第31卷 增刊光电工程Vol.31, Sup 2004年12月 Opto-Electronic Engineering Dec, 2004
文章编号：1003-501X(2004)Sup-0067-03
离子束溅射淀积光学薄膜的膜厚均匀性实验
李凌辉1，熊胜明1，申林1，刘洪祥1,2，张云洞1
( 1. 中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209 ；
2. 中国科学院研究生院，北京 100039 )
摘要：介绍了离子束溅射技术改善薄膜均匀性的两种方法。研究了修正板技术，根据工程需要将修正板技术应用于行星转动条件下的光学薄膜的均匀性修正。分别研究了靶摆动和不摆动的情况下，淀积薄膜的均匀性修正。实验结果表明，修正后的均匀性结果优于1%，能满足实际应用的要求；靶摆动修正的均匀性结果优于修正板技术。
关键词：离子束溅射；Ta2O5薄膜；膜厚均匀性；修正板
中图分类号：O484 文献标识码：A
Uniformity of optical film prepared by ion beam sputtering LI Ling-hui1, XIONG Sheng-ming1, SHEN Lin1, LIU Hong-xiang1,2, ZHANG Yun-dong1
(1.The Institute of Optics and Electronics, the Chine Academy of Sciences, Chengdu 610209, China；
2. Graduate School of the Chine Academy of Sciences, Beijing 100039, China )
2013考研英语二真题Abstract：The method to improve the uniformity of thin film thickness through ion beam sputtering is described in the paper. According to the demands of engineering application, a technique has been developed to adjust the uniformity of thin film thickness under condition of planetary fixture in cas of target oscillation and non-oscillation. The experiments results show that the uniformity of Ta2O5 thin film is better than 1%. It can meet the requirement of application.
Key words：Ion beam sputtering；Ta2O5 film；Film thickness uniformity；Mask
引 言
离子束溅射技术经过近40年的发展，已经成为非常重要的一项薄膜制备技术。在现代薄膜技术中，离子束溅射技术由于其污染小、缺陷少、成膜致密，因而被大量应用于高质量光学薄膜的制备，譬如高
密波分复用器(DWDM)[1]、半导体器件，以及各类激光薄膜。
离子束溅射技术制备薄膜也有其缺陷，表现为薄膜的应力大、成膜速度慢、不能镀制很大的基片，特别是薄膜的均匀性相比电子束蒸发技术要难于修正。然而，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特性，不能实现对光束的正确控制。特别是DWDM通讯器件对薄膜的均匀性要求为十万分之几，通常所用的激光腔镜反射膜对均匀性的要求为±1%。
离子束溅射技术制备[2]的光学薄膜其光学性能十分的优异，但其成膜面积小，溅射原子的分布均匀性差，制作直径为50mm的基片均匀性优于1%。实际使用中基片直径为200mm，对薄膜均匀性的要求为±1%。薄膜的均匀性经行星转动改善仍在5%以上，不能满足应用的要求。调整基片相对靶的角度，同时在淀积过程中靶以小角度不停摆动可以解决这个问题，在IBS-1000溅射系统上还不能实现。传统的修正板修正技
光电工程 第31卷增刊 68 术是在公转条件下实现对均匀性的修正，IBS-1000溅射系统基片转动系统采用的是行星转动，这就要求在行星转动条件下采用修正板技术解决均匀性问题。
1 修正薄膜均匀性的方法
影响薄膜均匀性的因素和所使用的工艺、沉积方式都有很大关系。就工艺参数来说，沉积过程中的真空度对均匀性有很大的影响，真空度低，膜料的蒸汽能在前进的路径中形成散射，有利于均匀性的改善，但同时也降低了膜层的质量，这对于制作高质量的光学薄膜是不可取的。
对于电子束蒸发来说，基片的转动速度、基片离蒸发源的位置对均匀性的影响最为明显，通过调节基片离蒸发源的相对位置和距离可以得到很好的均匀性。行星转动的基片运动方式对薄膜的均匀性有显著的改善，如果这两个因素都得到了妥善的处理，那么电子束蒸发工艺可以在直径300mm 的基片上制作出均匀性非常好的(0.3%)光学薄膜。
对于离子束溅射技术来说，仅仅采用行星转动方式不能解决薄膜的均匀性问题，一般通过两条路径来解决：1) 调整基片相对靶的角度，同时在淀积过程中靶以小角度不停摆动，这样，处于行星转动的基片上才能得到均匀性十分好的薄膜。 2) 不采用行星转动夹具而是采用高速公转夹具时，使用修正板对薄膜均匀性修正，在直径为几个毫米的范围内也能得到很好的均匀性。溅射过程中，不摆动靶角度，在行星转动方式下改善薄膜均匀性的方法还未见报道。
2 实 验
2.1 实验配置
离子源是IONTECH 公司生产的16cmRF 离子源，它的射频频率为13.56MHz ，其余参数如表1。Ar 气在放电室被电离后产生的离子由屏栅正电压聚焦，加速栅的负电场加速，再经中和器电子中和后轰击靶，溅射出来的靶材料的原子及原子团经氧气氧化后淀积在行星夹具固定的基片上，生成所需要的氧化物薄膜。实验所用的溅射靶材为纯度为99.99%以上的高纯Ta 以便得到低损耗的Ta 2O 5薄膜。离子束和靶面成40°角入射。溅射过程中，基片做行星式转动以
改善薄膜的均匀性。整个系统的本底真空通
themarine过低温泵维持在10-5 Pa 以下，淀积过程中，
工作真空约在2×10-2~4×10-2Pa 之间，实验装置详见文献[4]。
2.2 靶摆动修正均匀性实验
在淀积薄膜的过程中使靶相对离子束不停地以小角度摆动，让溅射原子以扫描的方式在基片上沉积可以改善沉积薄膜的均匀性。在美国Veeco 公司生产的spector 离子束溅射设备上，通过调整靶的摆动角度(Oscillate degree )和基片相对靶面的角度(Tilt degree )可以得到均匀性很
好的薄膜。靶的摆动角度在±2.5°~ ±3.5°之间调整，基片相对靶面的角度
在-10.5°~ +1.0°之间调整。
2.3 修正板修正均匀性实验
我们自行组建的IBS-1000溅射系统不能实现在淀积过程中靶的小
角度摆动，可以在基片附近放置一块适当的修正板，使不需要的分子或
原子淀积在修正板上，而不淀积在基片上，从而改善基片上的膜厚均匀
性。在行星转动条件下修正板的安装方法如图1所示，图中未标文字的
clsid两个箭头是表示装载基片盘自转和公转的方向。转动时，四个装载基片盘围绕各自的圆心作自转的同时还围绕大圆作公转。修正板的安装是固定的，不随着行星转动而转动，这样一块修正板修正了旋转
着的四块基片的均匀性。修正板离基片的位置要适量，由于溅射镀膜其膜层的应力较大；同时要选择硬度较大的材料加工，以免镀膜后修正板变形过大，可以采用2mm 厚的不锈钢板制表1 离子源工作参数 Table1 Deposition parameters of ion sources Beam Accelerator RF neutralizer V /V
I
/mA V /V I /mA Emission /mA Gas flow /sccm Main source 1200 300 300 20 450 5 图1 修正板示意图 Fig.1 Sketch for mask
2004年12月 李凌辉 等：离子束溅射淀积光学薄膜的膜厚均匀性实验 69 作。在行星转动的条件下，基片上镀制的薄膜在径向是不均匀的，而在以基片中心为圆心的圆周上是均匀的。镀制过程中，薄膜偏厚的位置要加宽修正板的宽度，而偏薄的位置要减小修正板的宽度，加宽或是变窄的多少要看薄膜的不均匀性。比如，如果a 点薄膜厚度厚了2%那么就需要加宽修正板的宽度，使a 点通过修正板被遮挡的路径变长，使其和总路径的比增加2%，这样经过多次的反复修正可以改善薄膜的均匀性。
2.4 薄膜厚度均匀性测试
薄膜的厚度比较是采用lamda900分光光度计，在测量得到的光谱曲线上选取400~450nm 间的一个极
大透射值作标准。实验所使用的基片材料为110mm ×30mm ×3mm 的矩形K9玻璃，测量时，每10mm 选取一个测量点。计算薄膜均匀性的公式为使皮肤美白的方法
%100/)(.a min max ×−=λλλu (1)
式中 λ max , λ min 分别表示测试的10个点中透射极大值的最长波长和最短波长；
λ a 表示10个波长的平均值。 3 实验结果和分析
六级 作文表2是靶摆动修正薄膜的均匀性实
验的调试过程[3]。从上表可以看出，调
整Oscillate degree 和Tilt degree 这两个
参数可以调试薄膜的均匀性，当
Tilt=-2.0, Osc.= ±3.5时，Ta 2O 5薄膜的均
匀性达到了0.16%；当Tilt=+1.0, Osc.=
±2.5时，SiO 2的均匀性达到了0.21%。
可以看出， Ta 2O 5，SiO 2采用了不同的
参数达到了好的均匀性。这是因为Ta 2O 5
和SiO 2有不同的溅射特性[1]，溅射原子
的分布也有不同。
表3是修正板修正Ta 2O 5薄膜均匀
性的实验过程，可以看出，对新的修正
板的形状经过5次修剪，使薄膜的均匀
性达到了0.66%，完全满足±1%的要求。
以上是对Ta 2O 5单层膜的均匀性修正，
实际上，Ta 2O 5和SiO 2在同样的工艺条
件下溅射时，溅射原子分布是有微小差
别的，采用修正Ta 2O 5单层膜的修正板在直径200mm 的石英镜制备的薄膜均匀性测试结果为0.8%，所使用的高低折射率材料分别为Ta 2O 5, SiO 2。 4 结 论
采用靶摆动同时调整基片相对靶角度的方式来改善薄膜的均匀性是可行的。当Tilt=-2.0，Osc.=±3.5时，Ta 2O 5薄膜的均匀性达到了0.16%；当Tilt=+1.0，Osc.=±2.5时，SiO 2的均匀性达到了0.21%，满足薄膜应用对均匀性的要求，所得到的均匀性结果也要优于修正板技术。afver
不想骗自己英文
当不能实现靶摆动同时调整基片相对靶角度时，采用改良的修正板技术对行星转动方式下膜厚均匀性进行修正同样可以得到满意的结果，所制备薄膜的均匀性优于±1%。
(下转第72页)培训学校彩妆
表2 Ta 2O 5, SiO 2薄膜均匀性实验记录 Table 2 Records of Ta 2O 5, SiO 2 film uniformity experiment Ta 2O 5 SiO 2 Times U /% Parameters U /% Parameters 1 ±2.60 Tilt= -10.5°, Osc .= 45±3.5° ±2.80 Tilt= -2.0°, Osc .= 45±3.5° 2 ±1.80 Tilt= -5.0°, Osc .= 45±3.5° ±0.95 Tilt= -0.5°, Osc .= 45±3.0° 3 ±0.60 Tilt= -3.5°, Osc.= 45±3.5° ±0.55 Tilt= +1.0°, Osc .= 45±3.0° 4 ±0.16 Tilt= -2.0°, Osc .= 45±3.5° ±0.21 Tilt= +1.0°, Osc.= 45±2.5° 表3 Ta 2O 5薄膜均匀性实验记录 Table 3 Records of Ta 2O 5 film uniformity experiment Radius/mm new Cut 1 Cut 2 Cut 3 Cut 4 Cut 5 0 443.99 444.15 438.72 421.31 420.93 419.18 10 441.85 445.14 438.48 421.21 419.31 421.84 20 440.78 443.17 437.
41 424.02 419.46 419.99 30 439.84 443.84 437.47 424.63 419.18 419.43 40 439.68 441.01 436.94 424.92 420.01 419.19 50 435.13 444.90 438.78 427.91 419.12 420.85 60 434.99 443.05 438.82 427.04 421.66 419.86 70 435.25 441.92 436.74 427.43 422.02 419.17 80 431.98 440.07 433.88 424.72 421.15 420.11 90 428.26 437.13 429.45 421.11 417.00 418.07 Average 437.18 442.44 436.67 424.43 419.98 419.77 Max 443.99 445.14 438.72 427.91 422.02 421.84 Min 428.26 437.13 429.45 421.11 417.00 418.07 Unif. 3.60% 1.81% 2.12% 1.60% 1.19% 0.66%
光电工程 第31卷增刊
72 下面主要介绍在块状样品的3D 观察和分析以及线路修补或直接作图时，FIB 用于加工，EB 看像。在实际操作中，首先用FIB 对样品进行切割处理，同时用SEM 进行观察。图5给出了在对块状样品进行3D 观察和分析时的SEM 像，从图中可以清晰地看到断面处的裂痕。
在各类应用中，以线路修补和布局验证这
一类工作具有最大的经济效益，聚焦离子束
技术在新产品开发时被用于局部的线路修
改，可省略重作光罩和初次试作的研发成本，
同时还可用SEM 对整个实验过程进行观察，这样的运作模式对缩短研发到批量生产的时程十分有效，同时又节省了大量研发费用。图6是线路修补的实例，在某个局部区域，同时结合了定点切割、接线和针测垫(Probing pad )的制作。 3 结 论
综上所述，电子－离子双束纳米工作站显示了巨大的应用潜力。它的精确定位、显微观测和微细加工功能使其在微电子领域中扮演着重要的角色。我国的科研单位及高等院校在双束系统方面也作了大量的研究工作，并取得了可喜的成绩。我们相信，随着我国微电子工业的发展，电子—离子双束设备及其应用技术也必将被提高到一个新的水平。
参考文献：huay
[1] 赵玉清. 电子束离子束技术[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2003. 61.
ZHAO Yu-qing. The technology of electron beam and ion beam [M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2003. 61.
[2] 董桂芳, 袁忠远, 汪健如. 镓液态金属离子源的制备[J]. 微细加工技术, 1998, (3): 42-45.
DONG Gui-fang, YUAN Zhong-yuan, WANG Jian-ru. The fabrication of liquid metal ion source of Ga [J]. Microfabrication technology , 1998, (3): 42-45.
[3] PREWETT P D, MAIR GLR. Some comment on mechanism of liquid metal ion source[J].J phys , 1983, D17: 2305-2321.
[4] SHEU B L , WANG Y L. Emission properties of a dual ion/electron source bad on Au–In alloy[J]. A pplied Physics , 2002,
80(8): 84-87.
[5] ORLOFF Jon. High-resolution focud ion beams [J]. Review of Scientific Instrument , 1993, 64(5): 1105.
JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ (上接第69页)
参考文献：
[1] 顾培夫, 李海峰, 章岳光, 等. 离子束溅射和离子束辅助淀积DWDM 滤光片的膜厚均匀性[J]. 光学技术, 2001, 29: 410-412.
GU Pei-fu, LI Hai-feng, ZHANG Yue-guang, et al. Uniformity of layer thickness of DWDM filters prepared by ion-beam sputtering and ion-assisted deposition [J]. Optical Technique , 2001, 29: 410-412
[2] DEMIRYONT H ,SITES J R ,GEIB K .Effects of oxygen content on the properties of tantalum oxide films deposited by ion
beam sputtering [J]. Appl, Opt ,1985, 24: 490-495.
travelinglight[3] 申 林, 熊胜明, 刘洪祥, 等. 氧化物激光薄膜的离子束溅射制备技术[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(12): 1175-1179.
SHEN Lin, XIONG Sheng-ming, LIU Hong-xiang, et al. A study of the oxide lar high reflect coatings deposited by ion-beam sputtering[J]. High Power Lar and Particle Beams , 2003, 15(12): 1175-1179.
[4] 张云洞, 刘洪祥. 离子束溅射沉积干涉光学薄膜技术[J]. 光电工程, 2001, 28(5): 69-72.
ZHANG Yun-dong, LIU Hong-xiang. Ion beam sputter deposition technique for the production of optical coatings[J]. Opto- Electronic Engineering , 2001, 28(5): 69-72. 图5 块状样品的3D 观察和分析
Fig.5 3D obrve and analyze to
block shape sample
Crack 图6 线路修补实例 Fig.6 Circuitry reparation example
