（光学工程专业论文）低压反应离子镀设备关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 低压反应离子镀( l v r i p ) 是用来制备光学薄膜的一种新技术，是在传统电子束 蒸镀的基础上通过低电压、低气压弧光放电将材料蒸汽和外加反应气体电离，在蒸发 室内产生低温等离子体，利用基片表面自然形成的极薄电场来提高离子的入射动能， 既保留了传统技术沉积速率高、面积大的优点，又克服了薄膜结构疏松、性能不稳定 的缺陷，是有望取代传统技术的新一代光学薄膜制备技术。国外研究表明，l v r i p 薄 膜结构致密，机械强度高，光学损耗达到甚至超过了传统技术的最好水平，具有在激 光陀螺上应用的潜力。国内有少数单位对l v r i p 做了研究，有一家工厂正在生产用于 眼镜镀膜的l v r i p 设备，但由于在损耗这一关键指标上还不及传统技术，离陀螺应用 相差甚远。l v r i p 设备包含等离子源、电子枪一坩埚系统、电源及控制系统三项关键 技术，本文面向陀螺镀膜的需求对l v r i p 设备的两项关键技术进行了研究，自主研制 了l v r i p 的两套关键设备等离子源和电子枪一坩埚系统，在一台国产常规镀膜机 基础上改制了一台l v r i p 镀膜机，并在该机器上对t i 0 2 薄膜的制备工艺进行了初步 研究。本文的主要工作和贡献包括： 1 在国内首次研究了用大面积硼化镧材料作l v r i p 等离子源阴极发射体技术， 针对硼化镧价格贵、硬度高、加工困难的问题，提出了“非共轴包容间热式”阴极 结构设计方案，降低了硼化镧的制造、加工难度和成本；针对硼化镧使用过程中容易 破裂的问题，提出了新的加工方法，克n t 磨削方法给材料带来的故障隐患。研制出 台等离子源，等离子源输出电流超过6 0 a ，阴极连续工作寿命超过6 小时，发射体 成本低于1 0 0 ￥，综合性能高于国内其它单位的水平。 2 针对常规电子枪一坩埚系统在电气和结构上均不适用于低压反应离子镀工作 环境的问题，研究提出了分体式+ 迷宫式设计方案，开发了一套适用于气体放电等离 子体环境的电子枪一坩埚系统，将工作气压从6 1 0 0 p a 提高到2 1 0 一p a ，满足了低 压反应离子镀的需要。 3 研究解决了将自主研制的等离子源和电子枪一坩埚系统装到国产h 4 4 7 0 0 7 型 常规箱式真空镀膜机中的等离子源与电子枪的干扰等技术问题，制做出了一台低压反 应离子镀镀膜试验样机。测量表明，试验样机当放电电流为3 0 a 时，球面基片工件架 表面饱和离子流密度平均为o 4 6 3 m a c m 2 ，均匀性为8 ，性能良好，工作稳定。 4 利用自制的l v r i p 镀膜试验样机对t i 0 2 薄膜的l v r i p 制备工艺进行了初步 研究，研究试验结果表明，采用l v r i p 镀膜工艺，随着放电电流的增大，薄膜折射率 提高，损耗降低，而用常规的后期烘烤工艺会使膜层均匀性变差。在现有条件下，采 国防科学技术大学研究生院学位论文 用l v r i p 镀膜工艺的t i 0 2 薄膜折射率( 6 3 3 n m 处) 最高达到2 4 3 。测试结果和分析 表明，l v r i p 膜比常规膜结构细密，硬度高，附着力强，性能稳定。 实验表明，我们研究开发的低压反应离子镀设备的等离子源技术和电子枪一坩埚 技术具有先进性和良好的应用价值，实验结果说明了低压反应离子镀这种新技术确实 可以提高薄膜的机械强度和稳定性。由于资金和技术力量有限，本文研制的l v r i p 镀膜机采用自制的简易电源系统，因而使生产的薄膜损耗大，折射率不高。但实验结 果证明，随着放电电流的增大，l v r i p 薄膜折射率提高，损耗降低，因此，在本文研 究工作基础上，只要投入足够的经费和技术力量研究开发高性能的电源及其控制系 统，有望研究出满足激光陀螺需要的l v r i p 镀膜设备。本文的研究工作为进一步研究 开发l v r i p 镀膜设备技术提供了有重要参考价值的技术方案和实验结果。 关键词：薄膜，低压反应离子镀，等离子体，等离子源，电子枪，硼化镧 i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a san e wh n do ft e c h n i q u ef o rm a k i n go p t i c a lc o a t i n g s l o wv o l t a g er e a c t i v ei o n p l a t i n g ( l r j p ) p r o d u c e sl o wt e m p e r a t u r ep l a s m ai nv a p o r i z i n gc h a r mt h r o u g hl o w v o l t a g e ，l o wp r e s s u r ea r cd i s c h a r g eo f m a t e r i a lv a p o ra n dr e a c t i v eg a s e s ，u s i n gt h ev e r yt h i n e l e c t r i cf i e l dn a t u r a l l yg e n e r a t e do nt h es u r f a c eo fs u b s t r a t et oi n c r e a s et h ek i n e t i ce n e r g yo f i n j e c t e di o n s ，w h i c hi sh o p e d t or e p l a c et h et r a d i t i o n a lt e c h n i q u ew i t hh i g hd e p o s i t i o nr a t e a n da r e aw i t h o u t p o r o u ss t r u c t u r eo ri n s t a b i l i t y f r o mr e s e a r c ha b r o a d t h el 1 ，r i pf i l mh a sa l o w o p t i c a ll o s sw h i c h a c h i e v ea n d n e a r l yo v e r r i d et h eh i g h e s t l e v e lo f t r a d i t i o n a l t e c h n i q u e w i t hd e n s ep a c k i n ga n db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t y , w h i c hg a v ei t g r e a tp o t e n t i a l i t i e so f a p p l i c a t i o n i nl a s e rg y r o s c o p e i nh o m e ，af e wo fu n i t e sh a dr e s e a r c h e dt h e t e c h n i q u e ，a n da f a c t o r yi sp r o d u c i n gt h el v r i pe q u i p m e n tf o rg l a s s e s ，b u ti ti sf a rf r o ma p p l i c a t i o ni nl a s e r g y r o s c o p ef o rt h el o s si st o oh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a lt e c h n i q u e l v r i pe q u i p m e n ti n c l u d e s t h r e ek e yt e c h n i q u e s ( p l a s m as o u r c e ，e l e c t r o ng u n - - c r u c i b l es y s t e m ，p o w e ra n dc o n t r o l s y s t e m ) f a c et ol a s e rg y r o s c o p e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dt w ot e c h n i q u e so ft h e m ，m a d et w o k e ye q u i p m e n t s ，r e b u i l dal v r i pc o a t i n gm a c h i n eb a s e do nad o m e s t i cc o n v e n t i o n a lo n e ， a n dm a d e p r i m a r yr e s e a r c ho ft i 0 2c o a t i n g s t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o no f t h ep a p e r i n c l u d e ： 1 f i r s t l y r e s e a r c h e dt h e t e c h n i q u eo fu s i n gt h el a r g e a r e al a b 6a st h ee m i s s i o n c a t h o d eo f p l a s m as o u r c ei nd o m e s t i c a i m i n ga tt h ep r o b l e m so fb d 【g hc o s t ，h i 曲h a r d n e s s a n dh a r dt om a c h i n ef o rl a b s ，ad e s i g n a t i o no fn oc o a x i a lw r a p p i n gi n d i r e c t l yh e a t e d c a t h o d ew a s p r o p o s e d w h i c h b e n e f i tw i ml o wc o s ta n do v e r c a n l et h ed i f f i c u l t yo f m a k i n g a n dm a c h i n i n gl a b 6 an e w m a c h i n i n gm e t h o dw a sp u tf o r w a r db e c a u s eo fe a s i l yb r o k e n o fl a b sw h i l ew o r k i n g ，w h i c hh a dn oh i d d e nt r o u b l ew i t ht h em a t e r i a la sg r i n d i n gd i d a p l a s m as o u r c ew a sd e v e l o p e dw i t ha no v e r6 0 a o f o u t p u tc u r r e n t ，a l lo v e r6 h so f c a t h o d e l i f ei nc o n t i n u o u sw o r k ，ac o s to fe m i s s i o nc a t h o d el e s st h a ni o o y ，t h ep e r f o r m a n c ei s s y n t h e t i c a l l yh i g h e r t h a nt h a to f t h eo t h e rd o m e s t i cu n i t s 2 b e c a u s et h ec o n v e n t i o n a le l e c t r i cg u n - - c r u c i b l es y s t e mw a sn o tf i tf o rl v r i pi n e l e c t r i ca n ds t r u c t u r e ，as e p a r a t e + l a b y r i n t he l e c t r i cg u n - - c r u c i b l es y s t e mw a s p u tf o r w a r d w h i c hw a sf i tf o rt h eg a sd i s c h a r g ep l a s m aw o r k i n gc o n d i t i o na n di n c r e a s e dt h ew o r k i n g d r e s s u r e f r o m6 x 1 0 。3 p a t o2 x 1 0 p a ，w h i c h m e t t h ed e m a n d o f l v r i p 3 r e s e a r c h e da n ds o l v e dt h et e c h n i c a lp r o b l e m ss u c ha st h ei n t e r f e r e n c eo f p l a s m a i i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 s o u r c ea n de l e c t r i c g u nw h i l el i n k i n gt h ep l a s m as o u r c ea n dt h e e l e c t r i cg u n - - c r u c i b l e s y s t e mw i t had o m e s t i ch 4 4 7 0 0 - - 7t y p ec o n v e n t i o n a lb o xv a c u u mc o a t i n gm a c h i n e ，e ta 1 al v r i pe x p e r i m e n tc o a t i n gm a c h i n ew a sb u i l t f r o mm e a s u r e m e n t ，t h em e a d _ v a l u eo f s a t u r a t ei o nc u r r e n to nt h es u r f a c eo ft h eg l o b a ls u b s t r a t eh o l d e rw a s0 4 6 3m a f c m 2w i t ha l l 8 i n h o m o g e n e i t y w h i l et h ed i s c h a r g ec u r r e n tw a s3 0 a t h em a c h i n ew o r k e ds t a b l ya n d h a da g o o dp e r f o r m a n c e 4 a p r i m a r y r e s e a r c ho nt i 0 2 c o a t i n g sm a d e w i t l ll v r i p t e c h n i q u ew a s c a r r i e do u t t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ei n d e xo fr e f r a c t i o ni n c r e a s e da n dt h el o s sd e c r e a s e d w i t l lt h ei n c r e a s eo f d i s c h a r g ec u r r e n t b u tt h eh o m o g e n e i t y d e c r e a s e db yc o n v e n t i o n a lt o a s t t e c h n i q u e i na v a i l a b l ec o n d i t i o n ，w i t hl v r i pc o a t i n gt e c h n i q u e ，t h em a x i m u mr e f r a c t i v e i n d e xo ft i 0 2i s2 4 3r = 6 3 3 n m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r u c t u r eo fl v r i p c o a t i n g s i sc l o s e r , t h eh a r d n e s si sh i g h e r , t h ea d h e s i v ef o r c ei ss t r o n g e r , a n dt h ep e r f o r m a n c ei sm o r e s t a b l et h a nt h a to f c o n v e n t i o n a l c o a t i n g s t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ep l a s m as o u r c ea n dt h ee l e c t r i cg u nt e c h n i q u e so f l v r i p e q u i p m e n th a v ea d v a n c e m e n ta n dg o o da p p l i c a t i o nv a l u e t h er e s u l t sp r o v e dt h a t t h i sn e w t e c h n i q u eo f l v r i pc o u l dr e a l l yi m p r o v et h em e c h a n i c a l i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo f c o a t i n g s b e c a u s et h ef u n da n dt e c h n i q u ew e r el i m i t e da n ds i m p l ye q u i p p e dp o w e rs o u r c e w a sa d o p t e d ，t h el o s sw a sh i g ha n dt h ei n d e xo fr e f r a c t i o nw a sn o tv e r yh i g h b u tt h e e x p e r i m e n tr e s u l t sh a ds h o w n t h a tt h ei n d e xo fr e f r a c t i o ni n c r e a s e da n dt h el o s sd e c r e a s e d 、v i mt h ei n c r e a s eo f d i s c h a r g ec u r r e n t h e n c e ，o nt h eb a s i so f t h ep a p e r sr e s e a r c hw o r k s ， e n o u g hf u n d ，e n o u g ht e c h n i c a lf o r c e ，h i g hp e r f o r m a n c ep o w e rs o u r c ea n dc o n t r o ls y s t e m a r ep u tt ou s e ，al v r i pc o a t i n ge q u i p m e n tm e td e m a n d so fl a s e rg y r o s c o p em a yb e p r o d u c e d t h et e c h n i q u ep l a na n de x p e r i m e n tr e s u l t s 、i mi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ew e r e p r o v i d e df o r a d v a n c e dl v r i p c o a t i n ge q u i p m e n t i nt h ef u t u r eb yt h e p a p e r k e yw o r d s ：f i l m ，l o wv o l t a g er e a c t i v ei o np l a t i n g ，p l a s m a ，p l a s m as o u r c e ，e l e c t r i c g u n ，l a n t h a n i u mb o r i d e 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 光学薄膜与现代光学系统 薄膜，因其厚度方向的尺寸与横向尺寸相比小得多，也称为二维材料。与同样组 分的块体( 三维材料) 相比，由于尺寸效应和结构上的原因，薄膜在力、电、磁、光 等方面具有一些特殊的性质，在光学、机械、微电子、信息、传感等领域都有重要应 用。 光学薄膜可以分光透射、分光反射、分光吸收以及改变光的偏振状态或相位，能 够实现光的减反、增反、分束、高通、低通、窄带滤波等功能。光学薄膜的种类很多， 它们赋予光学元件各种使用性能，对光学仪器的质量起着重要或决定性的作用。 例如，折射率为1 5 2 的冕牌玻璃，当光线垂直入射时，与空气接触的每个表面都 有4 2 的反射率。现代成像系统一般都包含多个与空气相邻的表面，多次反射不仅造 成光能量损失，使像的亮度降低，有一部分反射光还会成为杂散光到达像平面，降低 像的衬度，影响系统的成像质量。如果在玻璃表面镀上单层m g f 2 增透膜，中心波长 的反射率将降至1 3 左右，整个可见区平均反射率约为1 5 。若采用两层甚至三层 增透设计，反射率会更低。因此，照相机、摄影机、望远镜、显微镜以及测距仪和潜 望镜中的各类透镜都必须镀上增透膜。法国爱琴厂称其生产的4 2 。连续变焦镜头具有 世界上最好的光学质量，主要原因之一，就是应用了一种新设计的多层膜，改进了镜 头的性能【”。 。 再如，在设计激光器时，高反 射腔镜的反射率一般是按1 0 0 计 算的，实践中做不到这一点，为了 获得更好的激光器性能，只能要求 镜片具有尽可能高的反射率。对于 6 3 2 8 a h e n e 激光器这类典型的 低增益器件，小至0 1 的损耗，对 输出功率都有相当大的影响。正如 图1 1 【2 】所显示的那样，提高反射率 0 1 ，激光输出功率就可以提高 ；。 u l 。 图1 1h e n e 激光器的输出功率p 随一个反射镜的 反射率r 的变化关系 第1 页 垦堕型兰苎查盔堂里窒尘堕堂垡笙苎 1 0 。对于c 0 2 激光器这类大功率器件来说，腔镜反射率的提高不仅可以提高激光器 的输出功率，还可以减少腔镜在激光辐照时的热畸交，从而改善激光束的质量。腔镜 的高反射率一般是通过多层介质膜实现的，对h e - - n e 激光器6 3 2 8 a 谱线来说，现有 的技术可以使反射率超过9 9 9 ，高的可达到9 9 9 9 9 8 l j l 。 类似的例子还有很多，不再一一列举。可以毫不夸张地说，没有光学薄膜，大部 分现代的光学系统就不能正常工作。 1 2 光学薄膜制备技术的发展与应用 薄膜光学是关于光学薄膜的- - l q 科学，包含膜系理论设计、薄膜的制各和薄膜性 能检测三个方面的内容，本文研究的是制备技术。光学薄膜的制备一般是采用物理气 相沉积法( p h y s i e a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p v d ) ：有传统的真空蒸镀法( v a c u u m e v a p o r a t i o n ，v e ) ，也有新出现的荷能离子镀方法，包括离子辅助沉积( i o na s s i s t e d d e p o s i t i o n ，i a d ) 、离子束溅射( i o nb e a ms p u r e n n g ，i b s ) 、低压反应离子镀 ( l o w - v o l t a g e r e a c t i v ei o np l a i n g ，l v r i po rr l v i p ) 等。 制备技术的优劣是通过薄膜产品的性能来体现的，一般是看薄膜的光学常数( n ， t ) 、附着力、硬度、应力和稳定性等。好的制备技术，其介质膜产品的折射率 、消 光系数k 应达到或接近块体材料的数值，附着力强，硬度高，应力在不可能消除的情 况下最好是压应力，能够适应长期存放和不同的使用环境。考虑到生产效率的问题， 在保证薄膜厚度和光学常数均匀的情况下，沉积面积应尽量大，沉积速率不能过低。 1 2 1 真空蒸镀 真空蒸镀法是在真空( 1 0 。p a ) 条件下通 过加热使薄膜初始材料气化，材料的蒸汽沉积 在温度较低的基片上，形成所需要的薄膜( 图 1 2 ) ，是最基本的成膜方法之一。它的发展主要 体现在蒸发源技术上：早期用的都是电阻蒸发 源，即用钨、钼、钽等难熔金属或石墨做成电 阻蒸发器，材料放在蒸发器中，由于温度有限 和高温下材料与蒸发器化学反应的原因，可供 使用的镀膜材料很少；后来出现了电子枪蒸发 源，材料放在有水冷的坩埚里，通过聚焦的高 能电子束轰击进行局部加热，解决了温度和反 | | 盯 一、 蓁发l 也髻 电子括一坩塥二 蜒 图1 2 真空燕镀示意图 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 应的问题，扩大了材料的选择范围。 通常，真空蒸镀选用与薄膜组分相同的初始材料( 丝状、块状、颗粒状、粉末等) 。 例如为了得到铝膜，使用纯铝丝作初始材料，通过提高蒸发室的真空度来抑制材料与 残余气体的化学反应，以减少膜层中的杂质。这种做法对镀金属膜一般是有效的，对 化合物薄膜，由于各化学组分的蒸发速率和沉积速率不同，薄膜组分往往偏离正常的 化学当量( 如氧化物失氧) ，这是造成光学吸收较大的一个重要原因。为了解决这个 问题，在蒸镀时可通入适量的0 2 、n 2 等活性气体，利用化学反应来补充因材料热分 解而易失去的o 、n 等成分，这称为反应蒸镀( r e a c t i v ee v a p o r a t i o n ，r e ) ，其工作 气压略高，约( 8 9 ) 1 0 p a 。这种工艺扩大了初始材料的选择范围，例如为了得到 t i 0 2 薄膜，不仅可以用t i 0 2 ，还可以用t i 3 0 5 、t i 2 0 3 、t i o 等。用反应蒸镀加上必要 的后期处理，单层t i 0 2 薄膜的消光系数蚝3 3 n 。可以做到1 0 弓量级，比某些荷能离子技 术还好。 真空蒸镀法具有较长的历史，在实验室里研究得比较透彻，形成了许多成熟的工 艺。这种方法沉积速率高，沉积面积大，生产效率高，另外设备和操作也比较简单， 是实验室和工业生产中制备薄膜的主要技术手段。 不过，真空蒸镀法的缺点也是非常突出的，用这种方法制备的薄膜 1 聚集密度小( 0 8 - q ) 9 5 ) ，折射率比块体数值偏低； 2 容易吸附残余气体和水汽，光学吸收大( 与i b s 相比) ，时效性差； 3 表面、界面不平整，体内散射、表面散射大； 4 应力高，各向异性； 5 硬度低，附着力小，牢固性差。 薄膜的宏观性质取决于其微观结构 45 1 。研究证实，在真空蒸镀法中，大部分材 料的薄膜采取的是岛状生长模式，其过程可作如下简单描述 6 - 1 0 】： 1 材料的气相原子( 或分子) 在基片表面被吸附，驻留一段时间，这称为单体 的吸附： 2 在驻留期里，被吸附的原子可以在基片表面迁徙，结合成大小不同的各种小 原子团，这种小原子团并不稳定，可以重新解散； 3 有的小原予团的尺寸达到稳定存在所要求的最小值，成为临界核； 4 1 临界核捕获其周围的单体，逐渐长大，形成稳定核： 5 在临界核长大的同时，非捕获区的单体逐渐形成l 临界核； 6 稳定核长大到相互接触时，彼此结合后形成小岛，由于新岛所占的面积小于 结合前的两岛，所以在基片上暴露出新的表面区域： 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 7 在新暴露出的基片表面上吸附单体，发生“二次”成核； 8 小岛长大结合成大岛，大岛长大结合成为更大的岛，在新暴露的表面上发生 “二次”或“三次”成核； 9 岛与岛相互结合，形成带有沟道和孔洞的准连续体： 1 0 在沟道和孔洞处发生“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续体； 1 1 连续体开始向厚度方向生长，最后形成各种结构的薄膜。 在形成薄膜的过程中，单体在基片表面的迁徙能力非常关键，它对薄膜的结构有 直接影响。由于蒸气粒子的入射动能很低( 仅具有热运动动能，t 0 1 e v ) ，在基片表 面的迁移率非常有限，再加上有择优生长方向和阴影效应( 当蒸汽斜入射时，已沉积 的原子对未填充点的遮挡) ，最后形成的膜层内部呈“柱体+ 孔洞”状疏松结构，与块 体材料大相径庭，这是造成上述薄膜性能缺陷的根本原因。 为了改善薄膜的性能，通常在蒸镀时给基片加热或照射紫外线，镀后在空气中进 行烘烤处理，不过这些措施的使用范围和效果都非常有限，无法从根本上解决问题。 后面将要介绍的几种新技术由于在材料气化、飞行、入射、沉积成膜的某一阶段使材 料粒子能量增加而基本消除了薄膜的“柱体+ 孔洞”结构，使薄膜性能大为改善。 1 2 2 离子辅助沉积 鉴于真空蒸镀法的种种缺陷，人们很早就 开始寻求改进的方案，希望消除薄膜的柱状结 构，改善薄膜的性能。1 9 5 2 年，a u w t e r 在发 明反应蒸镀的时候，提出了应用离化气体提高 化学反应活性的建议，为后来的工作指出了努 力的方向。1 9 6 4 年，m a t t o x 推出了高压放电方 式的离子镀系统，并最早证明了离子轰击可以 使薄膜改性。此后，围绕各种产生离化气体的 方法，衍生出近代以使用荷能离子为特征的各 种新技术。 i a d 是在真空蒸镀薄膜的同时，用具有一 定能量、方向和束流密度的大面积均匀离子束 轰击基片，使薄膜改性。( 图1 3 ) 离子束是由 图1 3 离子辅助沉积示意图 单独的气体放电离子源产生的，离子的能量、束流密度、入射方向可以独立调节，离 子的种类则由使用的工作气体决定，可以是惰性气体( 一般是氩气) ，也可以是反应 气体( 一般是氧气) 或者二者的混合物。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 9 7 1 年，h e t i m a n n 首次报导了i a d 工斟”j ，引起人们的注意，但由于当时适用 于i a d 的离子源尚处于发展、完善阶段，整个七十年代对i a d 的研究进展不大。到 了1 9 8 3 年，m r t i n 、m a c l e o d 等人【1 2 】用e 一电子枪、k a u f m a n 离子源研究了s i 0 2 、t i 0 2 、 z r 0 2 膜，测量了薄膜的聚集密度和光学吸收，并用z r 0 2 - - s i 0 2 制备了中心波长漂移 小于l n m 的干涉滤光片，为后来的工作奠定了基本的模式。此后国际上出现了研究 i a d 的热潮，围绕各种材料、各种波段、各种用途开展了大量的研究工作【1 3 2 5 1 。 i a d 的主要工艺参数包括： 1 离子的种类在光学薄膜材料中，氧化物占有重要的地位，用氧离子轰击可 以补偿热蒸发造成的氧损失，有利于得到理想化学配比的薄膜。而用氩离子轰击时， 由于氩并不是所希望的化学组分，故其进入膜层后形成杂质。 2 离子的能量e 它决定了对薄膜轰击的强度。能量过高会造成薄膜损伤，一 般不超过1 0 0 0 e v ，常用的是几十到几百e v 。 3 离子束流密度 它决定了对薄膜轰击的密集程度，一般为几十几百 “a c m 2 ：但更关心的是它的空间分布是否均匀，均匀区有多大，它们分别决定了薄 膜的均匀性( 几何的、光学的) 和可用的沉积面积，具体数值与离子源的性能、离子 源出口同基片之间的距离有关。 4 沉积速率如当如较小时，有利于反应气体与蒸汽原子之间发生充分的化学 反应，缺点是晶核生长缓慢，凝结只能在大的聚集体上进行，会导致薄膜结构疏松， 颗粒大；当如较大时，能形成颗粒细而致密的膜层，有利于提高牢固度，但也会使 膜层内应力增大，有时导致膜层破裂。因此，沉积速率的选择应根据具体情况来定。 5 单位时间内到达基片单位面积内的离子数与蒸汽原子数之比r ( 一般用j j r 。 近似表示)这个参数反应了离子对薄膜生长的干扰是否及时、作用是否有力。当r 值较小时，轰击作用效果不明显；当r 值太大时，又会使薄膜生长过于缓慢，甚至无 法成膜。 6 基片温度瓦实验表明，尽管与r e 相比，即使是很小的束流密度在改善薄 膜性能方面也要比加热基片有效的多，但为了达到更理想的效果，基片加热仍然是不 可少的，特别是当离子能量较低的时候。 用电子显微镜观察薄膜的微观结构，可以明显看出，i a d 膜比v e 膜表面平整， 内部空隙小，晶粒较细。实验表明，在多数情况下，随着离子能量的提高，晶粒尺寸 变小。在低离子能量和低束流密度的情况下，获得了非晶态的t i 0 2 、t a 0 2 、z r 0 2 和 s i 0 2 膜。将t i 0 2 镀在2 5 0 的基片上或镀后用5 0 0 烘烤，得到了锐钛矿结构。 下面来看i a d 膜的性能： 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 密度在恰当的工艺参数下，各种氧化物材料的聚集密度都达到了1 。 2 折射率几乎所有氧化物薄膜材料都得到了块体材料的折射率。t i 0 2 得到了 锐钛矿结构的膜，但从未得到金红石结构。 3 消光系数影响消光系数的因素很多，如化学配比是否准确，是否混入金属 杂质，是否吸附了水分和残余气体等。r e 膜中金属杂质少，但另外两种情况比较严 重；i a d 膜恰恰相反。根据报道的实验结果来看，有的显示i a d 膜消光系数比r e 膜 小，有的则比r e 膜大，也有的在同一数量级，并无定论。 4 潮气吸附与光谱稳定性潮气吸附使光谱曲线漂移是众所周知的，对于窄带 滤光片，这一问题尤其突出。m a r t i n 等人分别用r e 和i a d 制作了z r 0 2 - - s i 0 2 多层干 涉滤光片，暴露大气后，r e 片中心波长漂移了8 n m ，而i a d 片只有l n m 。后来的研 究甚至得到了无漂移( 测不到) 的干涉滤光片。可见n d 对解决这一问题是非常有效 的。 5 应力实验发现，随着离子能量的增大和基片温度的提高，c e 0 2 膜的张应力 减小，甚至变成压应力，而t i 0 2 膜的张应力变大。对应力的认识还不清楚，目前只能 归结为与材料有关。 6 硬度、抗蚀性、附着性与r e 相比，i a d 膜在这些方面都有显著提高f 2 6 】。 宽束离子源是i a d 技术的关键。很长一段时间里，直流激励热阴极k a u f m a n 离 子源 2 7 3 8 是i a d 的标准装备，它主要存在以下问题： 1 金属对膜层的污染。由于离子的溅射，阴极灯丝( 钨) 、中和极灯丝( 钨) 和栅网都会对膜层产生金属污染。实验已经发现，随着离子能量和束流强度的增加， 薄膜中钨的含量也增加【3 9 l 。介质膜中的金属会显著增加膜的消光系数( 或吸收系数) ， 对于要求不高的场合( 多数如此) ，可以不必考虑这个问题，而对于激光陀螺来说， 这个问题是决不容忽视的。 2 只能用惰性气体，反应气体会使离子源的寿命缩短。 3 沉积面积小。由于束流均匀性不理想，实际可用的沉积区域面积受到限制， 这与具体设备有关。例如上海机械学院研制的口径1 6 0 r a m 的k a u f m a n 离子源1 4 0 1 ，可 用沉积区域只有0 1 1 0 r a m 左右，无法充分利用标准热蒸镀设备提供的高达t 3 8 0 0 m m 的工件架。 在国外，宽束离子源技术发展很快，目前射频激励的离子源1 4 1 l 已逐渐投入使用， 它不需要灯丝，可使用0 2 、h 2 等反应气体，出口有圆形的，也有矩形的。 国内对i a d 的研究始于八十年代初。1 9 8 3 年，顾培夫等人【4 2 l 用e b e r t 源研究了 z r 0 2 、t i 0 2 、s i 0 2 薄膜的聚集密度和潮气吸附。1 9 8 7 年，周九林等人【4 3 】用自制的单栅 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 k a u f m a n 源研究了t a 2 0 5 薄膜的微观结构、光吸收和光散射。1 9 8 8 年，顾培夫等人f 删 用三种离子源研究了z n s 和m g f 2 膜。1 9 9 1 年，周鹏飞等人1 4 5 用自制的0 8 0 m m 的 k a u f m a n 离子源研究了z r 0 2 薄膜的光学和力学性质。以上都是对一些常用材料的某 些方面分别进行研究。1 9 9 2 年，上海机械学院、上海技物所、上海光机所对i a d 工 艺进行了比较全面的研究【2 “，证实i a d 在膜的牢固度、附着性、抗蚀性和稳定性方 面都比常规技术有显著提高，在2 = 6 3 3 n m 处，t i 0 2 的光学常数为2 4 8 + i ( 3 6 1 0 。4 ) ， 常规技术下则为2 2 3 + i ( 1 3 1 0 4 ) 。 由于i a d 技术的沉积面积太小，目前主要用于实验室进行基础研究或小批量新 产品开发。 1 2 3 离子束溅射 i b s 是用高能量( i k e v ) 的离子轰击靶( 薄 膜原材料) ，产生溅射作用，溅出的粒子( 主要 是中性粒子) 沉积到附近的基片上成膜( 图 1 4 ) 。由于溅射粒子的动能( 几e v 十几e v ) 比蒸发粒子的动能( 0 1 e v ) 大得多，再加上 通入反应气体，有效的克服了v e 的缺点，薄 膜光、机性能大为改善。还可以再装一个低能 宽束离子源，同时实施i a d 工艺，即用高能离 子轰击靶，用低能离子轰击基片，这称为双离 子束溅射( d i b s ) 。 图1 4 离子束溅射示意图 i b s 始于七十年代中期，是在激光陀螺的需求推动下发展起来的。据k a l b t 4 6 1 1 9 8 6 年的报道，r o c k w e l l 公司正在采用d i b s 工艺制各激光陀螺高反膜。他们使用的是超 商真空环境，真空室呈圆柱状，0 6 0 0 m m x 6 0 0 m m ，内设两个宽束离予源，一个立方 体靶台，一个基片架，可以烘烤至3 0 0 。真空系统配有两台冷凝泵，两台涡轮分子 泵，一台离子泵，一台机械泵，本底真空可低于1 3 3 1 0 一p a 。在2 = 6 3 3 n m 处，制得 s i 0 2 的复折射率为1 4 6 + i ( 5 1 0 。6 ) ，t i 0 2 为2 4 + i ( 1 1 0 4 ) 。用s 偏振的光以4 5 度入射角检测，2 5 层高反膜的吸收 4 0 p p m ，透过率 5 1 0 4 ( b )ab ( n b o 。) t on d - - 7 4 e x c e l l e n tu p t a 0 5 ( t a o 。) 2 2 64 0 1 0 6 ( a )ab t on d = 7a 4 e x c e l l e n tu p z r 0 2 ( z r o 。) 2 1 92 3 1 0 5 ( a )ab t o n d = 7 4 h f o ，( h f )2 1 7 1 0 4 ( b )ab y 2 0 3 ( y ) 1 9 5 1 0 4 ( b )ab e x c e l l e n tu p a 1 2 0 3 ( a i ) 1 6 6 1 0 4 ( b )ab t on d = 7 4 e x c e l l e n tu p s i 0 2 ( s i ) 1 4 8 5 1 0 4 ( b )b t on d ：7a 4 s i o x n y ( s i ) 1 5 2 o 1 0 4 ( b )ab 8n o m e a s u r a b l ec h a n g e so nw e t a t m o s p h e r e b n o d e g r a d a t i o nb yb a k i gu p t oa n dh i g h e rt h a n4 0 0 c 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表1 2 离子镀氧化物和氧氮化物膜的非光学性能 f i i ms t 九】e t u r em i c r o s t r u c t a r ew a t e ra d h a s i o ni n d e n t a t i o ni n t r i n s i c ( d e p o s i t e d ( e l e c t r o n ( s e m , t e m ) v a p o r t o g l a s s h a r d n e s s a bm e c h a n i c a l o nu n h e a t e d d i f f r a c t i o n )s o r p t i o n( s c r a t u r e m s i o ns t r e s s g l a s s )t e s t ) r e s i s t a n c e d e n s e ， z i 0 2a m o r p h o u s abcd h o m o g e n e o u s d e n s e ， n b 2 0 5a m o r p h o u s abc d h o m o g e n e o u s d e n s e ， t a 2 0 5a m o r p h o u s bcd h o m o g e n e o u s z r 0 2 abcd