（微电子学与固体电子学专业论文）光波导用玻璃薄膜的制备及性能研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 7 随着集成光学器件的广泛应用，光波导薄膜作为其重要的组成部分，越来越 受到研究人员的重视。玻璃薄膜由于其廉价、光学性能好的特点而受到人们的青 睐。完善的光波导用玻璃薄膜制备工艺对于获得均匀并且光波导损耗小的大面积 玻璃薄膜有着重要的现实意义。薄膜的性能和制作成本对于集成光路的光学元件 的进一步集成和应用，直至出现光、电、声、磁元件结合在一起的集成器件，至 关重要。因此，对光波导用玻璃薄膜的制各技术及其性能优化的研究是十分必要 的。体文将围绕这些问题分别从理论、制备工艺和测试方法上进行探讨。 在理论上，研究了射频磁控溅射法制备薄膜均匀性的问题，基于溅射产额和 出射角分布建立靶原子散射模型，考虑到溅射设备系统工艺条件情况，对溅射粒 子的运输过程进行模拟，得到磁控溅射设备制备薄膜均匀性分布情况。 f 实验中，用射频磁控溅射的方法成功制备光波导用玻璃薄膜，研究了薄膜样 品的基本光学特性。通过选用表面光洁度高、平整的光学用玻璃片或预先溅射足 够厚的s i 0 2 薄膜的普通玻璃基片，使波导模瞬间场分布远离粗糙表面，以减少基 底损耗：通过选择1 9 0 到2 0 0 作为基片溅射的温度，使用适当的溅射功率，控 制溅射速度在2 0 h m r a i n 为宣。这样可以使薄膜折射率均匀分布，晶格缺陷降低， 散射损耗减少。必要时退火，改变折射率。从而获得制备薄膜的优化工艺条件d 测试方面，介绍了椭圆偏振仪测试薄膜光学参数的原理，对薄膜光学参数的 两种常用的计算方法进行了讨论。比较了采用遗传算法和采用蒙特卡罗方法来计 算椭偏仪测试结果的各自特点。 在腔镜高反膜系的研究中，提出了以遗传算法和模拟退火算法相结合的整体 退火遗传算法( g a s a ) 进行膜系设计的新方法。舷方法对初始条件不敏感，可以确 、一、 定膜层厚度边界，以确保制备方便。理论与实例表明该方法是高效的和可靠的。 同时，提出了比较新颖可行的腔镜镀膜工艺方法和技术路线。 少 关键词：光波导一玻璃薄膜i 均匀。曦磁控溅射，工艺条段 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no fi n t e g r a t i o no p t i c s ，r e s e a r c h e r sp a y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h eg l a s st h i nf i l m sf o ro p t i c a lw a v e g u i d e s , w h i c h a r ec h e a p a n dh a v eg o o d o p t i c a lp r o p e r t i e s a n dw e a l lk n o w , p r e f e c tp r o c e s sc o n d i t i o n st om a k e g l a s st h i nf i l m su n i f o r m ，l e s st r a n s m i s s i o nl o s sa n dl a r g e a r e ad e p o s i t i o na r ed e m a n d e d q u a l i t ya n dl o w c o s to f g l a s st h i nf i l m ss h o wg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rf l l r t h e ri n t e g r a t e d o p t i c a lc o m p o n e n t s ，e v e n i n t e g r a t e do p t i c s ，e l e c t r i c i t y , a c o u s t i c s a n d m a g n e t i c c o m p o n e n t s t h u s ，g l a s st h i nf i l m sp r o c e s sa n do p t i m i z a t i o ni sw o r t h t or e s e a r c h i n t h i st h e s i s ，w eh a v es t u d i e dm a n yi s s u e sa sf o l l o w i n g ： t h e o r e t i c a l l y , t h em e t h o d so fo b t a i n i n gu n i f o r mf i l m sd e p o s i t e db ym a g n e t r o n s p u t t e r i n ga r ed i s c u s s e d b a s e do n t h en o n u n i f o r me t c hf i g u r e so ft h em a g n e t r o nt a r g e t a n de j e c t i o na n g l ed i s t r i b u t i o n ，at a r g e ta t o ms c a t t e r i n gm o d e li sb u i l t c o n s i d e r i n g e q u i p m e n ta n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，w et a k em o n t ec a r l os i m u l a t i o n so ft r a n s p o r to f s p u t t e r e dp a r t i c l e s t h e nw e o b t a i nt h i nf i l mu n i f o r m i t yd i s t r i b u t i o no ns u b s t r a t e e x p e r i m e n t a l l y , w ep r e p a r eg l a s st h i nf i l m sf o ro p t i c a lw a v e g u i d e sa n dm e a s u r e t h eo p t i c a lp r o p e r t i e s s p u t t e r e do ns l i c ko p t i c a lg l a s ss u b s t r a t e so rn o r m a ls u b s t r a t e s w h i c hh a v e b e e n s p u t t e r e ds i 0 2e n o u g h ，w a v e g u i d i n gg l a s s t h i nf i l mh a v el e s s t r a n s m i s s i o ns u b s t r a t el o s s ，k e e p i n gw a v e g u i d i n gm o d e sf a rf r o mr o u g hs u r f a c e s ；t h e s u b s t r a t e st e m p e r a t u r ei s1 9 0 ct o2 0 0 c ，s p u t t e r i n gv e l o c i t - ji s2 0 n m m i n ，t h et h i n f i l m sa r em o r eu n i f o r m ，h a v el e s sc r y s t a ld e f e c t sa n dl e s sd i s p e r s i o nl o s s ；a n n e a lc a n c h a n g e t h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h et h i nf i l m t h u s ，w eo b t a i n o p t i m i z e dp r o c e s s c o n d i t i o n sf o ro p t i c a lw a v e g u i d i n g g l a s s t h i nf i l m s i nt h em e a s u r e m e n tp a r t ，w ed i s c u s st h e o r yo ft h et h i c k n e s sa n dr e f r a c t i v i t y c o m p u t a t i o ni ne l l i p s o m e t r ym e a s u r e m e n t t w om e t h o d s ：t h eg e n e t i ca l g o r i t h ma n d m o n t ec a r l om e t h o da r ei n t r o d u c e dt ot h ec a l c u l a t i o nf o rr e f r a c t i v i t ya n dt i f f e k n e s so f t h i nf i l m s w e g i v et 1 1 e i rm e r i t sa n d d e m e r i t s i i 华中科技大学硕士学位论文 i nt h er e s e a r c ho fv e r yh i g hr e f l e c t i v i t ym i r r o r , an e wc o a t i n gd e s i g nm e t h o d ( g e n e r a la n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h mc o m b i n i n gg e n e t i ca l g o r i t h m w i t hs i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ) i sp r o p o s e d t h i sm e t h o d i sn o ts e n s i t i v ef o r t h ei n i t i a lc o n d i t i o n s a n dt h eb o u n d a r yo ft h ec o a t i n gt h i c k n e s sc a l lb ed e t e r m i n e d ，t h u se n s l l l et h a tt h e p r e p a r a t i o no fc o a t i n gi sc o n v e n i e n t ，t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a le x a m p l e ss h o w t h a tt h e m e t h o di sh i g t f l ye f f e c t i v ea n dr e l i a b l e m o r e o v e r , w ep u tf o r w a r dan o v e lp r o c e s s o b t a i n i n gv e r yh i g hr e f l e c t i v i t y m i r r o r s k e y w o r f l s o p t i c a lw a v e g n i d e s m a g n e t r o ns p u t t e r i n g g l a s st h i nf i l m s u n i f o r m i t y p r o c e s sc o n d i t i o n s l i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 光波导用玻璃薄膜是研制各种集成光学器件不可缺少的一部分。其制备技术 是涉及材料、光学、薄膜物理等多学科交叉的高新技术。 光波导用玻璃薄膜主要用于光通信器件和非接触式精密传感器件。它的产生 源于现代社会的广泛需求和科技的发展。近年来，随着网络的迅速普及和信息交 流方式的改变，人们越来越要求宽频带、高速度、高质量的信息传输。网络建设 的不断推进、通信业务的不断增加、网络通信容量压力的增大、传输宽带化的发 展，促使现有网络向光网络演进，光波导器件将成为影响光网络传输性能的瓶颈 之一。这样我们就有必要研究出性能优越而且廉价的光波导用玻璃薄膜，构成各 种集成光学器件的功能部件。除了在成像系统中的光学元件外，激光器谐振腔镜、 望远镜、显微镜、全光网络中所必须用的光纤放大器，密集波分复用器件，都要 用到光波导薄膜，以及其它一些器件，比如光隔离器、光栅、光耦合器、偏振片 等。总之，光波导用光学玻璃薄膜已经在光学系统中广泛应用。 现代集成光学的飞速发展和迅速应用也给薄膜的制备和性能带来了很多新的 课题。集成光学是研究基于薄膜能够传输可见光光频段的电磁能。1 9 6 2 年至1 9 6 8 年期间开始进行了薄膜波导现象的若干研究，当时他们似乎出于不同的目的，但 是大多数研究成果现在被认为是属于集成光学领域的知识的基础。1 9 6 8 年带来了 集成光学潜力的宏伟前景，这年也是延续至今紧张而富有成效的研究活动时期 的开端，集成光学器件必须是装备紧凑和微型化、机械稳定性和热稳定性高、功 率耗散低，而且最好能在一块公共的衬底或芯片上集成，这些要求促进了薄膜制 作技术的改进和发展。 目前，薄膜制备技术已经发展成为门独立的技术，些国家已经具有独立 的研究所和生产厂家。光学薄膜技术从理论、计算、设计、测量和工艺已经形成 完整的体系，广泛地应用于日常生活、工业、农业、建筑、交通运输、医学、天 华中科技大学硕士学位论文 文学、军事和宇航等广阔的领域。 1 2 薄膜光波导简介 本课题制备的玻璃薄膜主要是用来制作光波导，为此有必要了解一下薄膜光 波导原理。 如下图1 1 薄膜光波导的剖面结构，它是由三层组成，中间为波导薄膜，其折 射率为厚度在l 帅左右。下层为衬底，折射率为门2 ，上层为包层或称覆盖层， 折射率为传，如果吃= n 3 ，则称为对称波导，反之则称为非对称波导。此时它 们的关系是玛 n 2 n 3 ，由于啊是三者中最大者，因而光波被限制在波导薄膜中， 并沿z 轴方向传播。 m mn i r 1 1 2 l 1 3 圈1 1 玻璃薄膜波导示意图 若薄膜折射率是均匀不变的，称为阶跃折射率波导，或者称为平板波导，若 折射率随坐标缓慢变化，则称为渐变折射率薄膜波导。薄膜波导的横向宽度一般 在l o - - 2 0 m m ，与波长相比可视为无限宽，即光波在y 方向不受限制。而其厚度和波 长量级相同，所以在x 方向上光波是受限制的。因此，在讨论薄膜波导时，只需分 析x 方向的变化，这常称为一维问题，薄膜波导又称为平面波导。 介质波导理论可以从不同角度建立起来。首先，是建立在麦克斯韦方程组基 华中科技大学硕士学位论文 础上的媒质波导电磁理论：其次，从射线光学角度，建立了锯齿波模型的波导理 论。把波导中的光波看成是在薄膜的上下两个界面来回反射的光线，而且走的是 一条锯齿形路程。 从锯齿波模型出发，可以比较简单和直观地推导模方程，讨论媒质波导理论 的基本概念，处理棱镜、光栅耦合器、表面散射等许多问题。另外还可以用波动 光学方法，或者称为电磁场理论方法，从量子力学角度，建立了势阱模型的波导理 论。 1 3 玻璃薄膜制备技术发展状况 事实上，有两种不同的在玻璃表面获得薄膜的途径，那就是磨蚀和沉积两种 途径。 通过磨蚀获得的玻璃表面薄膜是用来形成抗反射膜层的首项专利技术u j 。然 而，通过这种方法得到的薄膜的化学和机械稳定性十分有限。随着其它工艺的出 现和发展，磨蚀法渐渐地失去了对人们的吸弓 力。当然，它有时也作为一种沉积 技术后续辅助。我们下面将讨论沉积技术。 对于沉积技术，几乎所有类型的材料都能在几乎所有类型的基片上制备出理 想性能的薄膜材料，因此对沉积技术而言其更具有通用性。即使在某些限制条件 下，它也可以制备得到性能良好的薄膜堆栈和厚达毫米数量级的性能良好的薄膜。 对于每一种应用，基片的类型、薄膜材料、沉积的工艺方法和沉积工艺条件等因 素，直接影响到成品的质量。通过不同沉积因素组合得到的薄膜性能也不相同， 并且每种组合得到的薄膜性质都各有优缺点。也就是说，并没有一种绝对理想的 工艺。p u l k e r 2 1 对此有更详细的论著。薄膜的制备方法以气相沉积方法为主，包括 物理气相沉积( p v d ) 方法和化学气相沉积( c v d ) 方法，物理气相沉积中只发 生物理过程，化学气相沉积中包含了化学反应过程。常用物理气相沉积方法是真 空蒸发。分子束外延是一种超高真空中进行的缓慢真空蒸发过程，它可以被用来 生长外延的单晶薄膜。另一种常用的物理气相沉积方法是溅射，反应溅射是在溅 射一种原子的同时和另一种原子发生化学反应，它可以用来生长化合物薄膜。化 学气相沉积方法包括常规的化学气相方法和金属有机化学气相沉积方法 华中科技大学硕士学位论文 ( m o c v d ) 。近几年来发展的激光熔蒸法利用激光脉冲熔蒸靶材中的原子或分子 到衬底上形成薄膜。非气相沉积方法有：液相外延、固相外延、朗布尔一布洛特 ( l a n g m u i r b l o d g e t t ) 法，s o l g e l 法等a 不论何种方法都要满足表1 1 的要求。最常用的光学薄膜沉积方法是商真空 热蒸发方法，在过去的2 0 年中，溅射成为在大面积沉积【3 j 和极高质量薄膜f 町方面 的极其有潜力的沉积方法。最近，c v d 也在沉积高质量大面积薄膜方面显示出潜 6 - s 。 表1 1 光学薄膜沉积过程必须满足的要求 要求 注释 硬度和耐久性 稳定性 精密度 大面积 极薄、极厚膜层 基片形状 复杂性 弹性 沉积过程不会破坏沉积材料固有的硬度和耐久性( 如油污染、 残留气体和不均匀的温度分布等) 真空沉积的薄膜很明显是扁平柱状结构。这很容易使它受到潮 气渗透的侵害，导致移位和水侵蚀的发生。 光学干涉薄膜要求膜厚和折射率的公差小于l 工艺是否具有获得大面积沉积的能力是要考虑的重要的经济 因素 通常光学膜层有 4 的光学厚度， 是入射光波长。对于一些 设计技术( f l i p - - f l o p ) 1 5 】非常薄的膜层和一些用于保护目的的膜 层是必须的 用于沉积光学膜层的基片有很多形状：平面、球面、透镜面等 光学膜层有非常复杂的结构( 例如红外滤波器) ，具有多层( 可 达1 0 0 0 层) ，并且用多种不同的薄膜材料( 可达5 种) 。 塑料基片通常是软的，在其大幅变形后，薄膜必须随之无损恢 复。 高真空热蒸发能制备各种满足表1 1 要求的简单或复杂的多层膜。大多数光 学膜是通过这种方法制备的。它能灵活地适应各种情况和尺寸。然而，美中不足 4 华中科技大学硕士学位论文 的是沉积的薄膜并不十分稳定，常常因潮气产生移位。原因是由于其微观结构有 过多的缺陷嘲，但这可以通过离子化解决这一问题【l o 】【l l 】，只是对于本就要求高真 空( 0 0 0 5 p a - - o 0 5 p a ) 的这种昂贵方法成本再一次增加a f i g 1 2p e r f o r m a n c er a t i n g so ic u r r e n ta n de m e r g i n go p t i c a l c o a t i n gp r o d u c t i o np r o c e s s e s 图i 2 不同溅射方法的优劣比较图 除了真空蒸发外，最常用的物理沉积方法就是溅射。溅射在两个领域已经完 全代替了真空热蒸发，那就是极高质量薄膜沉积和大面积沉积。这两个方面由两 个不同的溅射过程。高品质玻璃薄膜通过粒子束溅射得到，这种沉积过程的速率 0 1 n m s ；大面积玻璃薄膜沉积要通过反应磁控溅射制备，它的溅射速率与热蒸 发相当，但是存在着吸附作用，在溅射多层膜时就不如热蒸发方便。由于溅射到 衬底表面的原子或分子，有一定的动能，使之在基片表面运动到能量最低点，溅 射得到的薄膜微观结构不会有太大的缺陷。 华中科技大学硕士学位论文 化学气相沉积法用气相化合物分子携带所需的原子在衬底上经过分解而沉积 下来，用几种气相化合物分子可以携带几种原子在衬底上形成化合物薄膜。在两 种情况下，低压化学气相沉积法( l p c v d ) 和粒子束化学气相沉积( p i c v d ) ， 需要1 0 1 5 0 p a 的气压，这比真空要容易达到得多。c v d 方法的优点就是可以用 廉价的设备得到高品质的玻璃薄膜，但是它受到基片尺寸、形状、导电性能以及 膜层材料的影响。 我们通过图1 2 对比评价这几种方法各自的优势，各种方法的性能用十个等 级进行描述。 1 4 光波导用玻璃薄膜研究现状和应用前景 玻璃薄膜最早用于在光学元件表面保护膜，随后，1 8 1 7 年，f r a u r t h o l e r t ”l 在 德国用浓硫酸或硝酸侵蚀玻璃，偶然第一次获得抗反射膜。1 8 3 5 年以前有人用化 学制造法沉积了薄膜，他们是最早在世界上制备的光学薄膜。5 0 年代除大块窗玻 璃增透薄膜的一些应用外，化学溶液镀膜法逐渐被真空镀膜取代。现在真空蒸发 和溅射这两种真空物理镀膜工艺是迄今在工业上制备光学薄膜的主要的工艺，他 们被大规模的应用。 现在光波导用玻璃薄膜能否被广泛应用的关键在于它的导光性能，而这其中 最主要的是损耗和色散。集成光路中的光波导一般要求满足以下几方面：单模传 输、低传输损耗、同光纤耦合效率高等。一般把波导损耗的来源分为三个部分， 即材料吸收、界面损耗、散射损耗。其中，可选择靶材和簖温退火改性，通过移 去带通波段的吸收峰，来减小材料吸收损耗，对于其它两部分损耗，通过选择不 同波导结构使波导模瞬间场分布远离粗糙表面和改进工艺制作过程减少晶格缺陷 来降低。因此，减小损耗最重要的是使波导模瞬逝场分布远离租糙表面，目前普 遍选择条载波导、脊型或倒脊型波导等结构。p e t e r s 1 3 1 等人制作的条载波导，其损 耗值仅为0 2 o 3 d b c m ( 凡= 0 6 3 3um ) 。b e z z o u i ”1 等人研究了单模传输条波导的 性能，其中s i o n 层厚度为0 5 u m ，s i 0 2 的脊宽w 为3 5 u m ( 对于o 6 3 3 u m 的 波长) 或w 为5 u m ( 对于o 8 3u m 的波长) 。通过c u t b a c k 测试方法得到上面波 导结构的传输损耗小于o 5 d b c m ( 对于o 6 3 3um ) 以及小于1 d b c m ( 对于0 8 3 华中科技大学硕士学位论文 pm ) ，应该说这个数值对于集成光学器件来讲是比较低的。b r u n o 【i j 等人研究了 s i o n 光波导在1 5 u m 波长传输的性质。通过对薄膜在1 0 5 0 1 1 0 0 温度下退火， 此时波导的损耗值己降至o 3 6 d b c m 。此外，加热c v d 工艺形成光波导结构损耗 为0 ，4 d b c m ( 0 6 3 3ur a ) ；氮离子注入s i 0 2 形成光波导的损耗为0 1 d b c m ；热氮 化工艺制作的光波导，其损耗已低至0 0 6 0 3 l d b c m ；低温p c v d 形成的波导结 构损耗值虽然为i 5 d b c m ，但经过6 0 01 0 0 0 温度下退火后，损耗值己降至 i d b c m 以下，最低可达到0 4 d b c m 。上述结果表明，随着薄膜制作工艺的进一步 改进，形成的玻璃薄膜光波导将会在集成光学、光电子技术等领域发挥更大作用。 光波导用玻璃薄膜制备工艺的发展随着近些年光通讯的广泛应用而飞速发 展，其中成功地用溅射方法制成低损耗薄膜所最早使用的一种材料是康宁7 0 5 9 玻 、 璃”。这是一种派热克斯型玻璃，制成厚度为1 5 m m 左右的玻璃片，由此切割出 圆形的溅射阴极。不过，由于这种玻璃极脆，要做到这点相当困难。由这种材料 生动地证明了，溅射中的组分漂移、优先溅射现象。溅射处理的薄膜与靶材料的 成分不一定相同，由7 0 5 9 玻璃靶溅射而在7 0 5 9 玻璃衬底上形成的薄膜波导层， 其折射率比原始材料的折射率要高。块状7 0 5 9 玻璃的成分按重量计是：5 0 2 ， 2 5 1 ，1 3 0 ，1 0 7 和o 4 。n i s h i m u r a f 玎j 等已经证明了溅射薄膜的钡含量与块 状玻璃的不同。实验室中的化学分析用的电子能谱学( e s c a ) 分析并未发现有任何 证据表明在纯氧中，由7 0 5 9 玻璃溅射而得到的薄膜中含有硼。此外，也观察到溅 射薄膜的折射率随淀积过程中输入功率的变化而改变。p i t t 在氩、氩氧混合气、氧 分别中溅射7 0 5 9 玻璃，也发现了这一现象。他注意到氧含量对溅射薄膜的损耗和 折射率有和很大的影响。在纯氩的溅射薄膜的折射率是1 7 ，损耗大于1 0 0 d b c m 。 然而，有2 0 氧气则能制取低损耗的薄膜，其折射率反比体型玻璃折射率高l 左右。随溅射功率的变化，6 3 2 8 a 时的薄膜折射率在1 5 3 到1 5 9 范围内变化。 高折射率的薄膜已由溅射钽和铌而制得。h e n s l e r 旧肄人用金属阴极溅射得到 钽膜，然后把它进行氧化处理。他们报道对t e 波在4 8 8 0 a 薄膜折射率为2 2 7 6 7 ， 、 在5 1 5 4 a 为2 2 4 2 3 ，在6 3 2 8 a 为2 2 1 3 6 ，而对t m 波这些值稍有不同，f u j i m o r i t l 0 】 等用相同的方法作了十分详细的研究工作。 m c g r a w 和z e r n i k e 叙述了在氩氧混合气体中反应溅射铌制得n b ，o 。薄膜的方 华中科技大学硕士学位论文 法。他们报道的薄膜折射率在4 8 8 0a 处为2 3 7 0 ，在6 2 3 8a 处为2 2 7 6 i i “。 国内以前有实验室用射频磁控溅射选择s i 0 2 为靶，n 2 a r 为反应气体，总气 压为0 6 p a ，其中n 分压要求在l 1 0 一t 0 6 p a 范围内改变，目的是获得不同的 氮含量。调节射频功率在2 0 0 4 0 0 w 范围内，实验给出下面的淀积条件，即在 ( a n 2 ) 总气压为o 6 p a ，n 2 分压为o 0 6 p a ，基底温度为1 0 0 。c ，射频功率4 0 0 w 情 况下，薄膜的折射率可准确重复( 其数值为1 6 8 0 0 1 ) 。通过i r 吸收谱和a u g e r 深度剖面分析，在研究薄膜组分的同时，没有发现多孔效应。 他们再采用反应射频磁控溅射，溅射靶为多晶硅，靶的下面有一个尺寸为 6 0 c m 6 0 c m 平台，真空室气压小于0 7 1 0 p a ，温度为4 0 0 ，射频功率为 l s k w ( 1 3 5 6 m h z ) 。在溅射时使用气体的总气压为o 8 p a 。如果是时和0 2 混合， 比例为3 ：l ，它是用于形成s j 0 2 薄膜的；当氮气和氧气混合，控制比例在1 0 0 ： 6 到1 0 0 ：3 5 ，这是用于形成s i o n ：如果单纯使用氮气，目的是形成氮化硅。 总之，对光波导用玻璃薄膜，国内很多人做过很多有益的探索，但是一般都 局限在一些氧化物薄膜，很少对体材料光学性能较好的玻璃材料进行系统研究， 这就是本课题的出发点和落脚点。 在应用前景方面，由于玻璃介质具有一定的折射率，一般是比衬底折射率高： 做成光波导以后，传输损耗要小于每厘米一分贝：并且具有多种功能，工艺上便 于成膜和器件制作与集成；在外界各种工作环境下具有长期稳定工作的性能。因 此玻璃薄膜特别适用于集成光学器件方面。 因为光波波长比波长最短的无线电波还要短四个数量级，因而它具有更大的 传递信息和处理信息的能力。然而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对 准和准直困难，不能适应光电子技术发展的需要。采用类似于半导体集成电路的 方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系 统问题的一种途径。这样的器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低， 使用方便等优点。 现在已经做出了很多对应于大块光学元件的各种玻璃薄膜波导元件，如薄膜 媒质光波导、薄膜激光器、耦合器、调制器、开关、偏转器、薄膜透镜、棱镜、 探测器、滤波器、光学双稳态器件、半加器回路、模数转换器、傅里叶变换器、 华中科技大学硕士学位论文 频谱分析器、存储器等。在光波导中，观察n - - 次谐波产生、混频、受激布里渊 散射、受激喇曼发射等非线性光学效应，以及薄膜中像的传输和转换等现象。 因此，薄膜的性能和制作成本对于集成光路的光学元件的进一步集成和应用， 直至出现光、电、声、磁元件结合在一起的集成器件，是至关重要的。因此，对 光波导用玻璃薄膜的制备技术及其性能优化的研究是十分必要的。 1 5 本文的主要研究内容及结构安排 本课题是香港城市大学课题( 关于薄膜光波导) 的协作课题，其目的在于通 过溅射方法制备光波导用玻璃薄膜，并通过对其特性的钡4 试，对其各种参数的计 算，使其达到制作薄膜光波导的特定要求。本课题的技术关键在于要找到良好的 靶材，并要求通过多次试验以得出最佳的薄膜沉积工艺条件：溅射功率，溅射气 压，基片种类，靶与基片距离，基片温度，靶材成份，退火温度等。本文首先是 对作为薄膜磁控溅射模拟作了一些有益的分析，期望对溅射薄膜工艺优化提供有 价值的参考：采用磁控溅射法制备了一系列玻璃薄膜，并讨论了工艺对其光学性 能的影响；对玻璃薄膜的设计优化进行了一些研究：在文章最后，作者还将介绍 在激光腔镜高反介质膜方面所做的工作。 全文的各章节安排如下： 1 ) 光波导用玻璃薄膜的研究现状及发展概况，引出本文的主要内容及本课题 的研究意义和应用方向。 2 ) 在分子动力学基础上对薄膜磁控溅射过程进行模拟，希望通过模拟结果对 薄膜溅射工艺优化提供理论指导，制备出厚度和光学性能均匀的玻璃薄膜。 3 ) 详细介绍了玻璃薄膜的制备工艺，以及制备工艺对玻璃薄膜光学性能，导 光性能的影响。 4 ) 介绍了光波导用玻璃薄膜光学参数的测试设备及测试原理，并对计算方法 进行讨论。 5 ) 对激光器腔镜高反膜介质膜系进行设计，并对腔镜镀膜工艺进行研究。 6 ) 全文的总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 磁控溅射制备薄膜的均匀性研究 用带有几十电子伏特以上动能的粒子或离子轰击固体表面，靠近固体表面的 原子会获得入射粒子所带动能的一部分进而在真空中释放出来，这种现象叫溅射 1 4 - t s l 。研究磁控溅射制备薄膜的均匀性，必须从研究溅射过程入手。溅射被广泛 用于样品表面的刻蚀及表面镀膜等薄膜工艺中，由于离子在电磁场中容易加速和 偏转，因此在溅射镀膜过程中，荷能粒子一般采用不容易与被溅射材料产生化学 反应的惰性气体粒子。 考察溅射现象要从三方面入手：从入射离子考虑，研究溅射产额( 每一个入 射粒子能溅射出的靶原子或离子数) 与入射离子的能量、入射角、靶原子质量和 入射离子质量比m 2 m l 及入射离子种类的关系；从靶考虑，研究溅射效率与靶原 子的原子序数、靶表面原子间的结合状态、结晶取向以及靶材的成分等因素的关 系。从溅射产物考虑，研究溅射出的离子种类、能量和角度如何分布以及运动过 程中的散射等影响沉积薄膜性质的因素。 在使用s p f - - 4 3 0 h 射频磁控溅射系统的过程中，我们发现磁控靶经过长时间 的使用后，其表面形成了一个刻蚀圆环，且刻蚀圆环内的刻蚀深度延靶径向呈近 似的正弦函数( 自变量在0 一2 范围内) 分布。刻蚀深度的径向不均匀分布显 然与溅射产额的径向分布有关，溅射产额与靶表面荷能离子的能量和角度分布， 以及靶材、靶电极磁控磁场的分布等因素又有关系。关于溅射和射频溅射的计算 机模拟已经有许多文章进行了较详细的介绍【1 7 - 1 9 】，作者们考虑的是溅射频率、离 子碰撞等和磁场无关的因素在溅射过程中对入射到靶表面的荷能离子的能量以及 角度分布的影响，然而，在射频磁控溅射中，靶的磁控磁场对入射的荷能离子的 能量及角度分布起着重要的作用。基于上述原因，在这一章中，我们首先建立射 频磁控溅射的单离子模型，用m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，得到s p f - - 4 3 0 h 射频磁控 溅射系统的溅射产额沿靶径向的分布，然后，进一步计算射频磁控溅射制备的薄 膜厚度的相对分布，为研制均匀的玻璃薄膜打下了基础。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 磁控溅射产额研究 2 1 1 磁控溅射单离子模型 射频磁控溅射过程相当复杂。我们知道，在两平行电极上加足够的电压，平 行电极间的气体就会分裂成带负电荷的电子和带正电荷的离子，这种电离状态形 成物质的第四态一等离子体口m ，等离子体的性质主要取决予带电粒子的运动，等 离子体中的带电粒子和寻常气体中的中性粒子以不同的方式进行运动。寻常气体 中的中性粒子的相互碰撞是短程相互作用，其有效相互作用半径远远小于其平均 自由程，在绝大部分时间内，每个粒子都做匀速直线运动，碰撞时，它们的运动 速度和方向只是发生瞬间的突变，运动的轨道是一些长短不一的直线组成的折线。 在远远大于粒子平均自由程的空间尺度上，气体粒子运动是局域的、彼此关联的 运动，每个粒子都不可能运动到超过平均自由程的距离。在此基础上，粒子的微 观运动就显得不重要了。气体作为整体可以看成是连续介质，可以用宏观流体模 型处理。但是，对等离子体来说，带电粒子的运动就复杂得多，在强电离体中， 带电粒子之间的相互作用控制等离子体的性质，同时，带电粒子的运动受到外界 电场、磁场的作用而发生变化。 从物理学的角度研究电磁场中的等离子体问题，使用的方法有两大类：近似 处理和统计处理。近似处理法又分为单离子处理和流体力学处理两种，单离子处 理法把等离子体作为独立的粒子体系，然后根据牛顿运动方程来确定带电粒子在 电磁场中的运动轨迹。这种方法完全忽略了粒子之间的相互作用，它适合于对稀 薄的等离子体的研究，而且它是统计处理的基础。 等离子体能够用经典理论处理的条件是：粒子的德布罗意波数k = 手的倒数 远远小于粒子的平均距离，即： 芒： d( 2 1 ) 22 1 m k t 其中m 是粒子的质量，h = 6 6 2 6 1 9 6 x1 0 - 3 4 焦耳秒】是普朗克常数，d 是粒 华中科技大学硕士学位论文 子平均距离。 等离子体中的粒子总是存在着相互作用的，但是，在讨论等离子体的一些性 质，尤其是平衡态的性质时，往往可以把它作为理想气体来处理，即每个粒子是 相互独立的，这时粒子之间的平均库仑相互作用势能比粒子的热运动特征动能小 得多，即： 兰丛 灯 (2-2)4 r r e n d 、 令2 ；! ：! ! ：为朗道长度，s 。= 击1 0 - 9 【法拉米_ 1 】是真空电容率， 4 。k t j o z 一 k = i 3 8 1 0 【焦耳度一1 】，e = 1 6 ) ( 1 0 - 1 9 库仑】是电子电荷，磊、z p 是n 、b 类 带电粒子的电荷数。那么 ，l 兄： l( 2 3 ) 其中，n 是等离子体每单位体积内所含带电粒子个数，p = n k t 为等离子体的压强。 在s p f - - 4 3 0 h 射频磁控溅射系统中，磁控靶与基片架平行，基片接地，磁控 靶接阴极。在阴极上施加溅射功率时，溅射功率使溅射气体产生电离，形成辉光 放电等离子体，且在靶和基片表面各形成一个电极鞘。由于接地的面积远远大于 靶面积，所以靶电极鞘形成的电场比基片电极鞘形成的电场要大，这样，等离子 体中带正电的粒子就不断地进入靶电极鞘，在靶电极鞘中的电磁场的作用下形成 荷能粒子。荷能粒子碰撞靶表面使阴极靶原子被溅射出来。同时，溅射产物中的 二次电子又不断地与溅射气体分子发生电离碰撞，维持辉光放电的正常进行，使 等粒子体稳定。荷能粒子在靶电极中鞘中运动时，它受到磁控靶磁场的作用和与 溅射气体发生碰撞，其能量和角度分布发生变化。 假设溅射气压p _ 小于1 0 m t o r r ，溅射气体为心气，腔体内的等离子体稳定 时，温度为5 1 0 4 0 】( ，由p - - - - n k t 可得胛= 1 9 3 2 1 0 ”，五3 = 2 4 4 8 x 1 0 3 】， 腔体内的等离子体满足气体稀薄条件。因为溅射气压小于1 0 m t o r r 时，等离子体 满足气体稀薄条件，所以，可以把它作为理想气体处理。这样，我们就可以对于 华中科技大学硕士学位论文 低气压的溅射过程建立如下单粒子理论模型： 1 ) 等离子体满足气体稀薄条件时，可以把它作为理想气体进行处理。 2 ) 等离子体中各粒子的速度满足麦克斯韦分布。 3 ) 在靶电极鞘上部( 等离子体一端) ，带电粒子以满足麦克斯韦分布的初速 度进入靶电极鞘，然后，它们受其电磁场作用，满足牛顿第二定理运动。 4 ) 靶电极鞘的长度采用l o 毫米。 5 ) 由于射频频率极高( 1 3 5 6 m h z ) ，假设在每一周期内，带电粒子的运动是 匀加速运动。 6 ) 带电粒子进入靶电极鞘的初始位置限定在半径为5 c m 的圆内，且随机确 定。 有了以上的单粒子理论模型，我们就可以建立m o n t ec a r l os i m u l a t i o n 的概率 过程。 2 1 - 2 溅射产额的蒙特卡罗法模拟 1 ) 离子体中带电粒予的热运动速度满足麦克斯韦分布。 麦克斯韦速率分布的般形式为： f ( x ) = h ( x ) f 】( x ) 其中胁) ： 州等嵩 h ( ，) = ( 连m x p ( 一知( 删) 2 r e2 。 0 ( 工 1 ) 配( d 是核阻止截面，并且 s 。( e ) = 4 e 2 而z i z zs 。( s ) 华中科技大学硕士学位论文 s 。( s ) 是l i n d h a r d 给出的函数，其近似解析式为 剐加高掣案淼1 + 6 3 5 5 s + s ( 6 8 8 2 占一1 7 0 8 ) z l 和z ：是入射粒子和靶原子的原子序数，e 是电子电荷，s = i 昙7 若各是 约化能量，口；0 8 8 5 3 a 。7 芎兰彳是t h o m a s - - f e r m i 屏蔽半径，口o = 0 , 5 2 9 a 是玻尔 1 4 z 芦+ z 擎 半径。 若直接利用s i g m u n d 溅射产额公式对多晶靶进行低能a r 离子溅射的溅射产 额计算，通常得到的溅射产额y 比实验值大很多，其原因是在s i g m u n d 溅射产额 公式的推导过程中，假设了“只有能量大于表面升华能u o 的反冲原子才能射出” 的假设。我们知道，多晶靶的表面升华能u o 只由多晶靶各元素本身的性质决定， 与入射粒子的原子量m l 无关，不是粒子一靶组合的特征参数z 的函数，而溅射产 额与入射粒子和靶的组成等因素有关，所以假设靶的溅射产额不是反比于靶的表 面升华能u o ，而是反比于具有靶一粒子组合特征的溅射阈值能民更合理。溅射 阈值能e t l 的拟合公式吲：厶= u 。) ( p ( z 形 考虑到反冲原子到达靶表面的能量小于溅射阈值能e c h 时，靶原子不可能被溅 射，溅射产额y 等于零，采用m a t s u n a m i 提出的靶原子核阻值截面s 。( e ) 的低能 修正因子g ( e ) 口4 1 ( 修正因子g ( e ) = l j 。) 。最后，我们得到修正的s i g m u n d 溅射产额公式：y = o 0 4 2 善g ( e ) s 。( e ) ( 2 - - 1 6 ) l 聃 有了以上数量化的各步骤，我们就可以模拟溅射产额沿靶的径向分布。 2 13 溅射粒子出射角沿径向分布 我们考虑以下几个方面的内容： 我们根据离子放电区的电场和磁控靶计算灯离子进入靶的轨道。因为，其自 华中科技大学硕士学位论文 身热运动能量相对于外加电场和磁场可以忽略，衄离子运动情况可以被确定下来。 定性地讲m 粒子的运动轨迹是e h - - 种运动的合成，一是带电粒子在垂直于磁场雪 的平面上作圆周运动；二是带电粒子沿着圆周运动的圆心沿着五后方向的漂移运 动即是沿平行靶表面的环形隧道运动；三是圆周运动的圆心在电场雷沿磁场西的 分量的反方向加速运动。溅射粒子在靶表面的分布也可得到。 假设所有的工作气体离子的能量在靶表面完全消耗了。整个作用过程的热运 动方程可以得到解析数值解，方程的边界条件要求靶的冷却系统保持靶的温度不 变。然后，根据热动方程( 热分析) 计算靶表面温度得到的m a x w e l l i a n 随机数作 为靶原子出射的初速度。 靶中原子轨道用分子动态技术仿真，用速度v e r l e t 方法解原子间势能牛顿方 程， 对于x x 相互作用( x 代表靶原子) ，原子间势为1 3 1 1 x _ x 爿) = 以1 _ e - a ( q 训) 2 一d 对于x 一心相互作用，通用的z i e g l e r 势能【2 0 】为： x m 撕) 2 华y 。 l 矿。= 0 1 8 p 一32 。+ 0 5 1 p o9 4 1 + 0 2 8 e 0 4 0 。+ 0 0 2 8 e 0 2 0 。 入射m 离子消耗在碰撞摩擦期间的能量e 与其速度成正比。 溅射出的靶原子一般不会通过最短路径离开靶表面，因此这些原子有一定的 出射角。从靶原子受到m 离子作用，到靶原子动能增加到其动能恰恰大于其束缚 能为止。 m d 方法的边界情况是在靶表面模拟