介紹了硅的理化特性以及在光學(xué)薄膜設(shè)計中的應(yīng)用特點。對電子束沉積硅薄膜時的溫度、真空度進(jìn)行了確定，并對其沉積速率的穩(wěn)定性以及石墨坩堝的使用方法進(jìn)行了研究。利用分光光度法測定了硅膜在0.5 μm~5 μm 波段范圍內(nèi)的折射率分布曲線。

　　通過對光學(xué)薄膜的設(shè)計，可以根據(jù)使用要求有目的地改變光譜的傳輸特性。光學(xué)薄膜的膜系設(shè)計主要包括膜層折射率和膜層厚度兩個方面，其中膜層折射率的設(shè)計實際上就是對薄膜材料的選取，是膜系設(shè)計的前提。薄膜材料要求有比較穩(wěn)定的折射率，還要滿足光譜透明度、機(jī)械牢固度和化學(xué)穩(wěn)定性以及抗高能輻射等對薄膜材料的基本要求。這就使得光學(xué)薄膜材料種類,尤其是能夠適用于紅外波段的薄膜材料種類非常有限。

　　用作紅外光學(xué)薄膜的材料除了具有上述一般薄膜材料的基本要求之外，還有著一些特殊的要求：

　　(1)環(huán)境耐受要求更嚴(yán)格：紅外薄膜大多用于紅外軍用光電系統(tǒng)，使用的環(huán)境往往比較惡劣，因此，在制備后還要進(jìn)行嚴(yán)格的可靠性測試，測試的項目涉及溫度沖擊、風(fēng)沙侵蝕、酸堿腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度、抗激光輻射能力等方面。

　　(2)紅外薄膜的功能要求沒有減少：隨著光電技術(shù)的發(fā)展，對多功能集成光學(xué)元器件的性能要求越來越高。例如不同波段具有減反作用、高反作用、濾光作用、分光作用、保護(hù)作用等功能，根據(jù)具體的使用要求有選擇地集中在一個紅外膜系中，具有簡化光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本等優(yōu)勢。

　　(3)制備難度大：由于紅外薄膜工作光譜波段波長是可見波段的2～20 倍左右, 因此膜層一般都非常厚。膜系的設(shè)計難度、薄膜應(yīng)力、制備周期長、累積誤差、制造成本等問題就會凸顯出來，這些就要在膜系設(shè)計和制備工藝上做更深入的研究。

　　Si 的熔點約為1414℃，在1.1 μm~8 μm 范圍內(nèi)具有較好的光譜透過性能，在近紅外區(qū)域折射率也能達(dá)到3.4 左右。由于硅具有熔點高、熱傳導(dǎo)性能好、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特性，因而是一種非常重要的半導(dǎo)體材料，其優(yōu)越的理化特性和光學(xué)特性使其在光學(xué)薄膜的紅外波段的應(yīng)用前景非常廣闊。

1、硅在膜系設(shè)計中的應(yīng)用研究

　　膜系設(shè)計中非常重要的一個原則就是要限制膜系的層數(shù)和厚度，否則會導(dǎo)致制備周期長、累積誤差大、應(yīng)力過大甚至脫膜等現(xiàn)象，不利于優(yōu)質(zhì)薄膜的制備。例如對于1064 nm 反射膜的設(shè)計(為便于討論，此處不考慮薄膜材料的吸收)，根據(jù)薄膜設(shè)計理論^[1]，在周期膜系中，如果周期數(shù)確定，兩種材料的折射率比值越大，則反射帶就越寬，反射率也就越高。紅外波段常用組合ZnS和YbF3 的折射率比值約為1.5，而Si 和YbF3 作為材料組合時的折射率比值約為2.2。利用光學(xué)薄膜設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計的結(jié)果如圖1，其中細(xì)實線為組合ZnS 和YbF3 的設(shè)計曲線，粗實線為Si和YbF3 的設(shè)計曲線。

圖1 分別利用組合ZnS 和YbF3、組合Si 和YbF3 時1064nm 反射膜的理論設(shè)計曲線

表1 ZnS 和YbF3膜系中的層數(shù)和厚度

表2 Si 和YbF3 膜系中的層數(shù)和厚度

　　對比圖1 中的兩條曲線以及表1、表2，與組合ZnS 和YbF3 相比，為了實現(xiàn)對1064 nm 相同的反射效果，選用Si 和YbF3 進(jìn)行膜系設(shè)計，反射帶更寬，可以大大降低中心波長的制備誤差，同時膜層的層數(shù)和厚度也大大減少。Si 在很多紅外復(fù)雜膜系中的設(shè)計也有類似的優(yōu)勢，可以作為膜系設(shè)計中的高折射率材料，但是由于在可見光甚至紫外波段吸收嚴(yán)重，不適合于制備低吸收薄膜。

2、硅在紅外光學(xué)薄膜制備中的工藝研究

　　在紅外光學(xué)薄膜的制備中，Si 作為一種極為重要的紅外半導(dǎo)體材料，其有關(guān)電子槍沉積工藝方面的資料比較少。因此，在沉積Si 薄膜之前，需要研究適合Si 的電子蒸發(fā)工藝，主要包括沉積溫度、真空度、沉積速率等工藝參數(shù)的確定。這些參數(shù)會不同程度地影響到材料的折射率和消光(吸收)系數(shù)。通常，在使用過程中希望折射率盡可能高一些，消光系數(shù)盡可能低一些。另外，要確保蒸發(fā)工藝的兼容性，即能與其組合的低折射率膜料的工藝參數(shù)相一致。

2.1、溫度和真空度的確定

　　沉積時的溫度和真空度過高都會提高Si 膜的折射率，但是同時也會導(dǎo)致吸收系數(shù)的提高，這種現(xiàn)象在可見光波段比較明顯，而在紅外波段非常微弱[2]。目前光學(xué)薄膜制備中膜料的沉積溫度大多在100℃~400℃之間，真空度多在3×10- 3 Pa～1×10- 2 Pa 左右。為了兼顧與Si 配合的低折射率材料的沉積條件，防止殘余氣體對Si 的氧化作用，選擇一個相對較低的溫度185℃作為沉積溫度，選擇相對較高的真空度3×10^-3 Pa 作為沉積時的真空度。

2.2、沉積速率的確定

　　電子束沉積技術(shù)制備光學(xué)薄膜時，通常采用無氧銅坩堝作為盛放膜料的工具，因此首先選用導(dǎo)熱性能好的水冷無氧銅坩堝盛放Si 的蒸發(fā)源來進(jìn)行試驗。在溫度為185℃、真空度3×10- 3 Pa時，用電子束對Si 進(jìn)行預(yù)熔，將顆粒狀的Si 融化至紅熱的液態(tài)，然后逐漸增加電子槍的功率以觀察Si 的沉積速率，發(fā)現(xiàn)其沉積速率非常低，并且極不穩(wěn)定，非常不利于Si 膜的沉積。經(jīng)過分析，主要有兩個原因?qū)е逻@種現(xiàn)象：一是因為Si 的折射率比較高，膜料熔化為液態(tài)后對電子槍的光斑(電子束能量)反射非常嚴(yán)重，使得只有很少的能量對Si 進(jìn)行加熱;二是由于無氧銅坩堝的導(dǎo)熱性非常好，散熱快，坩堝的水冷系統(tǒng)進(jìn)一步帶走了部分熱量，難以維持Si 蒸發(fā)時所需要的溫度。實驗表明，無氧銅坩堝不適合用于Si 的蒸發(fā)。

　　在制作坩堝的諸多材料中，石墨的導(dǎo)熱性比鐵、鉛等金屬材料還要好，且具有很小的熱膨脹系數(shù)，耐高低溫沖擊性能好。最重要的一點是石墨的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨變成絕熱體。利用石墨的這一特性，可以很好地解決無氧銅散熱過快的特點。采用石墨坩堝后，經(jīng)過試驗，調(diào)整電子槍的參數(shù)，可以獲得Si 較為穩(wěn)定的沉積速率。沉積速率越高,所得薄膜折射率越高, 消光系數(shù)越大^[2]，而沉積速率過低會導(dǎo)致薄膜致密性差。經(jīng)過光譜測試和薄膜強(qiáng)度測試，發(fā)現(xiàn)將Si 的沉積速率設(shè)定為0.2 nm/s 時Si 膜的消光系數(shù)較低、薄膜致密性較好。

　　在薄膜沉積過程中，發(fā)現(xiàn)在Si 沉積后關(guān)掉電子槍待其自動降溫時經(jīng)常會發(fā)生石墨坩堝被撐破的現(xiàn)象。這主要是由于石墨坩堝和Si 的冷卻速率不同所造成的，石墨坩堝受溫度影響小，而Si 在降溫過程中體積會膨脹。為了解決這個問題，在鍍完每層Si 膜后，用電子槍對Si 和石墨坩堝進(jìn)行同步降溫處理，這樣就可以減小石墨坩堝被撐破的幾率，延長了使用壽命。

　　圖2 Si 在0.5μm~5μm 波段范圍內(nèi)的折射率分布曲線

2.3、折射率分布曲線的測定

　　光學(xué)薄膜的折射率是與工藝條件密切相關(guān)的，因此要針對特定的工藝條件來測定折射率分布狀況。在185℃、3×10^-3 Pa、沉積速率為0.2 nm/s的條件下，通過單層膜試驗，利用分光光度法^[3]測定Si 在0.5 μm~5 μm 波段范圍內(nèi)的折射率分布曲線如圖2 所示。

3、結(jié)論

　　硅膜在紅外光學(xué)薄膜中具有很高的應(yīng)用價值，尤其是能夠簡化反射膜以及光譜特性要求復(fù)雜的膜系，減少膜層數(shù)目和膜層厚度，拓展反射帶。電子束沉積是目前光學(xué)薄膜制備過程中的主流方式，在力求與其他膜料的工藝匹配的原則上，文中確定了電子束沉積Si 膜時的溫度、真空度，利用石墨坩堝獲得了穩(wěn)定的沉積速率，在此基礎(chǔ)上利用分光光度法測定了Si 在0.5 μm~5 μm 波段范圍內(nèi)的折射率分布曲線，對Si 在紅外薄膜中的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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