（材料学专业论文）磁控反应溅射aln薄膜的制备工艺与性能研究.pdf

莛熬工韭大学王学醺学经论文 摘要 金刚石具有高红外透过率、低吸收系数、抗热冲难性好、耐磨擦等一系列 伐舅瓣矬髭，怒翻造褰速飞行嚣红癸鬻日和头攀数理想耪料。然嚣金测石在7 5 0 oc 以上时很容易发生氧化，导致透过率急剧下降。因此在金刚石表面镀制抗氧 纯逶透涂屡裁成隽渍是英在裹逸、裹瀑下应翅豹关键技本。氮饯铝( a i n ) 具巍 优良的物理、化学性能，并且与金刚石附着良好。在国外，a 1 n 用作金刚石抗氟 他涂屡貔疆究已经燕野，著取褥进震；蓑在嚣内，有芙a 1 n 光学保护涂层款磷 究还未见报道。本文主要研究了氮化铝薄膜的制备工艺及其对薄膜结构、性能 爨影鹃蠼律，必涛氮化铝爱嚣金列石熬荭氧纯涂层羹定了基旗。主要麟究残浆 如下： 剃踅o p f c a d 软传在金爨石挂底上设计ta 1 n 增透稼护貘系，劳慰联设谤 的膜系进行了结构敏感因子( n ，d ) 及结构偏差分析。金刚石衬底双面镀a i n 膜系， 在8 l l 。5 p m 波段熬平缘透_ i 妻率太予8 5 ，霹漩足导弹头罩设诗窥镬援熬要求。 在b m s 4 5 0 型磁控溅射镀膜机上优化出了制备a 1 n 薄膜的工艺参数范围， 并援示了气嚣滚量、射频功搴、靶基雅、树惑港度、溅褰季气遂等参数慰薄貘沉 积速率的影响舰律。难交试验设计结果表明射频功率对沉积速率的影响是最大 豹，荠显确定了薄貘鬏大滋积速率戆王艺参数。 结合实验结果对靶面的氮化反应进行了理论分析，解释了氮气流量对沉积 速率黪影稳麓箨。 对所制备的a 1 n 薄膜进行了x 射线光电予谱( x p s ) 、x 射线衍射( x r d ) 及显徽疆度分耩。交x p s 分季嚣结果可煞，薄袋中魏a l 、n 元豢形成了a 1 n 钝会 物，表面可能形成了非晶的氧化铝或飘氮化锅簿层。x r d 分析结果表明，所制 餐瓣a i n 薄袋菇六受鹣型，3 8 0 。c 数t 沉积薄貘教缝褥主要隽饕鑫态，薅蔷瓣 底温度的升高，薄膜逐渐开始晶化。 关键词：金刚石抗氧化涂层 a i n膜系设计磁控溅射 ， ，雪! l 苫些奎茎苫耋鎏耋警堡鎏耋， 。，。 a b s t r a c i d i a m o n dh a se x c e l l e n t p r o p e r t i e ss u c h a sg o o dt r a n s m i s s i o ni nt h ei n f r a r e d ，l o w a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，h i t g hr e s i s t a n c et ot h e r m a ls h o 矗a n df r i c t i o n ，d i a m o n di sa l l i d e a lm a t e r i a lf o ra i r b o r n ew i n d o w sa n dd o m e sf o r h i g h s p e e df l i g h t h o w e v e r , d i a m o n di ss u b j e c t 圭oo x i d a t i o ni na i ra tt e m p e r a t u r e sg r e a t e rt h a n7 5 0 0 c 。a n dt h e o p t i c a lt r a n s m i s s i o ni sd e g r a d e ds h a r p i no r d e rt om e e tt h en e e df o ra p p l i c a t i o n so f h i g h - s p e e do rh i g h - t e m p e r a t u r e ，t h ea n t i o x i d a t i o na n da n t i - r e f l e c t i v ef i l m sm u s t b e p r e p a r e d o nt h ed i a m o n ds u r f a c e a l u m i n u m n i t r i d e ( a t n ) a r ep r o m i s i n g a n t i - o x i d a t i o nf i l m sw i t hg o o dp h y s i c a l ，c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dg o o da d h e s i o nt o d i a m o n d g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h er e s e a r c h e sa b o u ta l na n t i - o x i d a t i o n f i l m so v e r s e a s b u tn od o m e s t i cw o r kh a sb e e nd o n eo na l no p t i c a la n dp r o t e c t i v e f i l m s r e s e a r c h e so f t h e p a p e rm o s t l y c o n c e n t r a t eo n p r e p a r a t i o no f a l n f i l m sa n dt h e f u n c t i o n so fe x p e r i m e n tp a r a m e t e r so nf i l m ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s t h em a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： w i t ht h eh e l po fo p f c a ds o f t w a r e ，a n t i - r e f l e c t i v ef i l m sc o n t a i n i n ga i no nt h e d i a m o n ds u b s t r a t ea r ed e s i g n e da n da n a l y s i so fs t r u c t u r es e n s i t i v ef a c t o ra n dv a r i a t i o n a r ed o n ea f t e ra l nf i l m s d e p o s i t e d o nt h es u r f a c e so fd i a m o n d t h e a v e r a g e t r a n s m i t t a n c ei n8 ll + 5 娜bw a v e b a n dc a l le x c e e d8 5 ，w h i c hc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f m i s s i l ed o m e i ni n f r a r e da p p l i c a t i o n a 1 nf i l m sa r e p r e p a r e do ns i l i c o ns u b s t r a t e sb yr a d i of r e q u e n c ym a g n e 抒o n r e a c t i v es p u t t e r i n gi no r d e rt og e tt h ef u n c t i o n so ft h em a i ne x p e r i m e n tp a r a m e t e r s s u c ha sr fp o w e r , g a sf l o w , v a c u u ng a sp r e s s u r e ，t a r g e t s u b s t r a t ed i s t a n c ea n d s u b s t r a t et e m p e r a t u r eo nd e p o s i t i o nr a t eo ff i l m s 豫eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sr a n g e s a r eo b t a i n e db yc o n s i d e r i n gf i l m sd e p o s i t i o nr a t e ，c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e t h e o n h o g o n a le x p e r i m e n t r e s u l t sp r o v et h a tt h ee f f e c to f r fp o w e r 蟪d e p o s i t i o nr a t ei s m o s ts i g n i f i c a n t t h c e x p e r i m e n tp a r a m e t e r s o ft h e b i g g e s td e p o s i t i o n r a t ea r e d e c i d e d o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h en i t r i d er e a c t i o no nt a r g e ts u r f a c ea sw e l l a st h ed e p e n d e n c eo f d e p o s i t i o nr a t eo nn 2f l o wr a t ei sm a a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , x p s a n a l y s i sa sw e l i a sx r da n dv i c k e r sh a r d n e s si sm a d e x p sr e s u l t sc o n f i r m t h ef o r m a t i o no f a l n ，a n dt h ef o r m a t i o no f t h i nl a y e ro f a m o r p h o u sa l u m i n u mo x i d e o ra l u m i n u mo x y n i t r i d e so nf i l m ss u r f a c ei sd e d u c e d x r dr e s u l t ss h o wt h a t - i i - 。一，。一，一，。蓄i 涎耋盔茎玉耋至耋耋鲨圣。，。一一。 d e p o s i t e da 1 nf i l m sa r eh e x a g o n a l ，a n df i l m sa r ea m o r p h o u su n d e r3 8 0 0 cw h e n d e p o s i t i n g ，f i l m sc o m e i n t oc r y s t a l l i z i n ga st h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s 。 k e y w o r d s ：d i a m o n d a n t i o x i d a t i o nf i l m sa l u m i n a mn i t r i d e f i l m s d e s i g n m a g n e t r o ns p u t t e r i n g 第1 章绪论 研究蓄景 随着航空航天及红外技术的高速发展，红外光学元件的服役环境翻益苛刻， 如超音速飞机、空一空导弹等高速飞行器的前视红外密豳、头幕将承受高温、离 压、热冲击、大气中的游离灰尘和冰雹等固体粒子以及雨滴攮击的严峻考验， 故对数外窗口、头罩材料的物理性能和化学憾能提出了越来鹧商的要求【l ，2 l 。红 外窗口、头罩怒红外系统不可缺少的部件，其功能是保护热成像系统农高速( 遮 度常逸3 4 玛赫或更高) 飞行中以及在各种严酷的环境条件下正常工作 3 1 。闲 此，级外窗口材料除了必须具有高红外透过率、低吸收系数等优皂特性外，述 必须具有高机械强度、耐磨损、抗风沙雨蚀、抗化学腐蚀等髓能，鼠在高温、 低温及辐射彳乍月等各种苛刻条件下，熬光学、物理和化学性熊保持良好。 与目前常用的红外光学材料，如醚( s i ) 、锗( g e ) 、硫化锌( z n s ) 、硒化 镑( z n s e ) 相比，金剐石具有一系列优异、独特的性能，如从紫外到远红外均 有良好的透过率，硬度在已知物质中黢高，热学率高( 是铜的5 倍) ，热膨胀系 数小，热冲击性好，瓣摩擦性能好，化学性能稳定，8 抗酸、碱的腐蚀等等 4 1 。 这些性质决定了金刚石比其它红外材料具有黧广阔的应用前景，一方面它可以 终为其它红外崧口的保护涂层，另一方面可以传为独立的头肇或窗翻使用，箍 后者熨有吸引力。随着化学气相沉积( c v d ) 金刚石技术的快速发展，现已能 到备爆0 t 3 1 0 m m 、囊径为6 0 m m 的企刚石窝日，在8 1 4 批l n 波段，其吸收系 数为o 1 o 3 c m ，光学散射低于1 ，5 0 0 。c 的发射低于3 t 5 1 。c v d 金刚石的 微波介电性憨、热性越秘大部分枧械性能与天然金雕石相当，制作成本的进一 步降低使得金刚石窗阴和头罩在不久的将来就可以投入使用1 6 。 然嚣，金剐石的主要成分是碳元索，在燮温下是化学蜻性的，假在7 5 0 0 c 以上时很容易发生氧化，与氧气反应锻成c o 、c 0 2 或转化成热力学翼稳定的石 墨1 7 n 。在这榉的枣瀑气氛中仅仅暴露凡秒镑嚣，其表露就发生严重蚀刻，粗糙 度增大，从而引起散射增大、红外透过率下降。图l ，l 所示为抛光c v d 金刚石 在强0 0 c 、8 0 0 0 c 暴嚣7 5 秒麓鳃透射光谱i 9 j 。c v d 众刚石农7 0 0 0 c 暴露7 5 秒 蜃，透遘搴交纯穰小；囊在8 0 0 c 暴辫7 5 移精，较戆波长( 2 l o g m ) 静磊箨 透遘率霄较大瓣擐失，嚣在波长大予1 4 9 i n 懿，瀵遭搴不德没裔下降，发露缮热， 这是戳为鬣纯造藤金溯磊表嚣交褥褪糙，超翻了一定增遴作稽( 霹予长波远红 静) ；蓑怒暴露2 5 5 移聪，金嚣l 石懿透_ 遘率涛急渊下降，平垮透遗攀大终只有1 5 。 w a v e l e r g t h 辔秘 潮t - 1 糖党c v d 袅e l 石谯7 0 0 8 c 、8 0 0 c 黎褥夫气s 秒嚣静遴射兔谱魏线 f i g l t r m , s m i t t a n e eo f p o l i s h e d c v dd i a m o n dd i s ka f t e r7 5 s e x p o s u r e t o7 0 0 4 c o r8 0 妒c i na i r 垒辩石表露氡纯罨致毙敬袈翳显增鸯嚣，萼l 超透过率下降。舅外，在滋发低予7 5 0 。c 对，金弼石熬霪虽没蠢太臻显酶交往，餐磁7 5 0 0 c 熬上辩，将发生急瓣氧张， 在1 0 0 0 。c 时几乎全帮被裁纯【1 0 1 。在飞行器飞行遥稳审，峦予空气藜力热热，塞 疆或头翠表瑟缀容易藏达到8 0 0 。c 漩上筑潼发，这斌慧昧蓑袅潮石程麓速、薅 瀛条锋下应羽辩需要抗戴往增逶涂漾，一方瑟霹戳撬离红舞透邃率，另一方蠢 可渡游壹金瓣石躐纯( 大予7 0 0 。c 霹) 。涂藩搴| 糕必矮与金溺蠢绫台烫好，藏热 冲壶、辩高瀑、透强，能抵挡闲俸粒予或雨滴静洚镶。研究表明，氮纯锾( a 1 n ) 楚一耱缀有蓠途豹耪料。它楚一静其旁六方缍镑矿缭擒靛i i i - v 簇纯会粝半警 体，篡有高熔点、高磺度、裔密震( 3 2 6g c 瑚产) 、嵩燕传芬率( 3 2 0 w m k 、 低懿热澎辗系数( s l 岳群1 ) 、良鼯静毙学及力学瞧貔旧，斧霾与众澍吞辫饕 牢固，这嫠特佼健褥a i n 薄膜j 鬻适含瘸传众刚石的挠氧诧增逡涂瑟。 在黧辨，密关a 1 n 薄袋髑备方法及蠖麓攮灏凄懋撤嚣，潮备技术蠹基本袋 熬。s pm c g e o e h 等天在金潮石上藏功魏生长凄了a 1 n 薄貘，逶过了抗熬狰蛊 试验，夜蔫这1 0 0 0 。c 下髓窝藏蟪疆斑垒瓣石鹣氧愆，在8 1 2 p m 波蔽戆怒戮 蹭逶作藤。闻体粒子冲击实验袭瞬箕抗渖击麓力远遗超过了邋常繇用酶红终 西北】业大学工学硕士学位除文 材料z n s 【1 引。但是对a 1 n 薄膜抗氧化增透作用的研究由于涉及军事用途，具体 魏技术缀节与膜系缕掏豢泰公殍。瑟在黧淘纹镦对a 1 n 薄簇戆鑫覆择筑取囊与 残余应力等方面肖所研究，在a 1 n 薄膜光学性能及抗氧化性能方面尚未抛报导。 放在没有国内羚这方覆缀验詹鍪的1 跨况下，我翻开震在衾爨石上镀翱a 1 n 薄簇 的研究对红外制母与成像技术在航空航天领域的应用有糟深远的意义。 1 2 氮化铝薄膜的制备方法 疆前，氮纯锅( a i n ) 薄貘蒋遗生长在蘸宝石( a a l 2 0 3 ) 、s i c 及s i 季孽 底上，采用的基本方法主要有化学气相沉积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 、脉冲 激光熔镶沉积( p u t s el a s e rd e p o s i t i o n ) 、金斌裔祝讫学气籀沉辍( m o c v d ) 、 分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ) 以及鸯流或射频反应溅射( d co rr f r e a c t i v es p u t t e r i n g ) 等等，其中爱应溅射法焉静簸为普遍。表1 - 1 所示为几种稍 备方法的原理及特点。 1 3 氮化铝薄膜的形核生长 图1 2 是s i 片上a 1 n 薄膜的形成机制图【2 “。在制备a 1 n 薄膜时，从阴极铝 靶发射出商密度、离能爨、高离化率的铝粒子( 包括原予、离子、原予基团) 以及在等离子体气氛中被电离的n 离予，从气相中同时到达基片上，沉积合成 a i n 薄艨，这是一个从气相到吸附相，鞭到固棚的相交过程。当a l n 粒子到 达s i 片时，大部分由于本身的能量和基片的热能供给结合成a i n 原子，同时在 沉积初始阶段与s i 中存在的氧发生反应，形成一定厚度的含有少量氧的无定形 a 1 n 相。随着无定形a 1 n 相厚度增加，与氧的殿应降低，并且砧一n 镰合的数 爨大予a l o 的键合，凝最大多数a 1 - - n 粒子不与氧反应，满足四面体配位， 形成具有c 轴取向的晶梭。具有c 轴取向的多晶晶核生长在无定形a 1 n 层上， 隧沉积孵阕增热，多晶龋核向上生长形成柱状结梅，圊对，由于商能粒子的轰 击效应和氧向生长膜的扩散，诱发无定形a 1 n 薄膜结晶，从而形成具有稳定结 构的k i n 薄膜【2 卜。 。，。，。塑! l 纛鏊蠢耄王警黧；毖撬鎏鎏。，。，。，。，。，。 表1 - 1 忍种制铸氮彳艺锅薄膜方法的原理及特点 t a h l e l “lp t i n e i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co f s e v e r a lm e t h o d so f a i nf i l m 鳓p a 萤蛾0 臻 粼萋 原料 蕊鍪瓣 制备原理z 艺特点 方法沉积速攀 蒸茨辖瓣侉蠢惫攘安褒 与蒸锉畿绝缘的电极上， n 2 、a r 毫摄上奄豫鼗噬，邀撵爨含鼗逮嶷瓷，畿零繇，浚备 勰气侮嚣 t 7 n m m 融精蒸靛，蒸发粒予与藏发蔼荦，铎易突瑰天面积簸稼， 1 3 l 鄹 商纯铝 生反成，菇在埯蒸发源槲便予推广应用。 懿 燕逶鍪麓囊黧蘩嚣主袋 膜。 d 魏 薄骥表疆避溪，德憨臻赘； 或n i l 3激光照射靶材，使其加热 蕴分托辕容赫掇翩，垒话速 p l 黪 密慧缝蒸茨磊沉辍寝蒸篾上。 率快蒜。使用燧结靶时，妊 旗鞑辑# 疆僦n或者+ 勰热蒸发麝麓粒子 薅囊裁灏瘫；菠鼯生瓣辩， f l 如瑚 疏松的靶体易破碎，或沉积 c 2 ) a l n与真空室内的气体反成 酵趋嚣额魅鹫擞魅于袋瓣褒 蘩旗臻器嚣簸戆基嚣土。 面对膜髓形态和性质有较大 磷靶 影响。 电 天黔麟毫囊；a r 簿惠藏藏裁添凝纛，腻辍速率蔫； 糊商纯电生成簿离子体。在磁蛹装置性熊稳定，便于操忭， ；墩f s 键疑懿控餐下毒效蟪裘壹a l生产蘩整洼努，逡予夫蕊蘸 f l s 嘲 渤a r 5 r a n r a i n靶。鞴辩，蒋气弓i 沉积麟。但蔗，反应溅射晶 、n 2 气溅射寰然瓢一定努压，从发生瓤啦毒现爨+ 反艘愧体 黎蒸楚褫毒馥楚整鬟藏禳簿戆 滚褒苓簸畚褰。 铺靶获得不脚成分的a i n 膜。 在舞整气霉孛黎攫罄譬 器霉鬟豫每旁漱滟耗岔壤薄 r e锚靶和材辑，蒯俸材科和气氛气 膜。德怒，薄脯的致密悭较 1 2 n m m i n f 1 4 j 7 1 n 瓤体在基姥上进姆蔽应。生 差，熟撼定性瓤忱学稳定性 矮毽窘键膜； 鞍羞。 成分与沉积速攀可调；毙长 t m a ( 涯囊嚣黧轻嚣，邋予大懿蓬 m o c v c三军基 利用脊帆金耩化台物熟生产。但是，胤材料纯壤雅 臻l 0 哉2 。l 镪) 、6 n m m i a箍解霞癍送行气挺辩筵 于满楚婺求，其狳定性嫒瀣； n 酶气 童长。对爱藏抵理还泰滗势了瓣j 带娌h 2 缺乏使艇应室螭构最佳化煦 捩零等 ，塑i l 三些奎茎i 塑当耋譬鎏蚤， ， o 己 。 鼍 g 磊 金 g u n _ 。a l ji ( a ) o x i d e s i o x y g e n d i f f u s i o n j 研n 恽撕 l i l ( d ) 攀_ ”簟i 医二 t c t r a h e d r a l c o o r d i n a t i o n r 、z i l 1 i 图1 - 2a 1 n 薄膜的形成机制示意图 f i 9 1 2s c h e m a t i cd i a g r a m s t h a ts h o wt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f a l nf i l m n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n ( ) 图1 - 3a i n 薄膜成分与n 2 气浓度的关系曲线 f i 9 1 3d e p e n d e n c e o f t h ec o m p o s i t i o no f a l n t h i nf i l m so nt h en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n 1 4 氮化铝薄膜的成转及结构 。4 裁分 簿l - 3 所示逶掰辩鞭蔽应溅射法帮器黪a i n 薄膜瓣残努等 妇气深度之滚懿 关系霹嚣。爵戳发臻，涟簧n 2 气浓波熬增蕊，薄袋串熬n a t 器予浓攫毖单调增 热；姿蝇气滚嶷越过1 5 鬣，n a 1 藤予浓度陡稳定灸l ，l 。但m a k i v m a 社萄帮 褥嫩薄膜成分对n 2 气浓度豹变化不敏感的结论，因此遮方西的研究工作商待于 避步深入探讨。 a 1 n 薄膜褥成分霹英憋髓宥缀六鼹雾螭，塞a l 会使鬻骥翦分邀淫毪炎差， 蔼鬻n 瓣会饺薄藤戆裢敷密度变麓。 ，4 。2 缱梅 蟹1 - 4a 1 n 瓣螽俸缡梭 f i g l - 4c r y s t a ls “譬d g o f a i n 磁簿爱纛瀛象霉餐a i n 薄貘辩，薄骥簿爨骜溢态邀霹麓羹豁藩悫。鬻1 - 4 为a i n 趣蕊浆结稳罄1 2 训。a l n 摄六方好镑矿结构，6 r m n 成群，p 6 3 m c 空间群， 磊踌翥黢8 躏3 1 t o n m ，c - - 0 + 4 9 8 0 n m 。a l 簌予与两阂4 个n 灏予形成一令溺瑟律， 其中3 个a 1 一n i ( i = 1 ，2 ，3 ) 键，称之为b 1 ；沿。轴方向的a l n o 犍称之为b 2 。 弼疆瑷n 琢子斋串心瞧形成了个西瑟棒，亵个瓣藤傣澎袋吴霄g 3 v 对稼浆兰 棱柱。夜a t n 螽熬孛，a l 粒n 骡子趣澎成毒个妒条纯孰道，a 1 照子鸯三个半 渍秘一个空魏道，矮n 暴予毒三个拳溃帮个全瀵魏遥。b 2 键藏跫壹a l 漾子 豹登软遵葶翳n 器予的滤孰道形成的。因此在c 轴方向的b 2 键离子成分犬，魏2 键的键能比其他兰个等性的b 1 键的键能相对要小，易断裂，因而c 轴方向的沉 积鼹嚣蕊溅瓣粒子缝量大。镬a 1 n 薄貘辩，麸蹴靶嚣溅赫出静越溅予与活 化的n 原予或离予可通过碰撞形成小的氮铝团簇离子。c h u 等结合飞行时间质 谤( f 撰l s ) 己戏溅耍多耱尺寸熬原予霭簇，笈现a l n 蕤长玲在e + 1 8 8 3 n m 左右，接近于b 1 键长 28 1 。这说明增大基片与靶面之间的距离或提瀚溅射气压有 裂予矗l 、n 粒子磁缝瑟影藏b l 键。 1 5 氮纯镭薄膜麓性然 。， 攒射率 露1 s 必a i n 薄膜的捞瓣率1 1 与氮分压p m 黪关系鳇线 2 9 1 。从鼹l 一5 可以看 出，随着氟分压p n 2 的增加，折射率n 增大剐一极德后又逐渐降 氐。当e m 较小 时，a 1 n 薄膜中会鼹包含雯多的a l 原子露造成n 原子在是接中的缺位，使薄膜 韵拼射率雠低。丽p n 2 过大时，将念降低a l 原子孵溅落，释致薄膜中a 1 源子在 晶接中的缺位，同榉使薄膜的折射率降低。出此褥蹬，图中n 的檄大值成对痤 符合化学计量比酌a 1 n 薄膜。 p n 2 ( p a ) 蕊1 - 5a i n 薄膜斡折蘩率n 与氮势器p m 静装累叠线 f i g l - 5r e f r a c t i v ei n d e x o f a i nf i l mv sn 2 p a r t i a lp r e s s u r e 西j e 工业大学工学硕士学位论文 f 5 2 吸收系数 v d u m i t m 等鼹察戮越烈，薄貘蕊透凌褒程耜嚣懿溅射气疆下涟饕氮气滚爱 的增加而增加，如图1 - 6 所示【3 0 1 。氮气浓度在1 1 1 6 变化时，薄膜的吸收 系数懿毽变化簸大。甏氮气含豢在1 6 3 0 变纯对暇浚系数变纯要小霉多。 当氮气含量为3 0 时，我们可以看到薄膜的吸收系数融经很低。 o 0 菪 2 l 匿 o 。2 昌 n 2 ( n 2 + h r ) ( ) 图i - 6a i n 薄膜吸收系数与氮气浓度的关系曲线 f i g l 一6a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to f a l nf i l m 硼c o f l c c n 轾a f i o n 。3 抗氧 乏性熊 s p - m c g e o c h 等人通过热器露实验证明了氮化铝薄膜在1 0 0 0 0 c 时对金刚石 有完全的保护作用。蜜验首先阁化学方法除去众刚石慕片上一半驰a i n 薄膝， 因而形成受保护和不受保护的两个区域，然后暴露在8 0 0 。c 和1 0 0 0 0 c 空气中。 最后除去乘余的氮化销薄膜，在n o m a r s k i 显微镜下蹒察，显微图像翔图l - 7 所 示【3 ”。我们可以观察到未受薄膜保护的区域遭到严重的蚀刻，相反受薄膜保护 的区域没有明箍蚀刻，从而说明氮化铝薄膜对金刚石超到了菇好的保护作雳。 - 8 ，。窒i i 玉些丝三耋霍篓壅鎏耋，。l ，。 。 图1 7c v d 金刚石试样分别在8 0 0 。c 、1 0 0 0 。c 暴露l o s 后有保护层与无保护 层区域的显微照片 ( 表上：毒保护涂瑶区左下；无绦护涂震区) f i g l 一7m i c r o g r a p hs h o w i n gp r o t e c t e d ( t o pr i g h t ) a n du n p r o t e c t e d ( b o t t o ml e f t ) a r e a s o f t v d d i a m o n da f t e r e x p o s u r e f o r l o sa t8 0 0 。ca n d1 0 0 0 0 c r e s p e c t i v e l y n ， - 1 ， 、 k 、 t t l ：_ ：篙：“ 、 l l n s 0l o o m o，4 t 神 i a1 6 0 e r o s i o ne x p o s u r el i m e ( 砖 豳1 - 8 镀氮化铝薄膜的金刚石和其它试样在固体粒子磨蚀实验牛归一化遴射率 与黪蚀鞋童闯瓣关系曲线 f i g l - 8n o r m a | i s e dt r a n s m i s s i o nv e r s u se r o s i o ne x p o s u r et i m eo f a i n o nd i a m o n d a n do t h e rs a m p l e se x p o s e dt os o l i dp a r t i c l ee r o s i o n uu晷一垂聃a日扫口onii删ho卜j ，5 。4 藐沙馊整缝 s p m c g e o c h 簿人还迸行了圃体粒子冲拳试验，结果袋明a i n 簿膜与艇剐 石蒸体结合宰霹，葵藐潦逡髂力遥远怒避了透露瑟暴鼹瓣露舞竞学薅精 d l c b p z n s 。图1 - 8 是镀瓤化铝薄膜纳c v d 金刚疆试样= 裢空气中进行沙蚀实 验1 6 0 s 蓊囊瀚透射光谱器”。靛鋈t - 8 孛可黻番饔，在渗穗蜜验藤露，试释滟透 过枣没骞明照豹下降。因此，可以诞明氮化铝薄膜与金剐石结合零固，具肖良 簿的抗沙法髓黥。 。8a ) n 薄膜聚瓷牵存在蘸润遽 练主掰述，氦纯铝薄骥对金烈焉鉴葬可越刭曳赂麴抗畿他保护搀期。但在 关予氮化锅薄膜的研究中尚存在不少亟待解决静阎祗： ( ) 遴一步猿少薄骥巾杂囊e 、0 熬禽量； ( 2 ) 避步优化工苞参数，樽至g 理想糯沌酶a 黼薄膜； ( 3 ) 糗裳矗粼簿骥鲍壤分、缝掬以及对光学、撬氧化性能的影魄规棒； ( 4 ) 优化膜恭滚计与僚备工蕊，提商涂层的红矫透避率和耐久住。 。7 金耐匿笼攀傈护涂层煞最薪发熊 簸上霭静奔饔审，塑可驻蓍到a i n 蘩濮蛰蒸可敬莛裂撬蓑纯僳护季筝曩，翟 是程纽外波段的增德效应并不明显，因此以后可以鸯虑将舢n 膜匈其它增邀膜 蒋为复台膜系塞黧。嚣嚣餮努墨经野蹩臻窕曼蠡憋撬氡他涂爰，缓婺畿豫髭 ( y 2 0 3 ) 1 2 , 3 2 1 、碳化铪等。而国内在此方嘲的工作剐刚起步，对试验规律、工 艺谯豫、爨糍与盛瓣秀发繁努嚣要避行夫爨靛基醢霹究。 ，7 氧纯钇( 峨) 涂器 与a i n 膜相比，氧化钇膜具有随加优随的抗氯化性能，所设计的保护涂层 翡藏襞话曝愎溢褒爵选1 3 0 0 。c 。下露是豫妒涂藩熬瑟羚竣诗方寨；露一释楚鑫 美湖海空作战中心设计和发展，它是由单胺的增避氧化钇麒和薄的吸附性好的 过渡麓簿成；筹二张基e p i o nc o r p o r a t i o n ( b e d f o r d ，m a ) 浚诗懿蘩，涉及瓣溪 离子注入对金剐群液面改恍，改性后的金刚石再用离子柬溅射制镶一层氧化钇 涂漤。 西箍王整天攀工学磋奎举谴谂文 采疆方案l 在熬必c v d 会剐石双嚣镀氧化髭臻蠢，透过攀由7 0 最高上势 到9 0 多，超副明显的增透作用。在热暴露试验中，濑温度越过1 2 0 0 0c 时，涂 罄会疆 爨磊粒长大，毽这著不影骢涂瀑数傈护性能，f 蟊鲍金潮石基本没有任 何破坏。试样表面暴露于1 3 0 0 0 c 下的箍微检验表明；膜层中辍然有潜在的热成 力，键骥墨与佥裂石瓣着仍非害磐，金刚石基镩宝好无损，没有可见损伤。在 8 0 0 。c 1 3 0 0 0 c 之间，由单朦氧化髭及薄的过渡层构成的涂屡可以保护金刚石 基薅l o 移交免遭氧化，超过t 3 0 0 。0 辩，基体在较短麴对闽肉麓会发生氧化。 金刚石经过离予演入改憔后，抗氧化峰值温度可达1 2 0 0 。c ，在超过8 0 0 0 c 萋重，袭嚣是都会嘉一些小豹麟键坑或现，这可悲是幽于金刚疆中粗糙的生长小 平面引起离予注入时稃在局部盲区所致。在潋性金刚石上镀氧化钇膜后，赢捌 1 3 0 0 。c ，才观察到损经。 1 。7 。2 其它凡莉涂层技术 h o l m q u i s tg a 等【】研制了种金刚石抗飙化保护涂层，这种复合涂层由兰 耱不麓翡薄貘缀袋，第一屡楚谈纯徐膜，第二芸是铃翁碳氧稼合耪膜，第三洪 是氧化铪膜。结果表明：这种涂层不但增强了金刚石的抗氧化能力，而且也起 委了红步 臻逶 誊囊。此癸，j o h n s o n 等 3 4 】设- t - y 童两豢薄貘擒成筵涂瑟，第瑟 是相对很薄的氢化非晶硅膜，第二层是氧化镣或是熊它难熔的氧化物膜。这种 涂屡霹强篌黛予8 0 妒e 齑溢下，在荭乡 渡豪戆挺赢透过率。 另外除了通过在盒刚石教面镀制涂层外，人们也提出了些降低金刚石氧 纯敏感蛙崴箍藤葵菰襞健豁力浆方法。j + g r a n n e n 等掰】砑究笈理金剐石表嚣簇 化后，可以降低氧化敏感性。k ，m i y a t a 等 3 6 1 在金刚树中以l o 挎c m - 3 的浓度掺入 骥嚣，在7 0 0 。c 辩斡氯琵速攀铰为泰渗礤蘩凝下豹5 0 。 。8 本文豹主要磷究内容 豳内外对a i n 薄膜的结构、性能已有大齄的研究，但有关工艺参数与沉积 速率、结稳等方瑟翡研究游艇不是。本文鹭在礴突氯铯锾薄膜戆稍鍪工艺，寻 找其结构、性能与备试验参数之间的规律，为下一步在金刚石上镀抗氧化保护 膜，进聋亍抗毓亿、沙毽试验簿提供褒论菝撬箨工艺技术。具体遗容熬下： ( 1 ) 在金剐石树底上设计8 1 l 。5 t m a 波段单顾及双谢增透保护膜系，找 西北工业大学工学硕士学位论文 出各屡膜的最佳折射率n 和厚度d 的西已合；并对设计的膜系进行了结 穆敏臻因子及貘系结褥镶差分耩。 ( 2 ) 采用磁控溅射法制备a 1 n 薄膜，研究主要工兹参数如射频功率、气体 滚量、耀基琵等对薄骥滚强速率静影晌窥律，著对工芑参数进行霞讫。 ( 3 ) 对所制备的薄膜进行成分、结构、显微硬度分析。 第2 章膜系设计与分析 前面已经提到，金刚石是用作纽外窗口和头罩的理愆材料。但是，由予金 刚石在高湓下容易氧纯，等致光学往能急裁下降，无法满是嵩速、离滠下豹应 弼。豁 金溺夏性能不是嚣行之有效豹方法就是在金熨8 石表颧镀上一攫或多层 既能增透又能提裹抗氧化性能的薄膜。袋在金刚石窗口、头罩上制备增透保护 膜系，就要考虑膜系的设计与选择。这要根据薄膜光学原理进行理论设计和计 算，得出满足使用波段增透要求的增透膜系。膜系设计就是按照折射率和簿度 飘配的原刚将各稀薄膜橱籽组合成笺合膜，从而幢其满足各耱使鞠要求。 实际馥瘸中懿红辨增透探护貘狳应满是光谱螋能要求终，还必须从保护约 角度如发进行考虑，膜层越厚，杨氏模量越鸸，越利于提高基体的抗氧化等性 能，但吸收与应力往往又限制了膜厚。在一些复杂膜系生产中，还需要实时测 蟥膜系的光学参数，修改后续膜系结构。因此设计时，一定要考虑到其体的生 产工艺。膜系设计中应使膜系的增透与保护俸甭这蓟最佳殴鬣，游对设诗力求 篱萃，戳减小光谱蘸线对厚度翡敏感蛙，缳谖较理想麴工艺可熏复性秘增烟在 大葱积或麴西元 孛上成功镀膜的可能性p ”。 最早使用的膜系设计方法有试凑法、图解法，以后逐渐发展了各种解析方 法，到了6 0 年代，y o u n g 和s e e l e y 根据电路网络设计的进步，搬光学多层膜看 成电路网络，引入了网络设计理论1 3 鞋。羽了7 0 年代，随着电子计算梳帮最优纯 理论的发簇，往簇系设计有受大发震豹是傻攘诗舅掇蟾动懿各秘设计方法。这 鬻主要讨论骥系垂动化设计骧理。 2 1 膜系设计的基本理论 2 。1 。1 膜系设计的一般原理 强2 - l 是一个k 层骥系结橡豹示意熙。圈中的l k + 1 分别是两棚邻媒质的 爨面：o o 是入射角，0 抖l 是出射角，0 ，( 图中未画出) 是第r 层膜内的入射角； n o 与n s 分别是入射和出射媒质的折射率；( n l ，d 1 ) ( n k ，d k ) 分别为第l k 层膜 的掰辩率与孵度，丸髓入射光波长。附图示的个k 朦膜祭。如下几种方濑如递 攘法、艇黪浚、矢爨谗整法霹譬蘩嚣瓣耄黧爹扣4 霹霉蜀凑霹窘爨瓷攀饕瞧黎逶 蓦零t 爨茨瓣牵露镣邃静静簿。落中囊辫辫簿法魏熊辩辫零旗系滋糟二谶 i ； 计 粪；鬻瀵携洼黎蹩黪法霹熬对艇袈 瓣暴嫩褥鹣礴访葵。 懿黎潼稳谈蹩蒋粪帮鬻枣 赛搿瀚苹艨膜用一个替价黼界筒 避 予 毽螫；这舞霞譬瓣露殴酞参爨 襄豢黪鞭藩鬻开始，裹逡捺瓣襄 警爨器蕊冀麓嚣嚣巍攮，这转方浚 两瓦黼翻晚法( v a s i e e k ) ；也可以 簌多蒙壤鬟蕊褒萎襞漆叁一褰遂 蓑搿瓣蕊辩骥濂，这姆方法蝣褥辩 德法( r o u a r e d ) 熙。 嫦簿法书矮鬻鲻瓣箍辫鼹乎 渗笺辫，邀黎藩囊拳蕊蓉簦辍韩 轻 鼢l 麓嘉 螫溪囊豢戆褥暴鏊麓 l ? s 2 - 1 瓤h # 瓣激泌d 撩g r a m 嫩n l u a i 4 a y e r a 群雌。瞅黼 因为宝魏禽了计算麟燃辩学特性酌嫩部有用参数。附图争l 脚示的k 屡膜搽， 羹蛩黪蓬黪簌蕊叠霹： ，甏。臻酶= 钕0 鑫歹翟辫登 公建( 是。1 ) 中黪夹楚臌蹑中嚣屎膜的警涉矩蹲 錾懿磐攫燃鲶鲣避激 擎霉黪，裘天藩受曩纛矗蘩懿溪嚣事* 砉辜鍪魏霹；霉淹蓁? 麓鬻瓣镣疆霉浅， 其蕊魏# 最m 2 r i nd , e o s o ，矗m 海藩臻熬藏，霉靖褡式耄 蕊霉瓷下炼i 簦。隘，麓】 髑 鼗遂黎警谤筹，髓筵嚣爨薅粪袭太鼗粪鬟窿点鬟辫壤嚣嚣霪参l 孛雾禁鬻 系缓熟爱瓣攀蠢蠢遗辩攀f 势藤秀t 严一p捣瓦 l l 燕m熟 争一十 u r h p 巍鬈r 一十嚣村 蔑 簿 丁2 面瓦五瓦再4 r 1 0 瓦7 ：1 s 币f 面了 2 - 4 ) ( 玎o m l l + n 。m 2 2 ) 2 + ( h s m l 2 一m 2 1 ) 2 因此，对给定膜系结构参数的多层膜系统，我们可以用式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 来计 算膜系的反射光谱曲线和透射光谱曲线。 2 1 2 膜系评价函数 用计算机辅助设计光学多层膜时，需要建立一个综合评价膜系质量的函数 f ( x ，x 2 , ”：列，称之为评价函数。 假设 f j = r ( x ， j ) r d ( xj ) 称f j 为膜系在九。波长的反射率残差。若设计的膜系要求对l 种光谱达到所要求 的分光特性r i d ，则这个膜系就存在l 种能量反射残差 ( x 1 ，x 2 ，x k ) = r j ( x l ，x 2 ，x k ， j ) r j i , ( 1j )j 2 1 , 2 ，l 显然，评价函数f f 纠应该是l 种残差的函数，因而它也是结构参数 x l ，x 2 ，x k 的复合函数。评价函数目纠的大小反映了所设计膜系的质量，目砂 值越小，膜系的分光特性越好。实际上整个膜系对于各种不同的分光特性是不 相同的，这与光源的能量分布及接受器的灵敏度有关。因此，在组合评价函数 时，各种残差的权重不等，故要加一数值为正的权重因子w 0 = 1 ，2 ，l ) ，当 膜系对某个波段质量要求高些，w i 值取大些，否则，取值小一些。具体的评价 函数形式多种，这里采用的是面积型评价函数： f = 乃( _ ，x z 一，一)( 2 5 ) j = j 式( 2 - - 5 ) 表示反射率的绝对误差值f 盯 j r d r j f 在所考察波段上的面积， 其物理意义是膜系实际反射率与理想反射率的偏差。 2 1 3 最优化方法 光学薄膜的评价函数f f 是一个构造复杂的多元多峰函数。膜系设计最优 化的思想就是在所选的波段内获得最小的评价函数，设计出最优膜系结构。最 优化的方法有很多，诸如m o n t ec a r l o 法、梯度法、彻底搜索法等。结合实际情 况，我们常用的方法是蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 法和彻底搜索法。彻底搜索法 一，垦j 三些奎兰三耋鎏圭茎堡篁耋 是把参数空间分成许多网格点，计算每个格子点的评价函数值，其中最小的评 价函数值就是膜系的总极值，其对应格子的参数值就是膜系最佳结构参数 4 1 1 。 设f f 圳是k 元函数， a ，b 是预先给定的膜系结构参数可以选择的范围，因 此 a i x i b ii = l ，2 ，3 k 把每个变量x i 的变化区间 a 。，b i p i 等分，令e i = ( b 。一a 。) p i ，构成格子点 x i 2a i + j e i j2o ，l ，2 p i 因此，格子点的总数是： ( p l + 1 ) ( p 2 + 1 ) - ( p + 1 ) 式中p i 决定于求总极值的精度，显然p i 越大精度越高；k 决定于膜系结构的复杂 程度，膜系越复杂，k 值越大。因此由上式决定的计算评价函数值的总数对于一 个多层膜系是一个非常大