电子束蒸发TiO2膜通氧量对薄膜光学性能的影响
研究了不同通氧量对电子束蒸发沉积二氧化钛薄膜的光学性能影响。随着氧气流量从37.4×10-3 Pa·m3·s-1增加到61.2×10-3 Pa·m3·s-1，真空室的真空度从1.4×10-3 Pa 变化到2.5×10-3 Pa，可以得到不同光学性能的二氧化钛薄膜。采用分光光度计测试其光谱，结果发现TiO2薄膜的透射率峰值随着真空度降低而增大，折射率和消光系数随真空度降低先升高后降低。在真空度2.0×10-3 Pa 的工艺条件下，成膜质量最优，透射率为92%，折射率在2.50～2.20 之间，消光系数在10-4以下。根据Cauchy 方程拟合其色散规律，拟合曲线和采用包络法计算得到的曲线较好重合，折射率随波长的变化公式为n(λ)=2.17+6.12×104/λ2+2.98×108/λ4。
引言
TiO2是重要的光学薄膜材料，不仅具有高折射率、高透光率、耐摩擦、耐腐蚀、硬度高等优良特性，其化学稳定性也非常好，在整个可见区和近红外区都透明。
随着光学薄膜厚度控制技术和计算机模拟设计膜系技术的发展，非λ/4膜系已非常广泛。镀制非λ/4膜系的基础条件就是需要薄膜材料的折射率稳定，这样才能保证通过控制工艺达到非λ/4膜系计算机模拟设计要求。TiO2膜折射率的稳定性与所用的蒸发材料，制备工艺及相关参数有密切的关系，所以用TiO2镀制非λ/4多层膜系中高折射率的硬膜，就必须保证镀制过程中蒸发材料的结构、成分、工艺参数稳定。
TiO2薄膜可以用多种沉积技术来制备，主要包括溶胶-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，用不同的方法制备的TiO2薄膜具有不同的光学性能。由于TiO2材料在真空中加热蒸发时会分解失氧，易形成高吸收的亚氧化钛薄膜，因而制备工艺不同，制备出的TiO2薄膜的折射率、消光系数也有很大的不同，所以研究TiO2薄膜的成膜工艺对其光学性能的影响，对进一步提高TiO2薄膜的应用非常重要。
文章研究了离子束辅助电子束蒸发镀制TiO2薄膜的通氧量对薄膜性能的影响，获得最优的镀制工艺以及最好的薄膜光学特性。
1、样品镀制
电子束蒸发镀制TiO2薄膜，采用图1所示的离子束辅助电子束蒸发的INTEGRITY-39全自动光学镀膜系统。该系统配备两个电子枪，膜厚和沉积速率采用Leybold Inficon IC/5石英晶体监控系统，基片架在真空室的顶部，距离蒸发源垂直距离85 cm，采用行星自转的方式转动，可提高薄膜的均匀性。镀制样品电子枪工作电压为10 kV，电流为200 A，真空室沉积温度为145～155 ℃。膜料选用纯度为99.99%的黑色颗粒状Ti2O3，采用CC-105冷阴极离子束进行辅助沉积，沉积时真空室充入纯度为99.99%的O2作为反应气体，同时使用1179A型MKS质量流量计控制反应气体O2的流量，基底为直径25 mm的圆形K9玻璃。
图1 离子束辅助电子束蒸发全自动光学镀膜系统示意图
镀膜前基底先用玻璃液清洗，去离子水漂洗，氮气吹干，然后用纯度为99.9%的丙酮、无水乙醇超声波各清洗15 min，用专用擦拭纸擦干后装入真空室。
镀制时用机械泵和扩散泵将真空度抽至6.5×10-4 Pa时，设定自动镀制程序。当基底被加热到沉积温度150 ℃时，离子源开始轰击基底，能量控制在60～90 eV，时间10 min。然后自动启动电子枪加热蒸发膜料，沉积薄膜，沉积速率0.38～0.42 nm/s，薄膜沉积到设计厚度440 nm时，程序自动关闭电子枪，完成镀制。
镀膜后真空室自然冷却到室温取出样品，用Lambda900(测试范围为175～3 300 nm)分光光度计进行样品TiO2的光谱测试，采用Macleod软件包络法计算TiO2薄膜的实际厚度，消光系数和折射率。对真空室通入不同流量的高纯氧气，研究不同的真空度对TiO2的成膜质量、折射率、吸收系数的影响。
在较高的真空度下用离子源辅助蒸发沉积TiO2薄膜时，真空度随通氧量的变化如表1所列。随着充入真空室内的氧分子被电离成氧离子充分与Ti2O3蒸气分子反应，使得Ti2O3分解所失的氧得到补充，从而生成的薄膜中TiO2成分比较纯净，但是如果通氧量不足或Ti2O3与O2反应不充分，则会形成高吸收的亚氧化钛薄膜TinO2n-1 (n=1，2，……，10)。随着通氧量的增加，TiO2蒸气分子在蒸发上升过程中与氧分子的碰撞几率增大而损失了能量，使沉积在基底表面的TiO2动能减小，影响沉积薄膜的附着力和致密性。对于光学薄膜而言，采用离子源辅助能够增加基底表面膜层分子的动能，不仅对薄膜的折射率有明显的影响，而且能使薄膜致密性及耐潮湿性得以提高，同时薄膜在基底上的附着力也有明显好转。
表1 不同O2流量下对应的真空度
3、结论
通氧量对TiO2薄膜的光学性能有着重要的影响。通过控制氧气流量的方法调节真空室内的真空度，TiO2薄膜的光谱透射率峰值随真空度降低而增大，折射率和消光系数随真空度降低先升高后降低;当真空度为2.0×10-3 Pa时，制备的TiO2薄膜在可见光谱区透射率高，最大透射率92%，折射率在2.50～2.20之间，消光系数在10-4以下。拟合曲线和采用包络法计算结果的相关系数平方为0.999 46，折射率的Cauchy色散方程为n(λ)=2.17+6.12×104/λ2+2.98×108/λ4。
