不同溫度制備氟化鐿薄膜的工藝研究

秦楊 張榮福

摘要：利用電子束蒸發(fā)在硅基底材料上沉積氟化鐿（YbF3）薄膜，并對不同沉積溫度所得薄膜進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在反可見透紅外波段上，沉積溫度對于YbF3薄膜的物理和光學(xué)特性有較大影響。當(dāng)沉積溫度為150 ℃和180 ℃時(shí)，硅基底上的YbF3薄膜的光學(xué)性能和可靠性較差；當(dāng)沉積溫度為220 ℃和240 ℃時(shí)，硅基底上的YbF3薄膜具有良好的光學(xué)性能和可靠性，能適用于不同要求的薄膜產(chǎn)品研制。

關(guān)鍵詞：氟化鐿薄膜； 電子束蒸發(fā)； 反可見透紅外波段； 硅基底； 沉積溫度

中圖分類號(hào)： TM 205.1；O 484.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.016

Abstract： In the material deposited on the silicon substrate and thin film，ytterbium fluoride was studied on different deposition temperature in the films by electron beam evaporation and silicon as substrate.The results show that in the opposite visible through infrared，YbF3 film deposition temperature has great impact on the physical and optical properties.At 150 ℃ and 180 ℃，optical properties and reliability of YbF3 films on silicon substrate are not good.When the temperature is 220 ℃ and 240 ℃，YbF3 thin films have good optical and reliability performance，which are suitable to the different requirements for the development of film products.

Keywords：YbF3 films； electron beam evaporation； in the opposite visible through infrared； silicon substrate； deposition temperature

引 言

反可見光透紅外寬光譜分色片在儀器的分光系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對可見光高反，長波紅外高透，鍍于分光片上的膜層材料必須在可見及紅外區(qū)均是透明無吸收的。在光學(xué)薄膜材料中，氟化

鐿（YbF3）對紫外到遠(yuǎn)紅外光（0.2～15 μm）具有良好的透光性以及較低的折射率，因此經(jīng)常被用作中遠(yuǎn)紅外多層膜研制中的低折射率材料[1]。在YbF3薄膜的制備方面，常規(guī)電阻加熱蒸發(fā)制備的薄膜聚集密度較低、易吸潮，同時(shí)不合適的基底溫度和沉積速率也會(huì)導(dǎo)致膜層疏松、應(yīng)力較大等問題[2]。為了在硅基底材料上獲得反可見近紅外波段、透射紅外波段的寬光譜光學(xué)薄膜，本文采用電子束蒸發(fā)制備YbF3薄膜，通過優(yōu)化電子束蒸發(fā)的工藝，獲得不同溫度下的YbF3膜層，并對其光譜和應(yīng)力進(jìn)行測量及分析，以獲得最佳的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 YbF3的預(yù)熔工藝

YbF3的膜層沉積是在具有擴(kuò)散泵系統(tǒng)的箱式真空鍍膜設(shè)備上進(jìn)行的，基底材料為Si晶體。首先在坩堝中放入2/3容積的YbF3材料，預(yù)先用大束斑小束流（30 mA）的電子束預(yù)熔該材料。然后緩慢增加束流，并不時(shí)地移動(dòng)束斑的位置，使坩堝中的YbF3都被熔化。在逐漸增大束流的過程中時(shí)，坩堝中的YbF3材料會(huì)出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)停止增加束流，等其噴濺程度減小后，再增大束流。當(dāng)束流增加至70 mA時(shí)，將大束斑調(diào)整至小束斑，在坩堝表面的前后左右四個(gè)位置各停留大約20 s，并通過鍍膜機(jī)的觀察窗口觀察該材料此時(shí)的預(yù)熔情況。如此時(shí)材料已無噴濺現(xiàn)象，再將束流加至90 mA（YbF3的蒸發(fā)束流），同時(shí)繼續(xù)觀察有無噴濺現(xiàn)象，至材料無噴濺且穩(wěn)定后停止預(yù)熔，此時(shí)坩堝中的材料凝結(jié)并下陷。真空室放氣后，取出坩堝再次加滿材料，重復(fù)前面的預(yù)熔工藝直至坩堝內(nèi)裝滿預(yù)熔好的材料，如圖1和圖2所示。

YbF3材料經(jīng)過這樣的工藝預(yù)熔，在多層膜沉積過程中就能有效地減少噴濺現(xiàn)象[3]，從而可極大程度地減少光學(xué)元件表面的濺射點(diǎn)，提高光學(xué)元件表面質(zhì)量[4]。

通過電子束沉積YbF3材料的多次試驗(yàn)，摸索出沉積時(shí)的電子束束斑的形狀大小應(yīng)為圓形小束斑，束流為90 mA左右，電壓為8 kV。

1.2 單層YbF3薄膜實(shí)驗(yàn)制備

對于薄膜的應(yīng)力[5]，雖然無法從根本上去除，但是可以通過調(diào)整制備工藝，減少整個(gè)多層膜系的累積應(yīng)力。在選擇合適的沉積溫度時(shí)，我們需要同時(shí)考慮YbF3和其他薄膜材料的應(yīng)力特點(diǎn)，并且兼顧光學(xué)特性。為了提高YbF3薄膜聚集密度，需要選擇較高的沉積溫度，分別選取了150 ℃、180 ℃、220 ℃、240 ℃四個(gè)溫度作為沉積溫度。在硅基底上沉積YbF3薄膜樣品，硅基片放置在水平的行星盤上[6]，沉積過程中鍍膜設(shè)備真空度保持在3×10 3～5×10 3 Pa，樣品沉積厚度為2 μm，沉積速率為0.95 nm/s。

2 樣品測量

圖3為硅基底上不同沉積溫度下沉積相同厚度的YbF3薄膜的透射率曲線。從圖中可以看出，隨著溫度升高，YbF3薄膜的透射率曲線向短波方向移動(dòng)。在220 ℃，240 ℃時(shí)，2.7～2.9 μm處的水汽吸收（地球大氣中主要的吸收氣體之一）相對其他兩個(gè)溫度要小，說明基底溫度升高有利于減小水汽吸收。

根據(jù)上述透射率曲線，擬合得到了不同沉積溫度下的YbF3薄膜折射率，如圖4所示。四種溫度下所得YbF3薄膜的折射率是不同的，溫度越高折射率越低，越有助于膜系的設(shè)計(jì)。

對四種沉積溫度下沉積的薄膜用光學(xué)數(shù)字顯微鏡進(jìn)行放大觀測，得到Si基底上薄膜表面圖，如圖5所示。

在沉積溫度為150 ℃、180 ℃、220 ℃時(shí)得到的膜層表面，均發(fā)現(xiàn)有明顯的開裂現(xiàn)象，而沉積溫度240 ℃時(shí)得到的薄膜則沒有發(fā)現(xiàn)開裂。圖6為掃描電鏡下硅基底的表面形貌，由圖可知，在沉積溫度150 ℃、180 ℃、220 ℃時(shí)，硅基底的YbF3薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài)，沉積溫度240 ℃時(shí)得到的薄膜呈現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)。

最后對四種溫度下沉積的薄膜樣品進(jìn)行了兩項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)：一項(xiàng)是標(biāo)準(zhǔn)聚酯膠帶快速撕拉試驗(yàn)，所有被測樣品均未發(fā)生撕裂脫膜的現(xiàn)象；第二項(xiàng)試驗(yàn)是在45 ℃水中浸泡8 h，結(jié)果用150 ℃和180 ℃時(shí)沉積的薄膜發(fā)生部分的脫膜現(xiàn)象，而220 ℃和240 ℃沉積的薄膜未發(fā)現(xiàn)起泡脫膜現(xiàn)象。

3 結(jié)果與分析

對不同沉積溫度下硅基底上所得的YbF3薄膜進(jìn)行光譜分析后可知：隨著溫度的升高，硅基底上YbF3薄膜的厚度逐漸減小，折射率也隨之減少；150 ℃和180 ℃兩個(gè)沉積溫度所得薄膜的折射率偏高，不適合中遠(yuǎn)紅外多層膜低折射材料的應(yīng)用；220 ℃和240 ℃沉積所得薄膜的折射率比較接近，平均折射率為1.545。

表面形貌的測試結(jié)果可知：Si基底上的YbF3薄膜在150 ℃、180 ℃和220 ℃時(shí)，沉積的薄膜相對基底表面有收縮的趨勢，引起了表面張應(yīng)力[7]，同時(shí)薄膜內(nèi)的張應(yīng)力使基底向膜面內(nèi)側(cè)彎曲形成凹陷，當(dāng)張應(yīng)力超過薄膜的彈性極限時(shí)，膜層就會(huì)破裂，破裂后的膜層脫離基底向內(nèi)側(cè)卷曲，使得膜層表面出現(xiàn)開裂；在240 ℃時(shí)，由于基底溫度較高，蒸汽分子容易在基片表面遷移或被基片反蒸發(fā)，獲得晶態(tài)薄膜的可能性也越大[8]，此時(shí)膜層的聚集密度增大，生長致密，與基底的附著力更好，膜層更加牢固。

4 結(jié) 論

利用電子束蒸發(fā)在硅基底材料上沉積YbF3薄膜時(shí)，選擇合理的電子束參數(shù)，可以獲得基本無濺射點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)薄膜表面；在相同的電子束沉積參數(shù)下，沉積溫度對YbF3薄膜光學(xué)特性的影響較大。在溫度為150 ℃和180 ℃時(shí)，沉積所得的YbF3薄膜沒能通過航天產(chǎn)品所要求的環(huán)境模擬試驗(yàn)，可靠性較差。在沉積溫度為220 ℃和240 ℃時(shí)，在硅基底上得到的YbF3薄膜具有良好的光學(xué)性能和可靠性。該研究結(jié)果可為膜系設(shè)計(jì)提供參考，再配合ZnS、Ge等常規(guī)紅外鍍膜材料，可獲得具有良好光學(xué)特性和穩(wěn)定性的光學(xué)薄膜器件。

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（編輯：劉鐵英）