薄膜制备技术及其应用研究

学号：11316030111姓名：陈欣烨

摘要：近几年来，薄膜制备对光波导器件的制作至关重要，对于薄膜制作的工艺，着重比较了蒸发沉积、溅射沉积、激光沉积等技术的优缺点，分析这些技术在薄膜制备的发展前景

Abstract：In recent years,the thin film optical waveguide device is very important for the production,preparation for film production process,mainly compares the evaporation deposition,sputtering deposition,laser deposition technology advantages and disadvantages,such as analysis of the prospects of the development of technology in the membrane preparation

关键词：薄膜、制备技术、发展前景

Keywords：Thin films、Preparation technology、Prospects for development

薄膜的研究依赖于薄膜的制备技术,高质量的薄膜有利于薄膜物理的研究和薄膜器件应用的发展。随着激光技术、微波技术和离子束技术的应用,人们发展了多种薄膜制备技术和方法。本文对近年来薄膜制备中采用的新技术、新方法进行综述,比较了各自在薄膜制备方法上的优缺点,对合理选择薄膜的制备方法提出参考意见

一  真空蒸发沉积

真空蒸发沉积是制备光学薄膜最常用的方法,目前也被广泛地用作制备光电子薄膜。它的基本原理是把被蒸发材料加热到蒸发温度,使之蒸发沉积到衬底上形成所需要的膜层。早期的做法是用电阻加热法来制备金属膜或介质膜,常用的不外乎,MgF2,Na3AlF6等极有限的几种材料,由于其机械性能较差,不耐磨、抗激光损伤强度低,所以严重地了它的使用,更无法满足激光器件(如耐磨擦、抗高功率等)的要求

为适应激光的发展而产生的电子束蒸发法开创了蒸发镀膜的新领域, 即用其来蒸发氧化物材料即得所谓的“ 硬膜” 。由于氧化物材料, 如ZrO2 , TiO2 , Ta2O5 , SiO2 等熔点高又耐磨, 所以得到的膜层与用热蒸发镀制的“软膜” 相比, 其化学性能和物理性能都要稳定得多。加上蒸镀时, 是用电子束的动能将其熔化, 被蒸发的气体分子又获得了一定的动能, 所以膜的致密度、粘附力均得到提高, 抗激光破坏的阈值也得到改善。但是采用上述蒸发镀膜所获得的薄膜一般呈柱状结构 , 还不够十分致密,所以膜层很容易吸附大气中诸如水蒸汽、H2 和O2等, 这将导致薄膜性能发生改变。这些都是传统的薄膜蒸发沉积的方法。

二 溅射沉积

溅射法是用高能离子轰击靶材表面, 使靶材表面的分子或原子喷射在衬底表面, 以形成致密薄膜的过程。溅射沉积的薄膜致密度高, 与衬底的粘附性好, 薄膜的成分与靶材具有较好的一致性。因此溅射镀膜技术已用于研究各种光学、光电子薄膜和硬质耐磨涂层 , 其中一些技术已经用于规模化生产。溅射法包括二极溅射、三极(或四极)溅射、磁控溅射、对向靶溅射和离子束辅助溅射等

其中离子束溅射法是在离子束辅助沉积的基础上发展起来的, 它是采用了进一步加大离子束能量的方法, 使其能直接将膜料溅射到衬底上。其关键是要有一个能产生等离子体的离子源, 在强大的离子流的轰击下, 膜料被溅射到衬底上而形成薄膜。由于离子轰击的能量比IBAD 法要大得多, 因此用IBS 沉积的光学薄膜具有高的堆积密度和极细致的微观结构, 而折射率又接近块状材料,因此薄膜具有高的光学稳定性和低的散射、吸收损耗 。这为制造高强度、高功率的光学薄膜开辟了新的路径。中国科学院固体物理研究所采用IBS 法在JG2 紫外光学石英玻璃衬底上成功地制备出厚度为500nm 的纯度高、质量好的Ge-SiO2 纳米颗粒镶嵌薄膜样品。中科院长春光机所采用此技术成功制备了用于28 .4nm 和30 .4nm 波段的新材料组合C Si 多层膜反射镜

三 脉冲激光沉积

脉冲激光沉积是20 世纪80 年代后期发展起来的一种新型薄膜制备技术。PLD 是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材料表面, 使靶材料表面产生高温及熔蚀, 并进一步产生高温高压等离子体, 这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。目前所用的脉冲激光器中以准分子激光器能量效果最好。准分子激光器的工作气体ArF ,KrF ,XeCl和XeF , 其波长分别为193 , 248 , 308 , 351nm, 光子能量相应为6 .40 , 5 .00 , 4 .03 , 3 .54eV 。准分子激光器一般输出脉冲宽度为20ns 左右, 脉冲重复频率为1～ 20 Hz , 靶面能量密度可达2 ～ 5 J cm2 , 功率密度可达1 ×108 ～ 1 ×109 W cm2 , 而脉冲峰值功率可高达1 ×108 W 。

同其他制备技术相比, 脉冲沉积具有如下优点

（1）可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜, 甚至含有易挥发元素的多元化合物薄膜, 是其突出的优点。

(2)激光能量的高度集中, PLD 可以蒸发金属、半导体、陶瓷等无机材料。有利于解决难熔材料(如硅化物、氧化物、碳化物、硼化物等)的薄膜沉积问题。

(3)易于在较低温度(如室温)下原位生长取一致的织构膜和外延单晶膜。因此, 适用于制备高量的光电、铁电、压电、高Tc 超导等多种功能薄膜。

(4)能够沉积高质量纳米薄膜。高的粒子动能具有显著增强二维生长和抑制三维生长的作用, 促使薄膜的生长沿二维展开, 因而能够获得极薄的连续薄膜而不易出现岛化。

(5)灵活的换靶装置, 便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长, 多层膜的原位沉积便于产生原子级清洁的界面。

（6)生长过程可以原位引入多种气体, 烧蚀物能量高, 容易制备多层膜和异质结, 工艺简单, 灵活性大。

四 化学气相沉积

化学气相沉积(CVD)是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给衬底, 借助气相作用或在衬底表面上的化学反应生成薄膜的一种制备方法。由于CVD 法是一种化学反应方法, 它可任意控制薄膜组成, 能够实现过去没有的全新结构和组成, 甚至可以在低于薄膜组成物质的熔点温度下制备薄膜, 所以主要用于制备半导体集成电路中的外延膜、外延光波导膜、薄膜激光器及Si3N4 , SiO2 等绝缘保护膜和TiC , SiC , BN 等耐磨涂层。近年来CVD术有了很大的发展, 主要表现在以下几种:1金属有机化合物化学气相沉积 2　等离子体增强化学气相沉积 

CVD 制备薄膜的方法还有许多, 如Hot-CVD ,Cat-CVD , Photo-CVD , Laser-CVD 等, 所以其制备方法也是很普遍的

五结束语

科学的发展改变着传统薄膜的面貌, 新技术、新材料的开发使得薄膜的应用也越来越广。薄膜的种类很多, 膜的制备方法也多种多样。然而仍由许多问题有待更加深入的研究, 具体表现如下:①对特定薄膜的制备方法工艺混乱, 试验数据缺乏通用性, 不利于薄膜技术的产业化;②对薄膜的生长机理研究不够透彻, 由于缺乏有效的原位监测手段, 对薄膜的形核、生长和成膜的具体过程的研究还处在推理阶段。因此, 选择薄膜的制备方法时要根据实际情况,认真筛选制备方法, 优化设计制备工艺, 同时采用先进技术改造传统方法, 使我国的薄膜技术更上台阶

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