离子束溅射Lan-WDM滤光膜膜厚均匀性的研究.pdf

长春理工大学学报（自然科学版）Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）Vol.46No.2Apr.2023第46卷第2期2023年4月齐双阳，等：离子束溅射Lan-WDM滤光膜膜厚均匀性的研究收稿日期：2022-07-13基金项目：吉林省重大科技攻关专项（20190302095GX）作者简介：齐双阳（1996-），女，硕士研究生，E-mail：通讯作者：刘冬梅（1970-），女，硕士，教授，E-mail：离子束溅射 Lan-WDM 滤光膜膜厚均匀性的研究齐双阳1，刘冬梅1，朱忠尧2，张于帅3，韩克旭1（1.长春理工大学光电工程学院，长春130022；2.北京空间机电研究所，北京10049；3.苏州浩联光电科技有限公司，苏州215000）摘要：光通信 Lan-WDM 滤光膜采用离子束溅射（IBS）沉积制备时，由于膜厚分布不均匀会导致光谱中心波长的漂移，影响有效镀膜区域。分析了离子束溅射膜厚分布特点，根据 Ove Lyngnes 提出的膜厚均匀性修正模型，通过修正Mask 挡板来改善 Ta2O5、SiO2的膜厚均匀性。经过多次修正 Mask 实验，最终在 12 英寸的基板上，分别将 Ta2O5和 SiO2的主 Mask 挡板在径向方向每一点膜厚均匀性修到小于 0.1%；辅 Mask 挡板将内圈和外圈的膜厚均匀性修到大于 1.5%，且呈线性关系。制备中心波长分别为 1 295.56 nm、1 300.05 nm、1 304.58 nm、1 309.14 nm 的 Lan-WDM（细波分复用）滤光膜，测得光谱透射率有效镀膜区面积相比原来分别增大了 2.01 倍、2.20 倍、2.25 倍、2.04 倍，提高了滤光膜的生产效率。关键词：薄膜；离子束溅射；膜厚均匀性；修正挡板；窄带滤光片中图分类号：O484文献标志码：A文章编号：1672-9870（2023）02-0025-07Study on The Uniformity of Lan-WDM FilterFilm Thickness by Ion Beam SputteringQI Shuangyang1，LIU Dongmei1，ZHU Zhongyao2，ZHANG Yushuai3，HAN Kexu1（1.School of Opto-Electronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Beijing Space Electromechanical Research Institute，Beijing 100049；3.Suzhou Haolian Optoelectronics Technology Co.，Ltd，Suzhou 215000）Abstract：When the optical communication Lan-WDM filter film is prepared by ion beam sputtering（IBS）deposition，theuneven film thickness distribution will cause the shift of the center wavelength of the spectrum，which affects the effectivecoating area.In this paper，the characteristics of ion beam sputtering film thickness distribution are analyzed.According tothe film thickness uniformity correction model proposed by Ove Lyngnes，the mask baffle is modified to improve the filmthickness uniformity of Ta2O5and SiO2.After several corrections of the Mask experiment，finally on a 12-inch substrate，the film thickness uniformity of the main mask baffle of Ta2O5and SiO2in the radial direction was modified to less than0.1%；the auxiliary mask baffle combined the inner ring and outer ring.The uniformity of the film thickness of the ring isrepaired to more than 1.5%，and the relationship is linear.Lan-WDM（fine wavelength division multiplexing）filter filmswith center wavelengths of 1 295.56 nm，1 300.05 nm，1 304.58 nm，1309.14nm were prepared，and the effective coatingarea of the measured spectral transmittance was increased by 2.01 times compared with the original.2.20 times，2.25 times，2.04 times，improved the production efficiency of the filter film.Key words：thin film；ion beam sputtering；film thickness uniformity；modified baffle；narrow band filter长春理工大学学报（自然科学版）2023年离子束溅射（IBS）能够镀制高质量光学薄膜。相比于电子束蒸发，由于 IBS 系统工作稳定，在长时间运作时，工作电压、离子束流等稳定性较好，而且污染小、缺陷少、成膜致密1-2，用于制备激光膜、窄带滤光片等3-5。薄膜的均匀性是评价光学薄膜的一个很重要的因素，均匀性达不到要求会影响膜系的光谱曲线波长发生漂移，从而影响整个光学元件的光学特性6。对此，国内外做了许多研究来解决离子束溅射时薄膜不均匀的问题，2011 年 Gross 等人7已开发出经过修改的行星自转系统，在直径为 400 mm的基材上的单层薄膜上无须遮盖实现了 0.15%的峰到谷径向均匀性；2019 年吕起鹏8引入了实际遮挡弧长修正因子，对膜厚均匀性模型进行了优化，在 360 mm 口径工件盘内均匀性优于0.1%；同年冯时等人9通过离子束溅射平坦层来改善薄膜均匀性，均匀性可达到 0.4%；2021 年陈国钦等人10通过设计出修正板外形，修正后使薄膜均匀性从 32%提高了 1.7%。在离子束溅射沉积过程中，薄膜的均匀性的控制是制备高精度的窄带滤光膜的关键。本文分析了离子束溅射的膜厚均匀分布特性，根据Ove Lyngnes 提出的膜厚均匀性修正模型，通过多次沉积 Ta2O5、SiO2单层薄膜分别修正 Mask 挡板，改善 Lan-WDM（细波分复用）滤光膜的膜层均匀性。1薄膜均匀性修正实验1.1薄膜均匀性对滤光膜影响本文四种 Lan-WDM 滤光膜中心波长分别为1 295.56 nm、1 300.05 nm、1 304.58 nm、1 309.14 nm，应用在数据中心光通信全介质波分复用器上，其中 Lan-WDM 滤光膜透射带宽仅有 3 nm。在离子束溅射沉积薄膜过程中，轰击到靶材表面的溅射离子强度并非均匀分布，由于溅射区域有一定的面积，因此不能简单地作为一个点源来处理其沉积速率的分布，这就导致了离子束溅射法制备薄膜时，膜层厚度的均匀性不太理想，厚度不均匀会造成滤光片中心波长的漂移，对膜系特性产生影响，导致技术指标不稳定，使得镀膜的良率和产量下降。1.2实验设备原理本文使用的设备为苏州杰莱特公司生产的型号为 IBSV-1030 的离子束溅射镀膜机，配备一个 12 Inch（30.48 cm）的工件盘，如图 1 所示。工件盘位于真空室门一侧固定，工作时基板转速为 300 r/min，靶材与工件盘及离子源均呈 45角，靶材之间呈 60角。图 1（a）中 16 cm RF 射频离子源发射出具有高密度高能的离子轰击靶材，使被溅射的粒子从靶面逸出，沉积在基板上成膜。（a）离子束溅射原理图（b）离子束溅射设备构造图图 1离子束溅射结构图在实际镀膜过程中，基片的外圈相比内圈沉积速度是逐渐变慢的11，这样会导致中心厚边缘薄，使得薄膜均匀性较差，需要修正 Mask 挡板进行改善。Mask 挡板由 Mask 手柄和旋片构成，如图 2 所示，A是旋片 0时的位置，Q是 Mask 手柄的角度，R是旋片的半径。26图 2部分不同角度的 Mask 手柄和不同半径的旋片实物图由于高、低折射率材料具有不同性质，因此需要采用不同形状 Mask 挡板对膜厚进行修正。由于基板口径较大，针对此情况，每种靶材分别设置 3 个 Mask 挡板，高折射率靶材的挡板为 H、H+、H-，低折射率靶材的挡板为 L、L+、L-。其中 H 和 L 是主 Mask，作用是让各个点镀膜均匀，H+、H-、L+、L-是辅 Mask，H+、L+的作用是让边缘镀膜多一些，H-、L-作用是让边缘镀膜少一些。通过更换不同角度的 Mask 手柄、不同半径的旋片以及调整旋片的角度，调整 Mask 挡板的形状可以改善沉积薄膜的厚度均匀性12-14。1.3薄膜均匀性实验根据 Ove Lyngnes 提出的膜厚均匀性修正模型，其原理是设计一个测试单层膜系，并在基板上镀膜。由于溅射速率和膜层厚度均匀性受溅射离子源影响较大，不同靶材的物理性质和化学性质不同，所以对应不同的离子源工艺参数，具体如表 1 所示。表 1RF 射频离子源参数材料Ta2O5SiO2离子束压/V1 2501 250离子束流/mA500600离子源流量/SCCMAr2525O21010中和器Ar流量/SCCM55本设备经过多次实验得到 Ta2O5沉积速率为0.227 nm/s、SiO2沉积速率为 0.259 nm/s 时成膜较好，分别沉积 3 600 s，其厚度分别为 817.2 nm、932.4 nm。SiO2与 K9 玻璃折射率接近，由于 Si 的折射率高，采用 Si 片作为测试片，能够准确测出SiO2单层膜膜厚分布；用 K9 玻璃作为 Ta2O5单层膜的测试片。Ta2O5与 SiO2单层膜透射率光谱如图 3 所示。（a）Ta2O5单层膜（b）SiO2单层膜图 3透射率光谱曲线按表 1 所示的离子源工艺参量，在第一次修正挡板的情况下沉积 Ta2O5薄膜和 SiO2薄膜。本设 备 采 用 双 光 路 光 控 系 统 进 行 监 控，光 源 为Goumax 激光光源（O-band），激光双光路间隔距离 35 mm。设置光路 1 距工件盘圆心 120 mm，光路 2 距工件盘圆心 115 mm。K9 和 Si 测试片尺寸均为 50 mm15 mm0.5 mm，将其中心置于光路 1 的位置，用高温胶带固定，如图 4 所示。每个 Mask 单独进行沉积单层膜进行初步修正实验。图 4测试片放置图齐双阳，等：离子束溅射Lan-WDM滤光膜膜厚均匀性的研究第2期27长春理工大学学报（自然科学版）2023年用分光光度计测试制备后的样品透射率光谱 曲 线。由 于 Lan-WDM 滤 光 膜 中 心 波 长 在1 2801 320 nm 之间，故在测量得到的光谱曲线上选取距离该区间最近的一个透射率极大值作为标准。沿径向方向每隔 5 mm 取一个测量点，即 105 mm、110 mm、115 mm、120 mm、125 mm、130 mm、135 mm，测出其透射光谱值。计算膜厚不均匀性表达式为：=120-x-100%（1）其中，120表示位于光路 1 测试点的光谱透射率极大值；x表示某一测量点的光谱透射值波长；-表示测得的七个测试点的光谱透射值波长平均值。经过测试计算，获得第一次修正膜厚分布情况，结果如图 5 所示。从 图 5（a）、图 5（c）主 Mask 的 修 正 结 果 看出，膜层厚度径向是不均匀的，距离工件盘中心位置越远，测得的膜层厚度越薄。其原因是离子源中心部分的粒子密度最高，同时沉积薄膜过程中基板高速旋转，距中心径向距离越远，则线速度越大，膜层厚度越薄。为使得径向位置105 mm 和 135 mm 处与 120 mm 处的修正后的均匀性一致，需要将 105 mm 处的位置镀少一些，135 mm 处的位置镀多一些。在径向方向上，需要修正主 Mask 挡板，使内圈的遮挡面积大一些，外圈遮挡少一些。从图 5（b）、图 5（c）、图 5（e）、图 5（f）辅 Mask的修正结果看出，辅Mask在径向105 mm和135 mm处 的 位 置 修 正 的 薄 膜 均 匀 性 小 于 1.5%，但 辅Mask 的修正均匀性曲线并不完全呈线性关系。辅 Mask 的作用是调节径向 105 mm 和 135 mm 处的膜厚，在镀膜过程中，根据两个光路光量值导数的差值，及时更换 Mask，使边缘位置与光控中心位置处沉积的膜层厚度一致。对于 H+、L+辅Mask，可以从图5（b）、图 5（e）中看到，想要呈线性关系，105 mm 位置薄膜要厚一些，135 mm 位置薄膜要薄一些，需要增大 H+、L+辅 Mask 挡板外圈的遮挡面积，减小内圈的遮挡面积。对于图 5（c）、图 5（f）中 H-、L-辅 Mask，105 mm 位置薄膜要薄一些，135 mm 位置薄膜要厚一些，则减小（a）H 主 Mask（b）H+辅 Mask（c）H-辅 Mask（d）L 主 Mask（e）L+辅 Mask（f）L-辅 Mask图 5第一次修正 Mask 挡板溅射下的 Ta2O5、SiO2单层膜的均匀性28H+、L+辅 Mask 挡板外圈的遮挡面积，增大内圈的遮挡面积，使均匀性曲线呈线性关系。通过更换不同角度的手柄和不同半径的旋片，调整旋片角度可以实现 Mask 挡板的修正。多次调整 Mask 挡板的尺寸和形状进行实验研究，最终将 Ta、SiO2靶材的 Mask 调整的结果如表2 所示，根据测得的光谱计算得到修正后的薄膜均匀性如图 6 所示。表 2修正后 Mask 挡板的手柄角度、旋片半径及其旋片角度MaskHH+H-LL+L-H/（）7156181816R/mm588270565858R/（）1017-81.523-15从图 6 可以看出，H、L 主 Mask 将每一点膜厚均匀性修到小于 0.1%；辅 H+、H-、L+、L-Mask将 105 mm 和 135 mm 处的膜厚均匀性修到大于1.5%，满足了呈线性的要求。通过以上实验修正后的 Ta 和 SiO2靶材的主 Mask 以及辅 Mask 挡板来制备 Lan-WDM 滤光膜。2Lan-WDM 滤光膜的制备与测试2.1薄膜的制备设计的 Lan-WDM 滤光膜膜层为 202 层，膜层厚度为 37.997 m，薄膜应力较大。采用日本小原（OHARA）WMS-15 玻璃作为基底，其特征是热膨胀系数约为 114 m/，杨氏模量约为 96 GPa，维氏硬度为 800，且温度漂移1 pm/C15。实际冷加工过程中发现，切割会导致滤光膜中心波长向短波偏移 5 nm 左右，所以在设计膜系时需要更改参考波长，使设计的中心波长比原来的标准要多 5 nm。制备 Lan-WDM 滤光膜时，光控系统能够实时监测薄膜透射率的变化，并将实时的透射率数据传输到电脑中，然后再通过电脑中的光控软件将其转换成透射率导数（）曲线，最终根据两条光控曲线导数的差值（为整数），及时切换（a）H 主 Mask（b）H+辅 Mask（c）H-辅 Mask（d）L 主 Mask（e）L+辅 Mask（f）L-辅 Mask图 6修正后的 Mask 挡板溅射下的 Ta2O5、SiO2单层膜的均匀性齐双阳，等：离子束溅射Lan-WDM滤光膜膜厚均匀性的研究第2期29长春理工大学学报（自然科学版）2023年相应的 Mask 进行修正膜厚，从而能够精确地控制膜层的厚度。经过多次实验研究，总结了差值与 Mask 的具体使用的规律情况，如表 3 所示。表 3修正后 Mask 挡板的手柄角度材料Ta2O5SiO2差值-5 +5 +5 -5-5 1527350.150.3根据滤光膜的技术参数和测得的光谱结果对合格区进行判定，四种滤光膜符合指标要求的 半 径 区 间 分 别 为 110139 mm、104136 mm、115145 mm、98130 mm，比修正 Mask 挡板前制备的滤光膜合格区的面积分别增大了 2.01 倍、2.20 倍、2.25 倍、2.04 倍。通过 Mask 挡板对 Lan-WDM 滤光膜的薄膜均匀性进行修正，增大了合格区的面积。3结论本文对 Ta 和 SiO2靶材分别设置了三种 Mask挡板对膜厚分别进行修正，通过多次实验，使主Mask 挡板将膜厚均匀性修到小于 0.1%；辅 Mask将边缘修到大于 1.5%，使均匀性曲线呈线性关系。通过对滤光膜样品的光谱测试和对合格区的判定，有效改善了 Lan-WDM 滤光膜膜厚的均匀性和合格率，提高了生产效率。在此基础上，如何进一步优化 Mask 挡板的尺寸和大小，增大Lan-WDM 滤光膜的合格区的面积将是下一步努力的目标。30参考文献1BUNDESMANN C，LAUTENSCHLGER T，THELANDERE，et al.Reactive ar ion beam sputter deposition ofTiO2films：influence of process parameters on film properties r physics J.Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research，2017（395）：17-23.2 才玺坤，张立超，时光，等.离子束溅射制备低应力深紫外光学薄膜 J.中国光学，2016，9（6）：649-655.3 BALOGH M Z，STEVANOVIC I，BORZI A，et al.Crystallization behavior of ion beam sputtered HfO2thinfilms and its effect on the laser-induced damage thresholdJ.Journal of the European Optical Society-RapidPublications，2021，17（1）：1-8.4 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