電子束蒸發法工藝對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鍍制薄膜的過程中,各種工藝參數都影響著薄膜的折射率。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,可實際上在無離子源輔助蒸發的情況下,折射率會低于2.2。這是由于在用常規熱蒸發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解吸的溫度要求較高,高溫會促使水分子的解吸,也可以提高折射率。隨著基片溫度的增加,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,因此適當提高蒸鍍時的基片溫度,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方面。一方面氣相碰撞使TiO2分子動能損失,另一方面蒸發分子要與殘余氣體之間進行化學反應。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,這個壓強下的氧氣分子已經足夠與TiO2分子反應。如果壓強過大,氧氣分子過多,碰撞會使TiO2分子動能損失,而且會對電子槍燈絲的壽命和性能有影響。真空度的高低會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程中與其它分子碰撞的機會就越小,到達基片的膜料分子的動能就越大,膜層越致密,折射率越高。但反應蒸發中, 必須保證有一定的反應氣體壓強,以獲得很好的化學計量比。從表1可以看到,隨著真空度的降低,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。可見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
沉積速率大會使成膜的粒子動能增加,原子在基底表面的移動速率增加,因此增加了凝結速率,增加了粒子的生長速率,也加速了粒子的接合。沉積速率過高或過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時折射率都小于沉積速率為0.2nm·s-1時的折射率。隨著沉積速率的增加,折射率整體水平先增加后減小。沉積速率過低,成核率也較低,沉積分子會在基片表面有充分的時間進行遷移,從保持系統的自由能處于最低狀態的要求出發,薄膜中的晶粒將在某些低指數晶面上出現擇優生長,這樣就會造成膜的結構松散,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初期的形核密度,從而使結晶細化,膜密度也隨之增大。同時沉積速率的增加會減少薄膜中的氣體分子的含量,相應的也會提高折射率。但是沉積速率過高,在蒸發過程中引起失氧的TiO2分子來不及與氧反應以補充失去的氧,使沉積出來的膜的成分達不到理想值,會對折射率有影響。而且到達基片表面的沉積原子來不及規律排列,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性質也存在潛在的影響。蒸鍍前離子轟擊一方面起著清潔基片、增加附著力的作用,另一方面會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的夾角稱為膜料蒸汽分子入射角,它影響著膜層的生長特性和沉積密度,從而導致光學性能的變化。
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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