薄膜散射控制方法

2021/11/19

粗糙表面诱发散射。但光在薄膜内部是经过电场分布调制的，可以认为电场强度为零的界面不会对总散射产生贡献。因此，下文对控制薄膜散射的讨论主要基于两个方面。一是如何控制界面粗糙度，二是通过薄膜设计降低界面电场强度分布。

1.基板粗糙度通过散射计算分析可知，薄膜散射损耗与长程粗糙度和相关长度有关。粗糙度的大小调制散射的大小。粗糙度越大，散射损耗越大。长程粗糙度的相关长度l调制散射方向。在长程粗糙度一定的条件下，相关长度越小，散射越趋向于漫反射，因此应尽量选择相关长度较大的基底。

2.薄膜制备方式在表面粗糙度一定的情况下，尽可能将膜层生长界面制备成非相关，即每一层的表面特性尽可能不重复前一个界面。在强离子辅助镀膜条件下，膜层对基板表面的复制效应比其他技术更为明显，膜层粗糙度表现为相关。同样基板下，具有更大散射损耗。 

3.薄膜制备工艺一般认为薄膜结晶是影响表面粗糙度的一个重要诱因。薄膜结晶与否，结晶后的晶粒大小如何，都会影响表面粗糙度。而薄膜的微观结构与镀膜具体工艺参数有关。哈尔滨工业大学的董美玲等人研究过不同工艺Ti膜的粗糙度。采用直流磁控溅射工艺在Si晶圆片上镀了1.3μm后的Ti膜。在充气和偏压等不变的条件下，仅改变沉积温度，发现薄膜呈现了迥异的粗糙度。以下是用原子力显微镜AFM得到的微观表面结构。 而表面粗糙度的这种趋势和薄膜的结晶态息息相关。以下是对应薄膜的X射线衍射图（XRD）。XRD是表征薄膜晶态的一种手段。其中的尖峰可以反映薄膜的晶粒大小、晶相等信息。在同等厚度下，衍射峰越尖锐，代表晶粒越大，衍射峰强度越大，代表结晶度越高。晶粒越大，结晶度越高，薄膜趋向于越粗糙。 
4.薄膜界面过渡层在恒定的镀膜条件具有更好的散射控制效果。日常镀膜通常交替蒸发两种膜料，两种膜料一般具有不同的工艺参数。膜层之间切换时，不同的工艺参数会导致膜层在初始以及结束沉积时的镀膜条件，不同于中间部分的沉积工艺，可能会引入界面过渡层，增大界面散射。对于界面问题，可以通过两种方式解决。一是利用薄膜工艺辅助解决，二是改进镀膜机结构和控制程序。后者依然是小编推崇的根本解决之道，考虑到制造业的知识产权问题，小编在这里不会举例说明，希望读者谅解。 
5.薄膜打底层在同一镀膜条件下，采用不同的打底层，膜层生长会趋向不同的相关模型。与基板材料亲润性比较好的薄膜，有利于后续膜层趋向于非相关生长，从而得到更好的粗糙度。下图给出了同一基板、同一镀膜条件下的膜层轮廓图。唯一不同在于与基板接触的第一层采用了不同的薄膜。可以发现第一层为A时，膜层轮廓呈现出明显的基板复制效应。

6.薄膜材料选择薄膜材料本身倾向于不同类型的微观结构，因而具有不同的粗糙度行为。比如正常工艺条件下，相比Ta2O5薄膜，TiO2和HfO2薄膜趋向于具有更大的粗糙度。

7.退火退火导致薄膜分子二次迁移，可能会造成结晶态的变化。结晶晶粒大小会影响粗糙度。因此，退火可能会加大薄膜表面粗糙度，也可能会平滑薄膜表面。曲阜师范大学的齐瑞云等对电子束蒸发HfO2单层膜进行过退火实验。电镜图a~d分别是不退火，250℃，300℃和400℃退火结果。可以看出，低温退火可以降低表面粗糙度，随着退火温度升高，薄膜表面又会变得粗糙，甚至比未退火的样品更粗糙。这个趋势与Zygo干涉仪测量的RMS数据趋势一致。 

8.薄膜设计需要明确一点，光进入到薄膜内部时，其强度会经过薄膜内部的电场调制。无论是发生散射还是吸收，最终表现都是电场强度非零的这些膜层和界面的集体行为。对于表面散射，降低膜层界面处电场强度，就可以得到较小的散射值。因此，不同的薄膜设计，虽然会具有类似的设计光谱，但却会具有不同的散射效果。下面这些图给出了膜堆 (HL)^20和 (0.7H1.3L)^20 0.7L的对比效果。600nm是两个膜堆的参考波长，两个膜堆在此处的光谱特性类似。但膜堆(0.7H1.3L)^20 0.7L在界面处的电场强度相对较小，因此在3D散射模拟中具有更好的低散射效果。
9.总结从控制粗糙度和薄膜设计两方面对散射的控制方法进行了概述。具体涉及膜料和基板类型，成膜方式，镀膜工艺，打底层选择，膜层界面过渡层和薄膜设计等。     

只有吸收和散射都得到有效控制，才能得到理想的低损耗薄膜。低损耗薄膜的设计和制备是个复杂的工程，其中的每个过程以及检测方法都是个巨大的课题，至今有许多问题没有得到明确解决。比如电场优化，至今没有软件可以推出自动优化的计算功能。比如10-4量级以上的吸收测试，散射测试，99.99%光谱测试等，仅依靠常规光谱仪无法测量这些指标。