引 言

随着真空镀膜技术的发展与广泛应用,对光学薄膜均匀性的要求也越来越高。任何一种有实际应用价值的薄膜都对膜厚分布有特定的要求,除了少数特殊场合外,绝大多数情况下都要求薄膜厚度尽可能均匀一致。薄膜均匀性的优劣直接影响到各个光学设备的稳定性和可靠性,同时也对产品的一致性以及器件的性能有着非常重要的影响。薄膜均匀性是衡量薄膜质量和镀膜装置性能的一项重要指标,其在光学、光电等器件的加工工艺中起着重要作用^{[1, 2, 3]}。薄膜厚度的均匀性是指同基片单位面积上只能存在允许范围内的膜厚误差分布,以此保证膜系光学特性不会随表面位置而变化^[4]。研究膜厚均匀性对生产型的企业来说具有重要的实际应用价值,优良的膜厚均匀性意味着可以实现产品单批次产量最大化提高一次合格率,可以降低生产成本实现利润最大化,有利于公司的发展和提高公司在光学制造行业的竞争力^[5]。镀膜工序是光学产品生产加工的重要环节之一,因此致力于膜厚均匀性的研究和掌握膜厚分布理论并运用理论分析修正膜厚均匀性十分必要^{[6, 7, 8]}。

PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)即等离子体增强化学气相沉积技术是借助于辉光放电等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应,从而实现薄膜材料生长的一种制备技术^{[9, 10]}。由于PECVD技术是通过气体放电来制备薄膜的,有效地利用了非平衡等离子体的反应特征,从根本上改变了反应体系的能量供给方式^{[11, 12]}。

本文采用PECVD技术制备光学薄膜,重点讨论薄膜镀制过程中的各个工艺参数变化对光学薄膜厚度均匀性的影响。选取不同反应腔体内温度、工作气压、射频电源功率以及反应时间镀制高折射率光学薄膜(Si_xN_y),通过一组不同工艺参数的均匀性正交试验,改善高折射率薄膜的制备工艺。

1 试验及样片制备

实验采用PECVD-1201 型等离子体增强化学气相沉积系统作为薄膜沉积设备。选取直径为150 mm的B270玻璃基底,使用正交试验所获取的最佳工艺参数制备氮化硅(Si_xN_y),具体参数为:硅烷取标况下50 ml/min、氮气取标况下50 ml/min、温度300 ℃、反应气压20 Pa、射频功率150 W、沉积时间30 min,重复三次。采用M-2000UI椭圆偏振仪对实验样品进行折射率和厚度的测试,选用Cauchy模型进行拟合，实验结果见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 三组样片折射率以及厚度实验结果 Tab. 1 The refractive index and thickness of three experimental samples 检测项目 1号样片 2号样片 3号样片 折射率 厚度/nm 折射率 厚度/nm 折射率 厚度/nm 1号位置 1.88 214.6 1.87 220.7 1.87 215.4 2号位置 1.87 217.9 1.87 217.3 1.88 219.3 3号位置 1.86 221.1 1.87 222.4 1.88 224.4 4号位置 1.87 221.6 1.88 219.1 1.87 222.3 5号位置 1.88 223.5 1.88 223.2 1.88 221.2 6号位置 1.87 221.8 1.87 218.6 1.87 219.7 非均匀性/% ＜1.0 3.0 ＜1.0 2.6 ＜1.0 4.1

表 1 三组样片折射率以及厚度实验结果 Tab. 1 The refractive index and thickness of three experimental samples

使用实验选取的最佳工艺参数镀制氮化硅(Si_xN_y)薄膜。所获得的氮化硅薄膜能够有效地将折射率非均匀性以及几何厚度非均匀性控制在5%以下,从而制备了均匀性良好的光学薄膜。

使用北京创世维纳PECVD-1201型等离子体增强化学气相沉积仪器,采用两圆型平行平板作为上下电极,射频电源频率为13.56 MHz。上极板采用淋浴头型多孔结构( 单个孔径0.5 mm)。在直径为150 mm,厚度为1 mm的B270基底上沉积 Si_xN_y薄膜。反应气体为硅烷(SiH₄)以及氮气(N₂),采用实验获取的最佳工艺参数:硅烷，标况下50 ml/min,氮气，标况下50 ml/min。设计四因素(反应温度、反应气压、等离子体功率、反应时间)三水平正交试验L₉(3⁴)工艺参数如表 2所示。

表 2(Table 2)

表 2 实验工艺参数 Tab. 2 Experiment parameters 试验序号 反应温度/℃ 反应气压/Pa 反应功率/W 沉积时间/min 1 200 20 120 20 2 200 25 150 30 3 200 30 200 40 4 250 20 150 40 5 250 25 200 20 6 250 30 120 30 7 300 20 200 30 8 300 25 120 40 9 300 30 150 20

表 2 实验工艺参数 Tab. 2 Experiment parameters

图 1

Fig. 1

图 1 基底上选取的六个测试点位置 Fig. 1 The six test points on substrate

实验样品采用M-2000UI椭圆偏振仪进行折射率和厚度的测试,选用Cauchy模型进行拟合。每组样片上按如图 1选取六个点进行折射率以及几何厚度拟合。薄膜几何厚度非均匀性计算公式为

在Φ150 mm的B270基底上选取的六个测试点位置以及序号如图 1所示,九组试验中六个位置的折射率以及几何厚度如表 3所示。

表 3(Table 3)

表 3 正交实验检测数据 Tab. 3 Orthogonal experiment results 试验序号 检测项目 1号位置 2号位置 3号位置 4号位置 5号位置 6号位置 1 折射率 1.91 1.90 1.91 1.90 1.88 1.88 厚度/nm 146.5 151.1 162.1 152.8 153.4 159.9 2 折射率 1.92 1.92 1.92 1.92 1.91 1.91 厚度/nm 239.2 144.6 253.4 252.0 250.9 258.3 3 折射率 1.84 1.86 1.86 1.83 1.84 1.86 厚度/nm 415.9 457.6 475.0 519.5 474.5 464.2 4 折射率 1.87 1.88 1.88 1.87 1.88 1.87 厚度/nm 410.1 397.2 411.2 405.2 401.1 410.1 5 折射率 1.88 1.88 1.87 1.88 1.88 1.88 厚度/nm 208.3 199.2 226.1 203.3 201.7 208.3 6 折射率 1.92 1.93 1.94 1.94 1.93 1.93 厚度/nm 226.5 230.5 244.4 237.4 234.8 243.0 7 折射率 1.87 1.87 1.88 1.87 1.87 1.88 厚度/nm 270.9 284.6 279.3 295.5 284.6 288.2 8 折射率 1.91 1.91 1.88 1.88 1.88 1.88 厚度/nm 316.4 321.6 339.5 335.2 331.8 339.6 9 折射率 1.90 1.90 1.90 1.90 1.90 1.90 厚度/nm 170.1 174.6 181.3 186.1 177.7 175.8

表 3 正交实验检测数据 Tab. 3 Orthogonal experiment results

通过式(1)、式(2)计算出氮化硅薄膜折射率以及几何厚度非均匀性结果如表 4所示。

表 4(Table 4)

表 4 折射率及几何厚度非均匀性实验结果 Tab. 4 The orthogonal experiment results:refractive index and non-uniformity of thickness 试验序号 平均折射率 平均厚度/nm 折射率非均匀性/% 厚度非均匀性/% 1 1.90 154.3 1.6 10.0 2 1.92 249.7 <1.0 7.6 3 1.85 467.7 1.6 22.0 4 1.88 405.8 <1.0 3.1 5 1.88 207.8 <1.0 12.9 6 1.93 236.1 1.0 7.5 7 1.87 286.9 <1.0 9.2 8 1.90 330.7 2.0 7.0 9 1.90 177.6 <1.0 9.0

表 4 折射率及几何厚度非均匀性实验结果 Tab. 4 The orthogonal experiment results:refractive index and non-uniformity of thickness

表 4中,9组实验样品的折射率非均匀性都未超过2.0%,故PECVD技术镀制氮化硅(Si_xN_y)薄膜 时,能够较好地控制折射率均匀性,用椭偏仪测出该薄膜的消光系数均小于1×10^-4满足光学薄膜的要求。而对样片的几何厚度非均匀性,由于镀制的工艺参数则有较大幅度波动,采用极差法分析本组正交试验数据,试验结果如表 5所示。

表 5(Table 5)

表 5 实验数据分析 Tab. 5 Analysis of experiment parameters 参数 温度因素 气压因素 功率因素 时间因素 K1 39.6 22.3 24.5 31.9 K2 23.5 27.5 19.7 24.3 K3 25.2 38.5 44.1 32.1 k1 13.200 7.433 8.167 10.633 k2 7.833 9.167 6.567 8.100 k3 8.400 12.833 14.700 10.700 极差 5.360 5.400 8.133 2.600

表 5 实验数据分析 Tab. 5 Analysis of experiment parameters

K_i所示为四因素(温度、气压、功率、时间)第i个水平所对应的薄膜几何厚度非均匀性之和,k_i则为第i水平的平均值。极差是同一列中,k₁、k₂、k₃这三组数据中最大值减去最小值,反映了该因素水平对于试验结果的影响程度。图 2所示为根据极差法分析得出各个工艺参数对于氮化硅薄膜膜厚非均匀性的影响曲线图,由图 2可见镀膜的最优方案为:腔体温度为250 ℃,腔体气压为20 Pa,射频功率为150 W,镀膜时间为30 min。

图 2

Fig. 2

图 2 各个因素对氮化硅薄膜几何厚度非均匀性的影响 Fig. 2 Influence of various factors on the non-uniformity of thickness of silicon nitride thin film

采用PECVD法制备光学薄膜影响均匀性的主要因素有:腔体的真空度、真空室温度、反应气压、射频电源功率以及薄膜厚度等。因此本节主要分析和讨论样品均匀性与各个工艺参数之间的关系。

腔体真空度是镀膜工艺中最基本的参数。膜厚均匀性与等离子体在腔内受残余气体的碰撞相关。当真空室等离子体的平均自由程大于匀流板与基底间的距离时,就会获得充分的真空。为此增加残余气体的平均自由程,借以减少等离子体化的反应气体与残余气体分子间的碰撞几率,使真空室处于高真空状态是必备条件。值得注意的是:真空镀膜过程中对真空度的要求并非越高越好,因为在真空室内真空度超越1×10^-5 Pa时,必须对真空系统加热烘烤去气才能达到。由于长时间烘烤去气会对基底造成损伤,因此在不经过烘烤去气即可得到1×10^-4 Pa的高真空环境下镀膜,其膜厚均匀性不一定比超高真空下所制备的薄膜质量差。

真空室中基底温度的分布往往是不均匀的,这与真空室内加热源的位置、内部结构、能量大小等因素有关,通常托盘中间部分与边缘部分的温度差可达几摄氏度。这样由于凝聚系数的差异,温度高的地方膜厚势必比温度低的地方薄,所以要通过一系列温控手段来合理地改变真空室中温度场的分布。一方面,升高基底温度,则会增加沉积在基底表面上颗粒的能量,使基地表面上的颗粒运动能力增强,从而使反应生成物聚集成团;另一方面,提高基底温度,有利于用颗粒填补薄膜表面缺陷,从而使薄膜表面均匀性得到提高。然而,增加基底温度,会减慢沉积速率,使得表面颗粒没有足够的运动时间聚集成团或者岛,破坏膜层的均匀性。如图 2(a)所示,对于薄膜均匀性选取腔体温度为250 ℃时为最佳。

在沉积室内建立高压电场,反应气体在一定气压和高压电场的作用下,产生辉光放电,反应气体被激发成非常活跃的分子、原子、离子和原子团构成的等离子体,大大降低了反应所需的温度,加速了化学成膜反应过程,提高了沉积速率。增加射频功率,则会提高气体的激活率,进而使得膜层的结构致密,也就提高了薄膜的均匀性。如果一味增加射频功率,则会导致沉积速率过快,薄膜的结构疏松,针孔密度增加,反而会破坏膜层的均匀性。当功率过高时,还会对基底材料产生辐射损伤。如图 2(c)所示,当射频功率选取150 W时,可以得到更好的薄膜均匀性。

反应压强体现了反应室中反应气体的浓度,气体浓度越高,气体被分解得到的活性等离子体密度也越大,到达基底表面聚集成薄膜的速率也越快,所以反应压强直接影响PECVD技术镀制光学薄膜的质量。

沉积压强较高(如30 Pa)时,沉积室中的反应气体浓度较高,分解得到较多活性等离子体,产生的浓度梯度很大,导致薄膜迅速生长。而过快的反应速率,则会导致过多的反应生成物无法均匀地在基地表面生长,从而影响整个膜层的均匀性。如图 2(b)所示,说明30 Pa的反应压强无法较好地控制PECVD制备光学氮化硅薄膜的均匀性。

沉积压强合适(如20 Pa)时,沉积室中的反应气体浓度适中,分解得到活性等离子体向基底运动,利于氮化硅薄膜的均匀生长。所以沉积的光学氮化硅薄膜整齐,分布均匀,密度大,杂质少。如图 2(b)所示,说明20 Pa的反应压强适中,能够较好地控制PECVD制备光学氮化硅薄膜的均匀性。

反应时间直接决定薄膜的几何厚度。若反应设备在沉积薄膜过程中,由于设备内部结构或者工艺参数原因导致了同一样片不均匀的膜厚分布,那么随着反应时间的增加,沉积速率快慢不同的位置上膜厚差距将会逐渐增大,从而破坏薄膜的均匀性。因而当选取了适当的工艺参数时,反应时间对于光学薄膜均匀性的影响就被大幅度削弱了,如图 2(d)所示。由表 5可知,正交试验反应时间因素的极差小于其他因素的极差值。

3 结 论

通过实验及测试结果分析,本文明确了PECVD制备光学薄膜时各工艺参数对薄膜均匀性的影响;通过优化工艺参数,并在直径为150 mm厚度为1 mm的B270玻璃基底上通过最佳工艺参数(硅烷:标况下50 ml/min、氮气:标况下50 ml/min、温度300 ℃、反应气压20 Pa、射频功率150 W、沉积时间30 min)成功制备了均匀性≤3%,消光系数为10^-4数量级的氮化硅光学薄膜。为以后通过PECVD法制备单层或多层光学薄膜提供了参考。