一種基于Ni80Cr20薄膜的高精度中性密度濾光片的制備方法

郭謨強，黃元申

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

中性密度濾光片在光譜器件制造和航天攝影成像等多個行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。中性密度濾光片能夠在某一波段范圍內(nèi)減少入射光的光強而不改變?nèi)肷涔獾念伾煞?，因此可用于矯正人眼的普爾佛利?，F(xiàn)象（Pulfrich phenomenon）[1]。此外，中性密度濾光片也作為激光功率計[2]和感光光譜儀[3]的核心元件。

中性密度濾光片從20世紀(jì)開始取得了飛速的發(fā)展，學(xué)者們提出了多種基于不同材料且適用于不同波段的中性密度濾光片[4-8]。其中，金屬薄膜因為擁有很少的光散射并且能夠承受極端的天氣變化，所以被用于代替膠片作為中性密度濾光片的主要材料[9]。隨著光學(xué)系統(tǒng)對中性密度濾光片的精度要求越來越高，在常規(guī)的濾光片制造中，無論是采用蒸發(fā)鍍膜還是濺射鍍膜工藝，都難以把薄膜厚度誤差控制在很小的范圍內(nèi)。真空鍍膜系統(tǒng)中石英晶振膜厚傳感器受環(huán)境溫度影響大且使用壽命短，通常有5%～10%的膜厚測量不確定度。參考市場上現(xiàn)有的高精度濾光片，例如Thorlabs公司的光密度精度最高只有5%，Newport公司的也只有4%。對于光密度值精度要求較高的濾光片，其光密度值對厚度變化極其敏感，因此常規(guī)制備工藝無法達到要求。

為此，本文提出了一種提高中性密度濾光片光密度值精度的制備方法，即采用真空鍍膜結(jié)合離子束蝕刻技術(shù)，通過對鍍膜和蝕刻參數(shù)的精確控制，實現(xiàn)對薄膜厚度的精密調(diào)控，將光密度值的相對誤差控制在±2%以內(nèi)，絕對誤差不超過±0.01。本文對該方法的原理進行了深入的分析，證實了其用于優(yōu)化光學(xué)元件制造的可行性。

1 薄膜厚度與光密度值理論模型分析

學(xué)者們提出了許多種測量薄膜厚度的方法[10-13]，但是它們都難以檢測亞納米級別的膜厚變化。因此，我們提出了一種薄膜厚度變化的間接測量方法，即通過檢測超高精度的光密度值來觀察薄膜厚度的變化。薄膜與基底的反射和透射系數(shù)是關(guān)于其厚度與折射系數(shù)的函數(shù)。Zhang等[14]提出一種模型可以快速計算濾光薄膜的光密度值與其厚度間的關(guān)系。在此模型中，假定光波垂直于薄膜表面入射，如圖1（a）所示。光密度是一種用來描述光學(xué)元件透光性能的物理量，光密度值越大，透光性越低。光密度值OD與透射率T的計算式為

圖1 單層膜理論模型以及其膜厚與光密度值的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Theoretical model of monolayer film and the relationship between optical density and film thickness

式中：Ta為假定基底為無限厚時從空氣射向薄膜方向上的透射率；Rb為光波從基底到薄膜方向上的反射率；δF為膜層的復(fù)相位變化；ρs和τs分別為空氣和基底間的表面反射率和沿基底方向的透射率[15-16]；nF和kF分別為薄膜的折射系數(shù)和消光系數(shù)；no為空氣的折射率；ns和ks分別為基底的的折射系數(shù)和消光系數(shù)；dF和ds分別為薄膜和基底的厚度；λ為波長；nF和nS分別為薄膜和基底的復(fù)折射系數(shù)；表達式為nF=nF+kF和ns=ns+ks；ra、rb和ta、tb分別為復(fù)折射和復(fù)透射菲涅爾系數(shù)。

由上述公式推理可知，因為除了薄膜厚度之外，濾光片的其他參數(shù)都是定值，因此濾光片的光密度值只與薄膜厚度相關(guān)。用橢偏儀測出Ni80Cr20濾光片在525 nm（光密度計的工作波長）處的折射率與消光系數(shù)，所用測試模型為洛倫茲模型。將結(jié)果帶入上述公式，并借助Essential Macloed膜系設(shè)計軟件，可以計算Ni80Cr20薄膜的光密度值從0增長到2.55時，厚度的變化情況如圖1（b）所示。藍線代表一個18臺階光密度值梯度變化的中性密度濾光片每個臺階上的光密度值，紅線代表其每個光密度值對應(yīng)的薄膜厚度?？梢钥闯龉饷芏戎蹬c薄膜厚度呈正相關(guān)，0.01的光密度值變化相當(dāng)于0.3 nm的薄膜厚度變化。因此，通過一臺高精度的光密度計能夠很好地監(jiān)測薄膜的厚度變化。

2 濾光片制備工藝及其厚度控制

2.1 多臺階中性密度濾光片的制備

Ni80Cr20為鎳鉻質(zhì)量比為8∶2的一種合金，鎳在近紅外區(qū)域和紅光波段擁有良好的中性度，同時鉻在紫光和紫外波段擁有良好的中性度，這使得Ni80Cr20（純度99.9%）成為工作區(qū)域在可見光的中性密度濾光片的理想薄膜材料。肖特B270玻璃擁有良好的光學(xué)和機械性能，6 mm的B270玻璃對可見光擁有91%的高透過率，也被稱為超白玻璃，其折射率為1.522 9。因此，選擇B270作為濾光片的基底材料，基底的尺寸為220 mm×100 mm×3 mm，并且被分為18個部分，每個部分寬為4.5 mm。

通過分層累鍍的方式來鍍制18臺階中性密度濾光片，其中每個臺階處的薄膜厚度如圖1（b）所示。所用鍍膜機為興南科技型號800鍍膜機，其蒸發(fā)系統(tǒng)為E型電子槍蒸發(fā)源，膜厚控制系統(tǒng)為INFICON公司的SQC-310，其膜厚監(jiān)測器為石英晶體傳感器。值得注意的是，必須等到基氣壓達到3×10?4Pa時才能開始鍍膜，因為低的真空度會嚴(yán)重損害薄膜的中性程度。沉積速率設(shè)置為0.02 nm/s。

分層累鍍的工藝流程如圖2所示。第一層臺階上不用鍍膜，OD值為0。如圖2（a）所示用一個尺寸為210 mm×4.5 mm×3 mm的玻璃擋板擋住不用鍍膜的區(qū)域。鍍制完之后，如圖2（b）所示用精度為0.01的TD210光密度計測量已鍍制好的薄膜。如果OD值小于設(shè)定值，則繼續(xù)鍍膜如圖2（c）所示。大多數(shù)情況下OD值大于設(shè)定值，此時根據(jù)OD值的偏差量，選擇合適的蝕刻參數(shù)對薄膜進行微量減薄如圖2（d）所示。每層薄膜厚度修正之后，用一個更寬的玻璃擋板保護已鍍制好的區(qū)域，以此類推，如圖2（d）所示，直至18個臺階都鍍制完成，成品如圖2（f）所示。

圖2 分層累鍍工藝流程Fig.2 The layered coating process

2.2 厚度控制

真空鍍膜系統(tǒng)中最常用的膜厚監(jiān)測裝置是石英晶振傳感器，但是其誤差隨著其壽命以及鍍制的薄膜厚度變化，通常擁有5%～10%的膜厚不確定度。其次，當(dāng)膜厚到達設(shè)定值時，控制系統(tǒng)會立即關(guān)閉擋板，此時金屬蒸汽的沉積現(xiàn)象并未完全停止，鍍膜室內(nèi)漂浮的金屬蒸汽會持續(xù)沉積到薄膜之上，導(dǎo)致薄膜厚度偏大。本實驗中介紹了兩種膜厚修正方法，一種使用霍爾離子源，另一種使用考夫曼離子源。

實驗中首先在鍍膜機中設(shè)定基礎(chǔ)膜厚為9.1 nm，其對應(yīng)光密度值為0.45，樣本鍍制結(jié)束后，光密度計檢測結(jié)果為0.47，這意味著薄膜的厚度比我們設(shè)定的厚度大0.5 nm。使用霍爾離子源激發(fā)的氬離子束去轟擊薄膜表面，保證工作氣壓在2×10?2Pa左右。圖3（a）為不同電壓下的離子束蝕刻情況，可以看出蝕刻速率相當(dāng)緩慢，180 V的陽極電壓下，濾光片的光密度值減少0.02需花費10 min，并且隨著電壓的增加其蝕刻速率也在增加。當(dāng)電壓為200 V時，減少0.02的光密度值只需要3 min。但是不能夠持續(xù)增大陽極電壓來增加蝕刻速率，因為過大的陽極電壓會使霍爾電流變得不穩(wěn)定，通常情況下設(shè)置陽極電壓不大于200 V。在無柵霍爾離子源中[17-19]，離子束的加速由電極間電壓差和霍爾電流同時提供，其離子束能量無法直接從離子源中顯示，能量大約為陽極電壓差的30%～60%。在不同電壓的蝕刻下，薄膜的光密度值只減少0.02，之后即使增加蝕刻時間，薄膜的光密度值也不再下降。

當(dāng)使用考夫曼離子源時，其離子束能量能夠直接調(diào)控，其大小為其電壓乘以一個電子的電荷量。為了保證與霍爾離子源同樣的工作環(huán)境，蝕刻時的氣壓設(shè)為2×10?2Pa左右，其蝕刻結(jié)果如圖3（b）所示。100 eV的離子能量下，薄膜的光密度值從0.47降為0.34，意味著厚度減少了3 nm，蝕刻速率為0.3 nm/min。蝕刻速率隨著離子束能量下降而減小，直至60 eV時，薄膜的光密度值便不再減少了，即可認(rèn)為Ni80Cr20薄膜的蝕刻閾值能量為60 eV。

圖3 兩種離子源的蝕刻情況Fig.3 Etching of two ion source

當(dāng)將兩種離子源對薄膜厚度的蝕刻效果進行比較時，發(fā)現(xiàn)霍爾離子源的蝕刻速率很慢，180 V電壓下，蝕刻0.5 nm需要10 min，緩慢的蝕刻速率同時也意味著可控性很好的厚度控制，可用于光密度值與設(shè)定值偏差不大的情況。考夫曼離子源擁有較快的蝕刻速率，適用于光密度值偏差大于0.02的情況。

3 結(jié)果與討論

通過分層累鍍工藝配合離子束蝕刻校正厚度誤差的高精度多臺階中性密度濾光片成品如圖4所示。其OD值自下而上每臺階增加0.15。通過離子束蝕刻對薄膜厚度的精密調(diào)控，其每層臺階上的OD值絕對誤差為±0.01，相對誤差為±2%。

圖4 高精度多臺階中性密度濾光片F(xiàn)ig.4 High precision neutral density filter with multistep

圖5展示了18個臺階的OD值隨著波長的變化情況，可以看出該濾光片具有良好的中性度。其OD值變化率在300～900 nm的波段范圍內(nèi)，每300 nm的變化率不超過4%，其透過率曲線在蝕刻前和蝕刻后幾乎無差別。不僅因為蝕刻的厚度量很微小，也因為霍爾離子源的離子束能量分布平均，其離子束能量RMS小于2%。最大的相對誤差為±2%，這個結(jié)果超越了市面上現(xiàn)有的高精度濾光片。例如Thorlabs的光密度精度最高只有5%，Newport公司的也只有4%。這樣的精度足夠滿足高精度光譜靈敏度測量儀[20]。

圖5 Ni薄膜與Cr薄膜在兩種離子源下的蝕刻情況Fig.5 The etching of Ni and Cr thin films under two ion sources

為解釋霍爾離子源總是存在一個蝕刻上限的原因，將厚度都為9.1 nm的純鎳和純鉻薄膜分別用霍爾離子源和考夫曼離子源進行蝕刻，其蝕刻結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，Ni的蝕刻閾值與Cr的蝕刻閾值存在一定的差異。在霍爾離子源的三種電壓下，Ni膜的厚度在緩慢下降但Cr膜幾乎沒有變化。在考夫曼的不同能量離子束下，可以看出，60 eV的離子束都不能對兩種薄膜進行蝕刻，而70 eV能夠?qū)煞N薄膜進行緩慢的蝕刻，且同種能量下Ni膜的蝕刻速率比Cr膜更大，即可認(rèn)為Ni與Cr的蝕刻能量閾值介于60 eV與70 eV之間。鎳金屬的洛氏硬度為28HRC，而鉻金屬的為62HRC[21-22]?？梢酝茰y，在蝕刻實驗中，當(dāng)蝕刻能量介于兩種金屬的蝕刻閾值能量之間時，Ni80Cr20金屬薄膜的表面的Ni金屬首先被蝕刻掉，然后金屬Cr相當(dāng)于在表面形成一層保護膜，使得蝕刻不能繼續(xù)進行。不同蝕刻情況之后的薄膜表面形貌如圖6所示。霍爾離子源180 V到200 V電壓下釋放的離子束的能量是介于60～70 eV之間的，因此只能少量地減少薄膜表面的Ni。同時同一能量下，Ni與Cr的蝕刻速率不同也會造成表面的粗糙度上升。因此方法不推薦用于大幅度地調(diào)節(jié)薄膜的厚度，適用于微量調(diào)控薄膜的厚度。

圖6 薄膜在不同蝕刻情況下的表面形貌改變Fig.6 Surface morphology changes of the film under different etching conditions

4 結(jié) 論

薄膜的厚度可以通過低能量離子束（小于100 eV）進行微量調(diào)整。通過對蝕刻能量的調(diào)控實現(xiàn)了對薄膜厚度的精確減薄，結(jié)合鍍膜工藝達到中性密度濾光片的光密度值精確調(diào)控的目的。采用這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)濾光片光密度值誤差不超過±0.01，相對誤差不超過±2%，對于高精度光譜器件制造具有重要意義。