電子束蒸發(fā)法工藝對TiO2薄膜折射率的影響
鍍制工藝對TiO2薄膜折射率的影響在蒸發(fā)鍍制薄膜的過(guò)程中,各種工藝參數都影響著(zhù)薄膜的折射率。所以選取適當的工藝參數,研究工藝參數對薄膜折射率的影響是必要的。具體工藝參數及薄膜折射率見(jiàn)表1。
表1 鍍膜工藝參數及薄膜折射率
基片溫度對薄膜折射率的影響
TiO2薄膜的折射率范圍很寬,為2.2～2.7,可實(shí)際上在無(wú)離子源輔助蒸發(fā)的情況下,折射率會(huì )低于2.2。這是由于在用常規熱蒸發(fā)方法制備的薄膜存在疏松的柱狀結構造成的。而適當的提高基片溫度可以使疏松的結構得到一定程度的改善,提高薄膜的結晶度,從而提高膜的折射率。
基片溫度高可以促進(jìn)失氧的TiO2蒸汽分子與氧分子的反應,從而減少TiO2 的失氧,有助于折射率值的提高;另外由于水分子在玻璃基板上化學(xué)解吸的溫度要求較高,高溫會(huì )促使水分子的解吸,也可以提高折射率。隨著(zhù)基片溫度的增加,基片上原子的遷移率增大,晶格上的缺陷減小,晶粒尺寸增加,膜料分子的聚集程度越大,膜層的聚集密度就會(huì )越大,膜的折射率也就越高。從表1可以看出,折射率最大值出現在基片溫度為200℃時(shí),因此適當提高蒸鍍時(shí)的基片溫度,對獲得高折射率是很有效果的。
真空度對薄膜折射率的影響
真空度的影響主要有二個(gè)方面。一方面氣相碰撞使TiO2分子動(dòng)能損失,另一方面蒸發(fā)分子要與殘余氣體之間進(jìn)行化學(xué)反應。由此可知,殘余氣體的壓強和成分都必須加以控制。對于真空度,由表1在2×10-2Pa左右是合適的,這個(gè)壓強下的氧氣分子已經(jīng)足夠與TiO2分子反應。如果壓強過(guò)大,氧氣分子過(guò)多,碰撞會(huì )使TiO2分子動(dòng)能損失,而且會(huì )對電子槍燈絲的壽命和性能有影響。真空度的高低會(huì )改變真空室內的殘余氣體分子的數量。真空度越高,膜料分子在向基片運輸的過(guò)程中與其它分子碰撞的機會(huì )就越小,到達基片的膜料分子的動(dòng)能就越大,膜層越致密,折射率越高。但反應蒸發(fā)中, 必須保證有一定的反應氣體壓強,以獲得很好的化學(xué)計量比。從表1可以看到,隨著(zhù)真空度的降低,折射率的整體水平在下降。試驗得到的薄膜折射率較大出現在工作壓強較低的情況�？梢�(jiàn)較低的反應氣體分壓,可以增加薄膜的折射率。
沉積速率對薄膜折射率的影響
沉積速率大會(huì )使成膜的粒子動(dòng)能增加,原子在基底表面的移動(dòng)速率增加,因此增加了凝結速率,增加了粒子的生長(cháng)速率,也加速了粒子的接合。沉積速率過(guò)高或過(guò)低均對薄膜的性能不利,由表1可知,沉積速率為0.1nm·s-1或0.3nm·s-1時(shí)折射率都小于沉積速率為0.2nm·s-1時(shí)的折射率。隨著(zhù)沉積速率的增加,折射率整體水平先增加后減小。沉積速率過(guò)低,成核率也較低,沉積分子會(huì )在基片表面有充分的時(shí)間進(jìn)行遷移,從保持系統的自由能處于最低狀態(tài)的要求出發(fā),薄膜中的晶粒將在某些低指數晶面上出現擇優(yōu)生長(cháng),這樣就會(huì )造成膜的結構松散,密度較小,留下很多缺陷引起水分的吸收,對膜性能極為不利。提高沉積速率可以增加薄膜生長(cháng)初期的形核密度,從而使結晶細化,膜密度也隨之增大。同時(shí)沉積速率的增加會(huì )減少薄膜中的氣體分子的含量,相應的也會(huì )提高折射率。但是沉積速率過(guò)高,在蒸發(fā)過(guò)程中引起失氧的TiO2分子來(lái)不及與氧反應以補充失去的氧,使沉積出來(lái)的膜的成分達不到理想值,會(huì )對折射率有影響。而且到達基片表面的沉積原子來(lái)不及規律排列,造成大量的晶格缺陷,薄膜表面粗糙,吸收增加。所以比較合適的沉積速率應為0.2 nm·s-1。
其他工藝條件的可能影響
除了上述工藝條件,還有離子轟擊和膜料蒸汽分子入射角等因素對薄膜的光學(xué)性質(zhì)也存在潛在的影響。蒸鍍前離子轟擊一方面起著(zhù)清潔基片、增加附著(zhù)力的作用,另一方面會(huì )增大表面粗糙度和增加靜電荷。蒸鍍后的離子轟擊一般可提高膜層的密度因而使薄膜的折射率增高; 蒸汽分子入射的方向與基片沉積表面法線(xiàn)的夾角稱(chēng)為膜料蒸汽分子入射角,它影響著(zhù)膜層的生長(cháng)特性和沉積密度,從而導致光學(xué)性能的變化。
綜上所述,要得到折射率較高的薄膜,最佳工藝參數為: 基片溫度200℃、真空度2×10-2Pa、沉積速率0.2nm/s。
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