電子束蒸發TiO2膜通氧量對薄膜光學性能的影響
研究了不同通氧量對電子束蒸發沉積二氧化鈦薄膜的光學性能影響。隨著氧氣流量從37.4×10-3 Pa·m3·s-1增加到61.2×10-3 Pa·m3·s-1，真空室的真空度從1.4×10-3 Pa 變化到2.5×10-3 Pa，可以得到不同光學性能的二氧化鈦薄膜。采用分光光度計測試其光譜，結果發現TiO2薄膜的透射率峰值隨著真空度降低而增大，折射率和消光系數隨真空度降低先升高后降低。在真空度2.0×10-3 Pa 的工藝條件下，成膜質量最優，透射率為92%，折射率在2.50～2.20 之間，消光系數在10-4以下。根據Cauchy 方程擬合其色散規律，擬合曲線和采用包絡法計算得到的曲線較好重合，折射率隨波長的變化公式為n(λ)=2.17+6.12×104/λ2+2.98×108/λ4。
引言
TiO2是重要的光學薄膜材料，不僅具有高折射率、高透光率、耐摩擦、耐腐蝕、硬度高等優良特性，其化學穩定性也非常好，在整個可見區和近紅外區都透明。
隨著光學薄膜厚度控制技術和計算機模擬設計膜系技術的發展，非λ/4膜系已非常廣泛。鍍制非λ/4膜系的基礎條件就是需要薄膜材料的折射率穩定，這樣才能保證通過控制工藝達到非λ/4膜系計算機模擬設計要求。TiO2膜折射率的穩定性與所用的蒸發材料，制備工藝及相關參數有密切的關系，所以用TiO2鍍制非λ/4多層膜系中高折射率的硬膜，就必須保證鍍制過程中蒸發材料的結構、成分、工藝參數穩定。
TiO2薄膜可以用多種沉積技術來制備，主要包括溶膠-凝膠法、磁控濺射技術、反應蒸發技術和離子束輔助沉積技術等，用不同的方法制備的TiO2薄膜具有不同的光學性能。由于TiO2材料在真空中加熱蒸發時會分解失氧，易形成高吸收的亞氧化鈦薄膜，因而制備工藝不同，制備出的TiO2薄膜的折射率、消光系數也有很大的不同，所以研究TiO2薄膜的成膜工藝對其光學性能的影響，對進一步提高TiO2薄膜的應用非常重要。
文章研究了離子束輔助電子束蒸發鍍制TiO2薄膜的通氧量對薄膜性能的影響，獲得最優的鍍制工藝以及最好的薄膜光學特性。
1、樣品鍍制
電子束蒸發鍍制TiO2薄膜，采用圖1所示的離子束輔助電子束蒸發的INTEGRITY-39全自動光學鍍膜系統。該系統配備兩個電子槍，膜厚和沉積速率采用Leybold Inficon IC/5石英晶體監控系統，基片架在真空室的頂部，距離蒸發源垂直距離85 cm，采用行星自轉的方式轉動，可提高薄膜的均勻性。鍍制樣品電子槍工作電壓為10 kV，電流為200 A，真空室沉積溫度為145～155 ℃。膜料選用純度為99.99%的黑色顆粒狀Ti2O3，采用CC-105冷陰極離子束進行輔助沉積，沉積時真空室充入純度為99.99%的O2作為反應氣體，同時使用1179A型MKS質量流量計控制反應氣體O2的流量，基底為直徑25 mm的圓形K9玻璃。
圖1 離子束輔助電子束蒸發全自動光學鍍膜系統示意圖
鍍膜前基底先用玻璃液清洗，去離子水漂洗，氮氣吹干，然后用純度為99.9%的丙酮、無水乙醇超聲波各清洗15 min，用專用擦拭紙擦干后裝入真空室。
鍍制時用機械泵和擴散泵將真空度抽至6.5×10-4 Pa時，設定自動鍍制程序。當基底被加熱到沉積溫度150 ℃時，離子源開始轟擊基底，能量控制在60～90 eV，時間10 min。然后自動啟動電子槍加熱蒸發膜料，沉積薄膜，沉積速率0.38～0.42 nm/s，薄膜沉積到設計厚度440 nm時，程序自動關閉電子槍，完成鍍制。
鍍膜后真空室自然冷卻到室溫取出樣品，用Lambda900(測試范圍為175～3 300 nm)分光光度計進行樣品TiO2的光譜測試，采用Macleod軟件包絡法計算TiO2薄膜的實際厚度，消光系數和折射率。對真空室通入不同流量的高純氧氣，研究不同的真空度對TiO2的成膜質量、折射率、吸收系數的影響。
在較高的真空度下用離子源輔助蒸發沉積TiO2薄膜時，真空度隨通氧量的變化如表1所列。隨著充入真空室內的氧分子被電離成氧離子充分與Ti2O3蒸氣分子反應，使得Ti2O3分解所失的氧得到補充，從而生成的薄膜中TiO2成分比較純凈，但是如果通氧量不足或Ti2O3與O2反應不充分，則會形成高吸收的亞氧化鈦薄膜TinO2n-1 (n=1，2，……，10)。隨著通氧量的增加，TiO2蒸氣分子在蒸發上升過程中與氧分子的碰撞幾率增大而損失了能量，使沉積在基底表面的TiO2動能減小，影響沉積薄膜的附著力和致密性。對于光學薄膜而言，采用離子源輔助能夠增加基底表面膜層分子的動能，不僅對薄膜的折射率有明顯的影響，而且能使薄膜致密性及耐潮濕性得以提高，同時薄膜在基底上的附著力也有明顯好轉。
表1 不同O2流量下對應的真空度
3、結論
通氧量對TiO2薄膜的光學性能有著重要的影響。通過控制氧氣流量的方法調節真空室內的真空度，TiO2薄膜的光譜透射率峰值隨真空度降低而增大，折射率和消光系數隨真空度降低先升高后降低;當真空度為2.0×10-3 Pa時，制備的TiO2薄膜在可見光譜區透射率高，最大透射率92%，折射率在2.50～2.20之間，消光系數在10-4以下。擬合曲線和采用包絡法計算結果的相關系數平方為0.999 46，折射率的Cauchy色散方程為n(λ)=2.17+6.12×104/λ2+2.98×108/λ4。
