薄膜散射控制方法

2021/11/19

粗糙表面誘發散射。但光在薄膜內部是經過電場分布調制的，可以認為電場強度為零的界面不會對總散射產生貢獻。因此，下文對控制薄膜散射的討論主要基于兩個方面。一是如何控制界面粗糙度，二是通過薄膜設計降低界面電場強度分布。

1.基板粗糙度通過散射計算分析可知，薄膜散射損耗與長程粗糙度和相關長度有關。粗糙度的大小調制散射的大小。粗糙度越大，散射損耗越大。長程粗糙度的相關長度l調制散射方向。在長程粗糙度一定的條件下，相關長度越小，散射越趨向于漫反射，因此應盡量選擇相關長度較大的基底。

2.薄膜制備方式在表面粗糙度一定的情況下，盡可能將膜層生長界面制備成非相關，即每一層的表面特性盡可能不重復前一個界面。在強離子輔助鍍膜條件下，膜層對基板表面的復制效應比其他技術更為明顯，膜層粗糙度表現為相關。同樣基板下，具有更大散射損耗。 

3.薄膜制備工藝一般認為薄膜結晶是影響表面粗糙度的一個重要誘因。薄膜結晶與否，結晶后的晶粒大小如何，都會影響表面粗糙度。而薄膜的微觀結構與鍍膜具體工藝參數有關。哈爾濱工業大學的董美玲等人研究過不同工藝Ti膜的粗糙度。采用直流磁控濺射工藝在Si晶圓片上鍍了1.3μm后的Ti膜。在充氣和偏壓等不變的條件下，僅改變沉積溫度，發現薄膜呈現了迥異的粗糙度。以下是用原子力顯微鏡AFM得到的微觀表面結構。 而表面粗糙度的這種趨勢和薄膜的結晶態息息相關。以下是對應薄膜的X射線衍射圖（XRD）。XRD是表征薄膜晶態的一種手段。其中的尖峰可以反映薄膜的晶粒大小、晶相等信息。在同等厚度下，衍射峰越尖銳，代表晶粒越大，衍射峰強度越大，代表結晶度越高。晶粒越大，結晶度越高，薄膜趨向于越粗糙。 
4.薄膜界面過渡層在恒定的鍍膜條件具有更好的散射控制效果。日常鍍膜通常交替蒸發兩種膜料，兩種膜料一般具有不同的工藝參數。膜層之間切換時，不同的工藝參數會導致膜層在初始以及結束沉積時的鍍膜條件，不同于中間部分的沉積工藝，可能會引入界面過渡層，增大界面散射。對于界面問題，可以通過兩種方式解決。一是利用薄膜工藝輔助解決，二是改進鍍膜機結構和控制程序。后者依然是小編推崇的根本解決之道，考慮到制造業的知識產權問題，小編在這里不會舉例說明，希望讀者諒解。 
5.薄膜打底層在同一鍍膜條件下，采用不同的打底層，膜層生長會趨向不同的相關模型。與基板材料親潤性比較好的薄膜，有利于后續膜層趨向于非相關生長，從而得到更好的粗糙度。下圖給出了同一基板、同一鍍膜條件下的膜層輪廓圖。唯一不同在于與基板接觸的第一層采用了不同的薄膜。可以發現第一層為A時，膜層輪廓呈現出明顯的基板復制效應。

6.薄膜材料選擇薄膜材料本身傾向于不同類型的微觀結構，因而具有不同的粗糙度行為。比如正常工藝條件下，相比Ta2O5薄膜，TiO2和HfO2薄膜趨向于具有更大的粗糙度。

7.退火退火導致薄膜分子二次遷移，可能會造成結晶態的變化。結晶晶粒大小會影響粗糙度。因此，退火可能會加大薄膜表面粗糙度，也可能會平滑薄膜表面。曲阜師范大學的齊瑞云等對電子束蒸發HfO2單層膜進行過退火實驗。電鏡圖a~d分別是不退火，250℃，300℃和400℃退火結果。可以看出，低溫退火可以降低表面粗糙度，隨著退火溫度升高，薄膜表面又會變得粗糙，甚至比未退火的樣品更粗糙。這個趨勢與Zygo干涉儀測量的RMS數據趨勢一致。 

8.薄膜設計需要明確一點，光進入到薄膜內部時，其強度會經過薄膜內部的電場調制。無論是發生散射還是吸收，最終表現都是電場強度非零的這些膜層和界面的集體行為。對于表面散射，降低膜層界面處電場強度，就可以得到較小的散射值。因此，不同的薄膜設計，雖然會具有類似的設計光譜，但卻會具有不同的散射效果。下面這些圖給出了膜堆 (HL)^20和 (0.7H1.3L)^20 0.7L的對比效果。600nm是兩個膜堆的參考波長，兩個膜堆在此處的光譜特性類似。但膜堆(0.7H1.3L)^20 0.7L在界面處的電場強度相對較小，因此在3D散射模擬中具有更好的低散射效果。
9.總結從控制粗糙度和薄膜設計兩方面對散射的控制方法進行了概述。具體涉及膜料和基板類型，成膜方式，鍍膜工藝，打底層選擇，膜層界面過渡層和薄膜設計等。     

只有吸收和散射都得到有效控制，才能得到理想的低損耗薄膜。低損耗薄膜的設計和制備是個復雜的工程，其中的每個過程以及檢測方法都是個巨大的課題，至今有許多問題沒有得到明確解決。比如電場優化，至今沒有軟件可以推出自動優化的計算功能。比如10-4量級以上的吸收測試，散射測試，99.99%光譜測試等，僅依靠常規光譜儀無法測量這些指標。