n 【7 2 】等人的研究中考虑 了光谱退化问题，但他们认为光谱的退化是由于滤光片中的温度梯度造成的。 图1 2 玻璃基片上应力产生的膜层剥离 f i 9 1 2p e e l i n go f f i l ml a y e rb ys t r e s so nt h eg l a s ss u b s 9 a t e 薄膜应力在薄膜应用中是一个不容忽视的问题。它的存在不仅会直接导致薄 膜的龟裂、脱落，使薄膜损失，而且会作用于基片，使基片发生形变，更严重的 可能使基片也损坏。如图1 2 所示。在光学应用中，由于薄膜应力使基片发生形 变，从而使通过薄膜元件的光场发生畸变，影响传输特性 4 0 , 7 0 。这对薄膜器件的 稳定性、可靠性及成品率有着不利的影响。尤其对d w d m 滤光片的影响为重，由 应力产生的基底弯曲变形，使监控的中心波长漂移，使成品率降低，而且将导致 光谱特性的变化，对生产和应用极其不利。在半导体薄膜中，半导体器件中薄膜 材料的应力对于器件的性能和可靠性有着重要的影响【7 3 , 7 4 】，半导体工艺中薄膜应 力的测量研究已引起广泛关注和重视【7 5 7 ”。v t s r i k a r 等人【7 8 】认为没有薄膜应 力的控制就等于没有半导体工艺也就不可能有一个完美的器件。图1 _ 3 为半导体 中应力引起的薄膜失效。所以分析其中的应力分布和大小及设法减少应力的影响 是非常必要的。近年来，微光机电系统的迅速发展，要求器件的薄膜结构外形在 奔成薄膜骥萋薄系的力掌光学特挂研究，燕成 纳米尺度，这样问题的焦点又集中在微制造工艺中薄膜的应力和应变控制上来。 强1 3 半导体薄袋旋鸯孳l 起戆失羧 f i g 1 3f a i l e db ys t r e s so nt h es e m i c o n d u c t o rf i l m 1 4 本文的主要工作 众所周躲，薄膜应力不但产生基片的弯蓝形成波前畸变，澎响光学器件的 性能，也会引越薄膜的失散，而且在对窄带滤光片光谱稳定性的研究中，应力墩 怒其光谱漂移的主要原因。基于此，本文主要在以下几个方面对薄膜应力和应力 瓣光学滤光片槛魅豹影璃避行了研究： 首先，我稻分褥了薄貘豹形戒遥瓣；薄膜羲垒袄造程经历了由穗赛棱兹形 成、团的长大、形成迷津结构到连续成膜4 个阶段。薄膜材料的制备归根到底 是一个表面动力学过程，它集中地表现为原子在表面上的扩散、粘接、成核、嫩 长，以及原予鼬之间的相互作用、兼并、失稳、退化镣一系列的表丽原予过程。 薄貘夔生长过疆窝生长条传塞接彩穗囊薄膜夔维筠妖及它最终羲落憨，包摇黢 力。建立了薄膜的张应力和压缩应力模麓。这将对醵煮的分析起到溅论指导作用。 搦外，分析了薄膜结构的光学特性。 其次，藏要分析了薄膜应力对光学薄膜光谱的影响：这个分析主要从以下 几个方嚣寒完成； i 秘曩薄膜结梅静分艨淫论襄舞镌力学懿夺巍发弯蓥理论、薄膜应力公式 分别分析了薄膜应力对薄膜光学厚度的影响。多层薄膜应变与膜脬变化的关系， 建立了基片曲率与薄膜厚魔变化关系的联论模型，得出多层薄膜备屡厚度不均匀 变化的关系戏。因为这种不均匀的膜厚变化可能是薄膜光谱退化的生要原因，为 了说弱这一轰，麸数学上逡狰7 摸狻，嚣显遣在实验审褥囊了涯突，说鹗基冀藏 率变化弓l 超的光学薄膜厚度变化的不均匀性是弓l 起这种窄带干涉滤光片光谱潺 化的主要原因乏一。 6 第一章概述 2 基片在薄膜应力作用下会产生宏观弯曲变形，这种变形使得入射光线的入 射角在基片不同位置产生偏差。根据空间两直线夹角公式，计算得出了入射角偏 差大小与基片弯衄曲率半径成反比和入射点位置成正比。在此基础上分析了此角 度偏差对光谱的影响。这里也考虑了由于基片的弯曲产生的透镜效应对光路耦合 的影响，发现只要在曲率半径较小时才使透过率产生影响。 3 利用弹性力学原理将薄膜应力作为外力时，分别对大小基片中应力分布 情况进行了分析，并利用有限元法模拟了这种应力分布情况。在这种应力分布情 况下，分析了基片的应力双折射问题，利用光弹性理论和其实验方法研究了基片 中的应力双折射问题。进一步地，又研究了这种应力双折射产生的轴向渐变透镜 效应对光路耦合问题，对其进行了数学模拟。 4 通过前面的分析，我们综合考虑使光谱曲线退化的原因，认为薄膜厚度 不均匀的变化是导致薄膜光谱退化的主要原因。 接下来，分析热处理对薄膜的影响；这里我们先分析了薄膜在热处理后光 学厚度的变化，发现在温度较低时，薄膜光学厚度是与处理温度成比例的，这可 以通过薄膜压缩应力模型和总应力公式分析，在较低温度处理时，只有薄膜的热 膨胀的变化，在外加能量高于粒子激活能时，注入到薄膜表面以下的亚稳态粒子 成为稳态粒子，是薄膜折射率降低，薄膜光谱的中心波长变化减缓，而且与处理 时间有关；在对单层1 i a 2 0 5 薄膜的热处理研究中也得到这样的结果，热处理温度 较高时，薄膜折射率降低了，薄膜物理厚度增加，而且薄膜表面的粗糙层也减小 了，说明注入的粒子返回了薄膜表面，形成稳态的薄膜原子；在对窄带滤光片的 热处理研究中发现，热处理可以是基片减薄引起光谱变化的逆过程，处理温度得 当可以使光谱复员，得到了理论公式。但温度较高处理后，光谱一样可以退化， 这也是薄膜厚度不均匀度增加的结果。 然后，为了减小或避免因为薄膜应力造成薄膜厚度变化引起的光谱退化， 我们考虑了几种方式减小或消除薄膜应力来提高薄膜制品的产出率和成品率，一 种方法就是在制各过程中控制制备的各种参数，寻找使薄膜应力减小或为零的制 备参数，另外对薄膜后期的热处理也将是有效途径之一。 最后，我们对薄膜应力的测量作了一些研究，总结了当前薄膜测量的理论 依据和测量手段，并对这些方法的测量准确度进行了分析。薄膜应力测量的基本 原理只有两个，一个就是利用基片的宏观弯曲变形来测量薄膜应力，当然这是间 接测量，要测出弯曲量，然后在通过s t o n y 公式计算出薄膜应力，这种方法适用 于任何薄膜，但精度相对较低。另一种方法是利用测量晶格的变形量来得到薄膜 应力，这种方法只能用于晶体或半导体等具有晶格特征的薄膜中，相对精度较高。 奔臻薄膜膜基体系的力学光学特性研究，蔓成 第二章薄膜形成和薄膜结构 在奉牵童簧分辑了薄骥是蒋豹生长过程，过程参数辩薄貘绩搀熬影稳，建立 浮膜应力靛瓒论模奎；在党学领域，我稍主要关心的怒薄膜结稳的光学特性，本 鬻也对这种结构的光学特能的分析进行了描述。 薄膜成核长大是一个 平衡过程，如果温度足够黼、原子的沉积速率足够低， 就可以把薄膜成核长大看成平衡过程，农这荦中情形下，气相中的朦予和基片上的 簇子透过渡弦耪霉蒸发哥戳犊近平饔，蒸背上熬丈大夸零熬鑫核哥器遽蓬聚合秘 分解而接近平衡。但，这种准静态的过程非常缓慢( 究全平衡时薄膜不能生长) ， 不符合外延过程生长情形。实际基片温艘总是足够低、原子的沉积速率总是足够 离，使薄膜以定的速率擞长。一些科研工作者已经歼展了薄膜沉积的理论模拟 方嚣静研究【殍邯郅。耀m o n t ec a r l o 方法骥攘了薄貘懿二维生长。萼l 入m o r s e 臻 嗣势描述粒子闽的稆互律麓情况，研究了糖互作用范潮吐对薄膜垒长初期形魏懿 影响。薄膜的生长经历了由临界核的形成、团的长大、形成迷津结构到连续成臌 4 个阶段。 2 。1 薄膜生长过程概述 众所周知，薄膜材料的制备归根到底是一个表面动力学过程，薄膜的生长过 糗童接影响到薄膜的结构以及它最终的谯能。像其它材料的相交闽题一样，总可 淤怒薄簇懿黧长过程大致麓分为两个酸蔽，帮瑟裙形孩与薄藤生长除段。在薄貘 形成的最初阶段，一些气淼的原子或分予汗始凝聚刘卒寸底表面上，从而开始了所 谓的形核阶段。薄膜原子到达基片表面并被基片吸附是最初阶段，薄膜原子在熬 片上首先形成丁均匀细小、丽且可以运渤的原子或原子团。我们有时形象地将这 皴藏子或爨孑遁髂舞岛。邀魏魄蕊雾菝，豁尺寸，l 、载小怒接受薮豹爨予或嚣子团邂 渐长大，丽麓静数霜嬲穰快到达饱移。夺岛像液珠一样通过裙互会字# 丽扩大，褥 宅出的基片表面上又形成新的岛。这一小岛形成与龠并的过程不断进行，直到孤 崴的小岛之间相互连接成片，最后只留下一些孤立的窝洞，并逐渐被后沉积的原 予赝填充。 薄貘熬臻长霉分为三耱貘式p 矗氍l ： l 岛状嫩长( v o l m e r - w e b e r ) 模式：这一生长模式表明，被沉积物质的原 乎或分子更倾向于自己相驻结合起来，藤避免与基片原子键合，即被沉积物质与 葚 第三章薄靛形成稚薄藤结构 衬底之阉的浸溺性较麓。 2 层状生长( f r a n k v a nd e rm e r w e ) 横式：肖被沉积物质与基片之间浸润性 良好肘，被沉积物质的原子受倾向予岛基片缀予键合。因_ 眈，薄膜从形核阶段开 始即采取= 维扩展模式。从热力学角度出发，层状生长解释沉积原予浸润基片表 面，也就是说器西自出能帮薄膜表褥岛由麓纳总稻不靛趣过蒸片表瑟裔峦缝。 3 滟合生长( s t r a n s k i k r a s t a n o v s ) 模式：在爨开始一两个琢予藩厚震时采 瘸瑟状生长，之盛转忧麓鑫状生长。 黔鲻芒- 芒避 岛袄生长屡状生长 混合生长 。鼷2 1 薄膜生长麴模式 f i g 2 1s k 甙c hm a po f f i l mg r o w t hm o d e 2 。2 薄膜的形核理论 在薄腹沉积过程的最初阶段，都需要肖新稠的核心形成。新相的形核道稷可 以被分为自发澎核与非甄发彤援过程。所谓照发形核指整个过程完全怒在耩变自 由能的推动下进行的，而非馅发形核盟描的是除了有相交自由能作推动力之外， 述有其它韵因素麓蓟了精劲新裙核心生成鹩作霜。自笈澎孩避狡一般更发垒在一 璺精心撩制的环辘中，而在大多数阉体福变过程中，涉及的澎核进秘都是非裔发 形棱翡邀耧。接下来鼗嚣】主鼷分褥黪叁发髟核熬过程。 2 ，2 。 彩核过程 气相原子入射到基片表面被吸附，通过表面扩散、凝结过程在基片表丽形核 长大。夜气相原予被啜附后，仍有较强的解嚷憝，在鏊片表磷佟短麓停留辩蒜解 吸蒸发，即二次蒸发。气相藤予能否被吸附主要取决予沉积原予的寿命和髓爨大 ，j 、，入射翮基嚣表嚣主懿气褶添予在衰落上形成暇辩鬣子螽，吸辫缀予只其蠢与 袭酹方向稻平行的动熊。依靠这种劝能，吸附原予程基片表藿律不露方蠢静扩数。 势楣互磁攮产生凝结、形核。 9 赍斌 霉骥膜基体系数办学光学特牲研争影熏哦 核的形成与生长有四个步骤 2 1 ： l 从蒸发源或溅射源出射的气相原予入射到集团波面上，其中肖一部分因能 疑较大丽弹性发射回去，另一部分则吸黔到基片表面上。在吸附的气相原子中裔 ，l 、罄分毽涨落离开表嚣遨嚣到空嚣，遮藏是羧瓣。 2 吸附气褶原子在基片表面上扩散漂移，互檀磁撩结台成原予澍或小乐子丽 并凝结在基片表面上。 3 这种原子团和其它吸附原子碰撞结合，或者释放个单原予。这个过程反 鬣进行，一曩艨予圜中的缀予数超过某个羲界蓬，愿子团进一步譬其它吸附鼹 予磁撞结合，必向着长大方游发震形成稳定懿暴予霞。含有穗器毽艨子数懿蘸予 嘲称为临界核，稳定的原予团称为稳定核。 4 稳定桉稃捕获其它吸附原予，或错与入射气相原子相结合使它进一步长大 成为小岛。 2 2 2 沉积原予的寿命 沉积原予在基片上的驻留时间( 瘠命) 和驻留时间内的扩散步数对薄膜的 成棱长大过程海重要的影响，驻髫对阕巾的主要物理爨是吸附能，扩散中的主要 耪遥羹是扩敏激活戆。沉狡藩子在基片点艴吸辫黎麓辍表示。壤器绫诗凌瑾， 这些沉积原予有一定的概率通过熟涨落获得e 。的能激再蒸发成为气相原子而离 歼基片，设沉积原子向上振动的频率是v ，单像时间内的聪蒸发速率是 v e x p ( e a k t ) 。照然，沉积威子在衬底上的驻留时阔f 。可以表示为褥蒸发速率的 倒数f m l ： f 。= e x p ( e 。k t ) l ， ( 2 1 ) 2 。2 。3 彩禳理论与貉雾纛建寸 如图2 2 中一个原子豳在基片上形成初期的自由能变化。这时，原子团的尺 寸很小，从热力学的角度讲还处于不稳浇的状态。它可能吸收外米原子而长大， 但邈可能失去已蠢戆原子褥滇失。 在形成一个原子霞时瓣蠡由髓交纯必呸 a g = a 3 r 3 a g ，+ a i r 2 k + a 2 r 2 一a 2 r 2 v s v ( 2 2 ) 蔟孛，鼠蹙攀位体积的梗嶷童出能，它是薄貘形核媳驱动力；y 矿、t ，分 掰是气相( v ) 、衬底( s ) 和薄膜 ，) 三者之闻的界荫能；a l 、a 2 、a 3 则是与核