第六章 薄膜散射控制方法
- 分类:工艺讲堂
- 作者:工艺部
- 来源:国泰真空
- 发布时间:2021-03-24
- 访问量:385
【概要描述】通过散射计算分析可知,薄膜散射损耗与长程粗糙度和相关长度有关。粗糙度的大小调制散射的大小。粗糙度越大,散射损耗越大。长程粗糙度的相关长度l调制散射方向。在长程粗糙度一定的条件下,相关长度越小,散射越趋向于漫反射,因此应尽量选择相关长度较大的基底。
第六章 薄膜散射控制方法
【概要描述】通过散射计算分析可知,薄膜散射损耗与长程粗糙度和相关长度有关。粗糙度的大小调制散射的大小。粗糙度越大,散射损耗越大。长程粗糙度的相关长度l调制散射方向。在长程粗糙度一定的条件下,相关长度越小,散射越趋向于漫反射,因此应尽量选择相关长度较大的基底。
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上期对薄膜的散射计算方法和软件模拟进行了介绍。本期简要介绍低散射高反薄膜的设计及控制方法。
粗糙表面诱发散射。但光在薄膜内部是经过电场分布调制的,可以认为电场强度为零的界面不会对总散射产生贡献。因此,下文对控制薄膜散射的讨论主要基于两个方面。一是如何控制界面粗糙度,二是通过薄膜设计降低界面电场强度分布。
1. 基板粗糙度
通过散射计算分析可知,薄膜散射损耗与长程粗糙度和相关长度有关。粗糙度的大小调制散射的大小。粗糙度越大,散射损耗越大。长程粗糙度的相关长度l调制散射方向。在长程粗糙度一定的条件下,相关长度越小,散射越趋向于漫反射,因此应尽量选择相关长度较大的基底。
2. 薄膜制备方式
在表面粗糙度一定的情况下,尽可能将膜层生长界面制备成非相关,即每一层的表面特性尽可能不重复前一个界面。
在强离子辅助镀膜条件下,膜层对基板表面的复制效应比其他技术更为明显,膜层粗糙度表现为相关。同样基板下,具有更大散射损耗。
3. 薄膜制备工艺
一般认为薄膜结晶是影响表面粗糙度的一个重要诱因。薄膜结晶与否,结晶后的晶粒大小如何,都会影响表面粗糙度。而薄膜的微观结构与镀膜具体工艺参数有关。
哈尔滨工业大学的董美玲等人研究过不同工艺Ti膜的粗糙度。采用直流磁控溅射工艺在Si晶圆片上镀了1.3μm后的Ti膜。在充气和偏压等不变的条件下,仅改变沉积温度,发现薄膜呈现了迥异的粗糙度。以下是用原子力显微镜AFM得到的微观表面结构。
而表面粗糙度的这种趋势和薄膜的结晶态息息相关。以下是对应薄膜的X射线衍射图(XRD)。XRD是表征薄膜晶态的一种手段。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,衍射峰越尖锐,代表晶粒越大,衍射峰强度越大,代表结晶度越高。晶粒越大,结晶度越高,薄膜趋向于越粗糙。
4. 薄膜界面过渡层
在恒定的镀膜条件具有更好的散射控制效果。日常镀膜通常交替蒸发两种膜料,两种膜料一般具有不同的工艺参数。膜层之间切换时,不同的工艺参数会导致膜层在初始以及结束沉积时的镀膜条件,不同于中间部分的沉积工艺,可能会引入界面过渡层,增大界面散射。对于界面问题,可以通过两种方式解决。一是利用薄膜工艺辅助解决,二是改进镀膜机结构和控制程序。后者依然是小编推崇的根本解决之道,考虑到制造业的知识产权问题,小编在这里不会举例说明,希望读者谅解。
5. 薄膜打底层
在同一镀膜条件下,采用不同的打底层,膜层生长会趋向不同的相关模型。与基板材料亲润性比较好的薄膜,有利于后续膜层趋向于非相关生长,从而得到更好的粗糙度。
下图给出了同一基板、同一镀膜条件下的膜层轮廓图。唯一不同在于与基板接触的第一层采用了不同的薄膜。可以发现第一层为A时,膜层轮廓呈现出明显的基板复制效应。
6. 薄膜材料选择
薄膜材料本身倾向于不同类型的微观结构,因而具有不同的粗糙度行为。比如正常工艺条件下,相比Ta2O5薄膜,TiO2和HfO2薄膜趋向于具有更大的粗糙度。
7. 退火
退火导致薄膜分子二次迁移,可能会造成结晶态的变化。结晶晶粒大小会影响粗糙度。因此,退火可能会加大薄膜表面粗糙度,也可能会平滑薄膜表面。
曲阜师范大学的齐瑞云等对电子束蒸发HfO2单层膜进行过退火实验。电镜图a~d分别是不退火,250℃,300℃和400℃退火结果。可以看出,低温退火可以降低表面粗糙度,随着退火温度升高,薄膜表面又会变得粗糙,甚至比未退火的样品更粗糙。这个趋势与Zygo干涉仪测量的RMS数据趋势一致。
8. 薄膜设计
需要明确一点,光进入到薄膜内部时,其强度会经过薄膜内部的电场调制。无论是发生散射还是吸收,最终表现都是电场强度非零的这些膜层和界面的集体行为。对于表面散射,降低膜层界面处电场强度,就可以得到较小的散射值。
因此,不同的薄膜设计,虽然会具有类似的设计光谱,但却会具有不同的散射效果。下面这些图给出了膜堆 (HL)^20和 (0.7H1.3L)^20 0.7L的对比效果。600nm是两个膜堆的参考波长,两个膜堆在此处的光谱特性类似。但膜堆(0.7H1.3L)^20 0.7L在界面处的电场强度相对较小,因此在3D散射模拟中具有更好的低散射效果。
9. 总结
从控制粗糙度和薄膜设计两方面对散射的控制方法进行了概述。
具体涉及膜料和基板类型,成膜方式,镀膜工艺,打底层选择,膜层界面过渡层和薄膜设计等。为了更直观,引用了诸多科研工作者的成果,在此向文中作者表示感谢。
只有吸收和散射都得到有效控制,才能得到理想的低损耗薄膜。低损耗薄膜的设计和制备是个复杂的工程,其中的每个过程以及检测方法都是个巨大的课题,至今有许多问题没有得到明确解决。比如电场优化,至今没有软件可以推出自动优化的计算功能。比如10-4量级以上的吸收测试,散射测试,99.99%光谱测试等,仅依靠常规光谱仪无法测量这些指标。
在宽带高反膜中,散射与制备工艺和薄膜设计的关系更加密切。这个留待后续讲解。
第23期到25期的内容,只是抛砖引玉。小编的目的是,在缺乏专业手段的环境下,尽可能用专业的技能和知识储备,做出未雨绸缪的应对措施,制备出相对理想的薄膜。
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