氧分压对电子束蒸发TiO2薄膜残余应力的影响

　　1　引　言

　　TiO2不仅具有高的反射系数和高的介电常数,而且还具有很好的化学稳定性,在整个可见区和近红外光谱区都是透明的,常用来与SiO2组合做多层光学滤光片和宽带减反射膜。薄膜应力的存在将导致光波波面的形变,滤光片的中心波长随温薄膜应力的实验研究一直被重视[1~5]。TiO2薄膜可以用多种沉积技术来制备,主要有溶胶-凝胶法、磁控溅射技术、反应蒸发技术和离子束辅助沉积技术等[6]。用不同的方法制备的TiO2薄膜具有不同的光学和结构特性,用电子束加热蒸发制备TiO2薄膜效果更好。在电子束热蒸发过程中,由于温度过高,一般都会出现失O2现象,充O2量的多少对薄膜的结构和性质将产生重要影响,因此是一个重要的沉积参量[7,8]。本文利用电子束蒸发工艺,在不同的O2分压下制备了单层TiO2膜,主要分析了O2分压对薄膜应力的影响。

　　2　样品制备

　　TiO2薄膜样品是在ZZS630型箱式真空镀膜机中用电子束蒸发工艺沉积而成的,基底为Φ20 mm×1 mm的BK7玻璃片。沉积时,基底温度为220℃,充O2前本底真空度保持在2×10-3Pa量级,以保证处于高真空状态。膜厚通过光电极值法监控,监控波长为550 nm,光学厚度为监控波长的7/4。采用膜厚控制仪来控制沉积速率,沉积速率保持在0.45 nm/s。沉积参数及样品薄膜厚度见表1所示。光电子·激光

　　3　样品测试

　　当薄膜沉积在基片上时,由于应力作用,基片将发生弯曲。根据弯曲的方向,可以确定应力的形态,压应力使基底向外侧弯曲,张应力使薄膜向内侧弯曲。根据弯曲量的测量,可以得到应力的大小。因为薄膜厚度相对基底很薄,对于此体系使用Stoney公式[9~12]

　　式中:Es(=72 GPa)和γs(=0.21)分别为基片的弹性模量和泊松比;ds和Ds分别为基片的厚度和直径;Δh(=δPv1-δPV0)为基片镀膜前后的形变量,可利用ZYGO干涉仪测量得到;df为薄膜的物理厚度。利用岛津公司的UV3101-PC分光光度计测量了薄膜在400~1500 nm范围内的光谱特性,导入Macleod软件用包络法求得薄膜的厚度[6],代入Stoney公式求得应力大小。样品的厚度(表1)在光学膜厚相同的基础上,除了光学极值法的监控误差外,由于O2压不同导致薄膜具有不同的折射率,所以薄膜的物理厚度也会有所不同。

　　采用北京大学BDX3200型X射线衍射(XRD)仪(测量中步长为0.01°),在Cu Kα辐射条件下测量不同O2压下制备的TiO2薄膜的微结构。

　　4　结果与分析

　　薄膜最终表现出的应力是各种因素所引起的应力的最终表现,一部分应力起源于薄膜生长过程中的结构不完整性(如杂质、空位、晶粒边界、位错和层错等)、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格错配等,这种由薄膜本身结构和缺陷等诸多因素所决定的应力称为本征应力或内应力(σin)。若薄膜与基底的热膨胀系数不同,成膜时基底温度又不同于应力测量温度,由此产生的薄膜的热应变而导致热应力(σth)。薄膜最终存在的应力是各种因素引起的应力分量总和,故有σ=σin+σth。所有样品的沉积温度θ1= 220℃,测量温度θ0=25℃,由公式