SiO渐变折射率薄膜与ZnO透明导电薄膜的反应磁控溅射工艺及机理研究

摘要

光学薄膜被广泛应用于科研、国防军事以及民用产品等各个领域。随着光通信、平板显示等技术的出现与发展，以及军事、科学研究等领域新的需求，对光学薄膜性能的要求越来越高，对光学薄膜材料也提出了新的挑战。 SiOx和ZnO材料体系都是储量丰富，绿色环保的新型光学薄膜材料，在光学及半导体电器件等工业领域具有广泛的应用前景。SiOx具有折射率在大范围可调，红外光波段透明性好的特点；掺杂的ZnO可以具有良好的透明导电性能。磁控溅射技术是一种已经被广泛采用的成熟的产业化生产技术。精确及可重复地控制SiOx薄膜材料的折射率及膜厚，抑制ZnO薄膜制备过程中的反溅射现象，是决定这两种材料体系能否真正获得产业化应用的关键问题。 本论文以SiOx和ZnO材料体系为研究对象，系统地研究了磁控溅射工艺条件对薄膜的化学成分、微结构及光学特性等的影响。从应用的角度重点研究了用反应磁控溅射稳定地获得SiOx中间折射率材料及相关光学薄膜器件的工艺，分析了利用自由基辅助磁控溅射技术制备ZnO薄膜的反溅射现象和机理。通过大量的实验和分析，取得了如下一些结果： 1.SiOx渐变折射率材料的反应磁控溅射工艺研究及SiOx/SiO2多层膜红外滤波片光学薄膜器件的制备： (1)利用反应磁控溅射镀膜技术，通过改变氧气流速或溅射功率，精确可重复地获得了折射率在3.69到1.44(@λ=1550mm)之间可任意调控的SiOx(0≤x≤ 2)薄膜材料； (2)利用SiOx/SiO2材料组合，成功地演示了具有高折射率比的多层膜带通和反射红外滤光片光学薄膜器件： (3)从原理和实验上证明了采用单一的硅溅射靶材可以制备具有良好光学特性的红外光学器件，为产业化生产提供了一种经济而实用的技术和方法。 2.用SiOx制备渐变折射率RugateFilter的理论及工艺研究： (1)从理论分析的角度讨论了材料的选择及折射率分布的设计对rugatefilter光学性质的影响。结果表明，选择合适的折射率振幅调制函数及引入界面折射率匹配层，可以使rugatefilter的光学特性得到很大的改善。 (2)通过调节SiOx中的氧含量，成功地制备了具有较好光学性能的渐变折射率rugatefilter光学薄膜器件。 3.用自由基辅助磁控反应溅射法制备ZnO透明导电薄膜过程中的反溅射现象研究： (1)溅射损失主要来源于扩散沉积和反溅射两种机制； (2)在溅射区高能氧负离子对低氧化状态ZnOx膜的轰击是导致反溅射的主要因素。反溅射效应的强弱取决于沉积ZnOx膜的溅射阈值以及溅射区氧负离子的浓度。 (3)提出了通过调节真空室中溅射区和氧化区的氧平衡分布抑制ZnO反溅射现象的方法。为下一步制备高质量的ZnO透明导电薄膜提供了实验和理论方面的依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1.光学薄膜概述

1.2光学薄膜的应用

1.2.1液晶显示技术中的光学薄膜

1.2.2光通信中的光学薄膜

1.3新型光学薄膜材料

1.3.1渐变折射率薄膜材料

1.3.2透明导电薄膜材料

1.4光学薄膜制备工艺

1.4.1真空蒸发镀膜

1.4.2溅射镀膜

1.5研究内容介绍

参考文献

第二章SiOx渐变折射率材料的反应磁控溅射工艺研究及SiOx/SiO2多层膜红外滤波片光学薄膜器件的制备

2.1引言

2.2样品的制备和测试

2.2.1.ASC-800磁控溅射镀膜设备介绍

2.2.2实验方法和样品测量分析手段

2.3结果与讨论

2.3.1硅氧化物薄膜的结晶性能，微结构与成分分析

2.3.2硅氧化物薄膜光学性质与沉积速率

2.3.3用硅氧化物薄膜材料制备SiOx/SiO2多层膜红外滤波片实例

2.4本章小结

参考文献

第三章用SiOx制备渐变折射率Rugate FiIter的理论及工艺研究

3.1 Rugate filter概述

3.2对Rugate flter设计光谱特性的理论优化

3.2.1 Rugate filter的反射带宽度及干涉旁瓣的起因分析

3.2.2通过对折射率振幅的调制抑制rugate filter的干涉旁瓣

3.2.3通过引入匹配层抑制Rugate Filter的干涉旁瓣

3.3渐变折射率SiOx rugate filter的制备结果与讨论

3.3.1具有渐变折射率分布膜层的膜系设计与制备

3.3.2简单折射率正弦周期分布rugate filter的制备

3.3.3有折射率振幅调制和外部介质匹配层的rugate filter

3.4本章小结

参考文献

第四章用自由基辅助磁控溅射法制备ZnO透明导电薄膜过程中的反溅射现象研究

4.1引言

4.2样品的制备与测试

4.2.1 RAS-1100C自由基辅助溅射镀膜设备介绍

4.2.2实验方法和样品测量分析手段

4.2.3溅射损失率定义及经验公式的获得

4.3不导入O2气条件下金属Zn膜的溅射损失

4.3.1固定Ar气流速，改变溅射功率沉积的金属Zn膜

4.3.2固定溅射功率，改变Ar气流速沉积的金属Zn膜

4.3.3对于金属Zn膜溅射损失的讨论

4.4导入O2气条件下制备ZnO膜的溅射损失与反溅射

4.4.1固定气体流速，改变溅射功率沉积ZnOx膜

4.4.2固定溅射功率，改变溅射气体流速沉积ZnOx膜

4.4.3使用Zn和Al靶同时溅射制备ZnO：Al的溅射损失

4.4.4.关于反溅射机制的讨论

4.5本章小结

参考文献

攻读学位期间完成的论文情况

致谢