薄膜散射控制方法

2021/11/19

粗糙表面誘發(fā)散射。但光在薄膜內(nèi)部是經(jīng)過電場分布調(diào)制的，可以認(rèn)為電場強(qiáng)度為零的界面不會(huì)對總散射產(chǎn)生貢獻(xiàn)。因此，下文對控制薄膜散射的討論主要基于兩個(gè)方面。一是如何控制界面粗糙度，二是通過薄膜設(shè)計(jì)降低界面電場強(qiáng)度分布。

1.基板粗糙度通過散射計(jì)算分析可知，薄膜散射損耗與長程粗糙度和相關(guān)長度有關(guān)。粗糙度的大小調(diào)制散射的大小。粗糙度越大，散射損耗越大。長程粗糙度的相關(guān)長度l調(diào)制散射方向。在長程粗糙度一定的條件下，相關(guān)長度越小，散射越趨向于漫反射，因此應(yīng)盡量選擇相關(guān)長度較大的基底。

2.薄膜制備方式在表面粗糙度一定的情況下，盡可能將膜層生長界面制備成非相關(guān)，即每一層的表面特性盡可能不重復(fù)前一個(gè)界面。在強(qiáng)離子輔助鍍膜條件下，膜層對基板表面的復(fù)制效應(yīng)比其他技術(shù)更為明顯，膜層粗糙度表現(xiàn)為相關(guān)。同樣基板下，具有更大散射損耗。 

3.薄膜制備工藝一般認(rèn)為薄膜結(jié)晶是影響表面粗糙度的一個(gè)重要誘因。薄膜結(jié)晶與否，結(jié)晶后的晶粒大小如何，都會(huì)影響表面粗糙度。而薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與鍍膜具體工藝參數(shù)有關(guān)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的董美玲等人研究過不同工藝Ti膜的粗糙度。采用直流磁控濺射工藝在Si晶圓片上鍍了1.3μm后的Ti膜。在充氣和偏壓等不變的條件下，僅改變沉積溫度，發(fā)現(xiàn)薄膜呈現(xiàn)了迥異的粗糙度。以下是用原子力顯微鏡AFM得到的微觀表面結(jié)構(gòu)。 而表面粗糙度的這種趨勢和薄膜的結(jié)晶態(tài)息息相關(guān)。以下是對應(yīng)薄膜的X射線衍射圖（XRD）。XRD是表征薄膜晶態(tài)的一種手段。其中的尖峰可以反映薄膜的晶粒大小、晶相等信息。在同等厚度下，衍射峰越尖銳，代表晶粒越大，衍射峰強(qiáng)度越大，代表結(jié)晶度越高。晶粒越大，結(jié)晶度越高，薄膜趨向于越粗糙。 
4.薄膜界面過渡層在恒定的鍍膜條件具有更好的散射控制效果。日常鍍膜通常交替蒸發(fā)兩種膜料，兩種膜料一般具有不同的工藝參數(shù)。膜層之間切換時(shí)，不同的工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致膜層在初始以及結(jié)束沉積時(shí)的鍍膜條件，不同于中間部分的沉積工藝，可能會(huì)引入界面過渡層，增大界面散射。對于界面問題，可以通過兩種方式解決。一是利用薄膜工藝輔助解決，二是改進(jìn)鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)和控制程序。后者依然是小編推崇的根本解決之道，考慮到制造業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，小編在這里不會(huì)舉例說明，希望讀者諒解。 
5.薄膜打底層在同一鍍膜條件下，采用不同的打底層，膜層生長會(huì)趨向不同的相關(guān)模型。與基板材料親潤性比較好的薄膜，有利于后續(xù)膜層趨向于非相關(guān)生長，從而得到更好的粗糙度。下圖給出了同一基板、同一鍍膜條件下的膜層輪廓圖。唯一不同在于與基板接觸的第一層采用了不同的薄膜?？梢园l(fā)現(xiàn)第一層為A時(shí)，膜層輪廓呈現(xiàn)出明顯的基板復(fù)制效應(yīng)。

6.薄膜材料選擇薄膜材料本身傾向于不同類型的微觀結(jié)構(gòu)，因而具有不同的粗糙度行為。比如正常工藝條件下，相比Ta2O5薄膜，TiO2和HfO2薄膜趨向于具有更大的粗糙度。

7.退火退火導(dǎo)致薄膜分子二次遷移，可能會(huì)造成結(jié)晶態(tài)的變化。結(jié)晶晶粒大小會(huì)影響粗糙度。因此，退火可能會(huì)加大薄膜表面粗糙度，也可能會(huì)平滑薄膜表面。曲阜師范大學(xué)的齊瑞云等對電子束蒸發(fā)HfO2單層膜進(jìn)行過退火實(shí)驗(yàn)。電鏡圖a~d分別是不退火，250℃，300℃和400℃退火結(jié)果?？梢钥闯觯蜏赝嘶鹂梢越档捅砻娲植诙?，隨著退火溫度升高，薄膜表面又會(huì)變得粗糙，甚至比未退火的樣品更粗糙。這個(gè)趨勢與Zygo干涉儀測量的RMS數(shù)據(jù)趨勢一致。 

8.薄膜設(shè)計(jì)需要明確一點(diǎn)，光進(jìn)入到薄膜內(nèi)部時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)經(jīng)過薄膜內(nèi)部的電場調(diào)制。無論是發(fā)生散射還是吸收，最終表現(xiàn)都是電場強(qiáng)度非零的這些膜層和界面的集體行為。對于表面散射，降低膜層界面處電場強(qiáng)度，就可以得到較小的散射值。因此，不同的薄膜設(shè)計(jì)，雖然會(huì)具有類似的設(shè)計(jì)光譜，但卻會(huì)具有不同的散射效果。下面這些圖給出了膜堆 (HL)^20和 (0.7H1.3L)^20 0.7L的對比效果。600nm是兩個(gè)膜堆的參考波長，兩個(gè)膜堆在此處的光譜特性類似。但膜堆(0.7H1.3L)^20 0.7L在界面處的電場強(qiáng)度相對較小，因此在3D散射模擬中具有更好的低散射效果。
9.總結(jié)從控制粗糙度和薄膜設(shè)計(jì)兩方面對散射的控制方法進(jìn)行了概述。具體涉及膜料和基板類型，成膜方式，鍍膜工藝，打底層選擇，膜層界面過渡層和薄膜設(shè)計(jì)等。     

只有吸收和散射都得到有效控制，才能得到理想的低損耗薄膜。低損耗薄膜的設(shè)計(jì)和制備是個(gè)復(fù)雜的工程，其中的每個(gè)過程以及檢測方法都是個(gè)巨大的課題，至今有許多問題沒有得到明確解決。比如電場優(yōu)化，至今沒有軟件可以推出自動(dòng)優(yōu)化的計(jì)算功能。比如10-4量級(jí)以上的吸收測試，散射測試，99.99%光譜測試等，僅依靠常規(guī)光譜儀無法測量這些指標(biāo)。