光学反射膜的设计与制备 光学(DOC) - 图文

光学器件减反射膜的设计与制备

摘 要

光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，已被广泛应用于工业、农业等各个领域，其在人们的日常生活中起着越来越重要的作用。减反射膜作为光学膜中最重要的一种，它的发展也得到了更广泛的关注。

本文主要通过对光学薄膜特性的理论计算，包括薄膜的基本理论，单层薄膜的特性计算和多层薄膜的特性计算，来对光学薄膜的特性达到一定程度的认识。并通过对光学减反射膜的设计原理、选材及流程的掌握来对减反射膜有一个更深的了解。最终利用直流反应溅射法制备TiO2薄膜，摸索其制备工艺。利用透射光谱，采用“包络法”计算薄膜的折射率、厚度、吸收系数和消光系数，从而分析薄膜的光学性能。

【关键词】光学薄膜 光学减反射膜 磁控溅射原理 TiO2薄膜

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The design and preparation of the anti-reflection coating

on optical device

Abstract

optical films which act as an important branch of modern optics has been widely used in

agriculture, industry and other areas. It plays an increasingly important role in people’s daily life. anti-reflection coating as the most important kind of optical films which development also had been widely concerned.

This article mainly on the optic theory of the film, including film's basic theory, the calculation of the characteristics of the single layer film and multilayer films in order to know more about optical film’s nature. And through master the optical anti-reflection coating’design principles、material of choice and process to know more knowledge of anti-reflection coating. Eventually using direct response from the law covered to make TiO2 film, and to explore its workmanship. By using spectrum and adopting the way of development to calculate the refraction、thickness、Absorption coefficient and coefficient to analysis the nature of films.

【Key words】optical film optical anti-reflection radiation principle TiO2 film

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绪论

光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，己经被广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、医学、军事、天文、红外物理学、激光技术等领域，在人们的日常工作和生活中起着越来越重要的作用。在科技日新月异的今天，现代通讯、能源利用、宇航技术等领域的飞速发展，为光学薄膜的发展提出了更高的要求。

自70年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展。无论在学术上，还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术已经成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，在新技术革命中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品的全方位开发与应用。从发展趋势看，国内外薄膜产业方兴未艾，多种迹象表明。薄膜技术在近期内，将有较大的突破。从而必将带动薄膜产业更大的发展。

十余年来，在薄膜技术飞速发展，工业上有许多更大突破的同时，伴随有各种类型的新型材料的开发，新功能的发现不断。所有这些都蕴藏极大的发展潜力，并为新的技术革命提供可靠的基础。现在薄膜技术和薄膜材料除大量用于电子器件和大规模集成电路之外，还可用于支取磁性膜及磁记录介质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、光导模、传感器膜，耐磨、抗蚀、自润滑膜，装饰膜以及各种特殊需要的功能等。减反射薄膜作为光学薄膜中最重要的一种，它的发展也得到了更广泛的关注，减反射薄膜的实用研究成为一项极有意义的工作。

减反射膜，用于减少光学元件表面的反射，增加工作波段内光线的透过率。20世纪30年代发现的减反射膜促进了薄膜光学的早期发展。对于推动技术光学发展来说，在所有的光学薄膜中，减反射膜起着最重要的作用。直至今天，就其生产的总量来说，它仍然超过所有其他类型的薄膜。

传统的光学玻璃行业如眼镜、照明、汽车玻璃，以及现代光纤通信、光电仪器如热成像、微光夜视、CCD摄像中的光电传感器不断推陈出新，为提高工作波段光线透过率对减反射膜的设计和制备要求越来越高。在太阳能行业，为减少电池表面光的反射损失，增加光的透射，目前主要采用两种方法:(1)将电池表面腐蚀成绒面，增加光在电池表面的入射次数。(2)在电池表面镀一层或多层光学性质匹配的减反射膜。减反射膜的设计直接影响着太阳电池对入射光的反射率，对太阳电池效率的提高起着非常重要的作用。

由此可见减反射膜的重要性，因此我们有必要对该问题进行一个具体的阐述和分析。 本文主要分为三部分：第一部分讲的是光学薄膜特性的理论计算；第二部分的主要内容是光学减反射膜材料选择和膜系的设计；第三部分则主要阐述了TiO2薄膜光学常数计算和单层SiO2减反射膜层得初步实现。

1 光学薄膜的基本理论 1.1 薄膜干涉

光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。

光学薄膜多是依据光的干涉理论设计的，它可以用来得到各种各样的光学特性。它可以减少表面的反射以增加光学系统的透射率和对比度；或者增加表面反射以减少光摄、高的透射，以实现分色、合色的目的；也可以使不同偏振状态的光束具有不同的传播特性，以达到偏振分束、偏振转换的功能。下面我们就利用光程差的概念来具体讨论薄膜的干涉问题。

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入射光束 ? 0 D A C s1 s2 n0 入射媒质 界面1

d1 ?1 B n1 膜层 界面2

n2 基片 图1-1 薄膜干涉

如图1-1所示，1和2分别表示薄膜的上、下表面与其它介质的界面，n0和n2分别为介质的折射率，n1为薄膜的折射率，d1为薄膜的厚度。一单色光以入射角?0入射到薄膜的界面1，一部分在界面1上反射，振幅为s1，另一部分透过界面1，在界面2上反射，然后再透过界面1，振幅为s2。根据反射和折射定律，很容易证明，当界面1和2平行时，s1和s2两反射光相互平行。它们将在无穷远处会聚，产生干涉。实验室中，可利用凸透镜将其会聚于焦平面上来观察，当然也可用眼睛直接观察。

反射光s1和s2的干涉强度决定于它们的光程差。根据光程差的定义和几何关系，得s1和

s2的光程差为：

??2n1?AB?n0?AD?根据折射定律，有

2n1d1?2n0d1tan?1?sin?0 （1-1） cos?1n0?sin?0?n1?sin?1 （1-2）

将式（3-2）代入式（3-1），得

??2n1d1cos?1 （1-3）

相应的相位差为

?????2??4?n1d1cos?1? （1-4）

如果先不考虑光在界面1、2上反射时的相位跃变，则当光程差满足条件

??2n1d1cos?1?k?,(k?0,1,2,?)时，产生相长干涉，叠加后振幅最大，光强最大；当

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光程差满足条件??2n1d1cos?1?(2k?1)幅最小，光强最小。

为了计算干涉叠加后的光强，设s1和s2两反射光的振动方程为

?2,(k?0,1,2,?)时，产生相消干涉，叠加后振

E1?s1cos?t

E2?s2cos(?t??) （1-5）

所以，叠加后的合振动为

E?E1?E2?scos(?t??) （1-6）

其中，s是合振幅，?是合振动的初相位。二者和s1、s2、?关系如下

2s2?s12?s2?2s1s2cos? （1-7）

tan??s2sin? （1-8）

s1?s2cos?根据光强的定义，双光束干涉强度公式为

I?I1?I2?2I1I2cos? （1-9）

其中，I,I1,I2分别为合振动、s1和s2的强度，式中的?号由相位差?确定。当光由光疏媒质射向光密媒质界面上反射时，将有?的相位跃变（通常称为半波损失）。式中的?号正是考虑到界面上反射时的相位跃变情况。

1.2 单层薄膜的特性计算

实际上，光束照射到平面薄膜上时，光束将在薄膜上、下两界面多次反射，因而产生一组反射光束s1,s2,s3,?和一组透射光束s1',s2',s3',?，如图3-2所示。

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入射光束 s1 s2 s3 s4 s5 s6 r1 t1' n0 t1 r2 r1' d1 界面1

n1 界面2

t2 n2 s1' s2' s3' s4' s5'

图1-2 多光束干涉

当薄膜表面的反射系数不高时，通常只考虑前两束反射光s1和s2的作用，忽略反射两次以上的微弱光强的反射光束作用，也就是把多光束干涉作为双光束干涉来处理。但是如果薄膜表面的反射率较高时，如此处理时不严格的，必须考虑一组反射光s1,s2,s3,?或透射光s1',s2',s3',?之间的多光束干涉。

对于多光束干涉光强的计算方法和双光束干涉完全相同，也是先将振动叠加，再计算强度，差别在于参与干涉的光束由两束增加到多束，采用复振幅叠加较为方便。为此，先计算各反射光束s1,s2,s3,?或透射光束s1',s2',s3',?的振幅和相位。

设在1、2两界面上向入射媒质方向反射的光的振幅反射系数分别为r1,r2，透射光的振幅透射系数为t1'；向基片方向反射光的振幅反射系数分别为r1'，透射光的透射系数分别为

t1,t2。当n1和n2介质没有吸收时，根据斯托克定律，有

r1??r1' （1-10）

r1?t1t1'?1 （1-11）

根据叠加原理，反射光束叠加后的合振幅的反射系数为

2r?r1?t1t1'r2e?i??t1t1'r1'r2e?i2??t1t1'r1'2r2e?i3???

t1t1'r2e?i? ?r1? （1-12） ?i?1?r1'r2e利用式（3-10）和（3-11），（3-12）式可写为

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r1?r2e?i? r? （1-13） ?i?1?r1r2e反射光的强度可用反射率表示，为

R?rr?根据能量守恒原理，所以透射率为

*r1?r2?2r1r2cos?1?r1r2?2r1r2cos?(1?r1)(1?r2)222222 （1-14）

T?1?R?1?r1r2?2r1r2cos?22 （1-15）

由上式可见，当n0?n1?n2时，r1?0,r2?0，所以透射光光强极大所满足的条件应为

??2k?(k?0,1,2,?)；当

n0?n1?n2时，

r1?0,r2?0，所以

??(2k?1)?(k?0,1,2,?)为透射光光强极小的条件。反射光的极大和极小条件恰好与透

射光相反。

1.3 多层膜系的特性计算

一般减反膜可由简单的单层膜或多层膜系构成，前者仅能使某一波长的光反射率为零，而后者则可使某一波段的光反射率为零。对于常见光学器件来说，需要对可见光增透，所以应采用多层膜系结构。对于多层膜系的特性计算方法有递推法、矩阵法和矢量法[15,16]。虽然利用组合导纳的递推法或矩阵法计算膜系的反射率比较严格、准确，但计算太繁杂，用来设计减反膜不是很有效。设计多层膜系最简捷的途径是用矢量法，首先通过试行法设计比较满意的结构，然后用计算机进行数值计算作精确校核，以消除矢量法所固有的近似影响。矢量法有两个假设前提：一是膜层要没有吸收；二是在确定多层膜的特性时，只考虑入射到每个界面的单次反射。

入射光束 s1 s2 s3 s4 n0 d1 d2 界面1 界面2 界面3 界面4

n1 n2 d3 n3 n4

图1-3 多层膜界面上的反射

如图1-3所示，忽略膜层内的多次反射，s1,s2,s3,?分别表示各界面的反射光的振幅，

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每个界面的反射系数都有一个特定的相位滞后，它对应于光从入射表面进至该界面又回到入射表面的过程。反射光的叠加后合成的振幅反射系数应由每一界面的反射系数的矢量合确定。所以，合成的振幅反射系数为[15]

r?r1?r2e?i?1?r3e?i(?1??2)?r4e?i(?1??2??3)?? （1-16）

其中r1,r2?分别为个界面的振幅反射系数，如果膜层没有吸收，则个界面的振幅反射系数为实数

r1?n0?n1n?n3n?n4n?n2,r2?1,r3?2,r4?3,?

n0?n1n1?n2n2?n3n3?n4（1-17）

振幅反射系数可正可负，根据相邻两媒质的有效折射率的相对大小而定。若在所考虑的整个波段内，忽略膜的色散，则对于所有波长，振幅反射系数r1,r2?均相等。

各层薄膜的相位滞后为

?1?4?n1d1cos?1?,?2?4?n2d2cos?2?,?3?4?n3d3cos?3?,?

（1-18）

因而合成振幅反射系数可以用解析法求得，由于两相继矢量间的夹角为?1,?2,?3,?，故而通常采用矢量图解法求解更为方便。

利用矢量法计算的步骤是：首先根据式（1-17）和（1-18）计算各个界面的振幅反射系数和各层膜的相位滞后，把各个矢量按比例画在同一张极坐标图上，然后按三角形法则求合矢量。合矢量的模即为膜系的振幅反射系数，幅角就是反射光的相位变化，能量反射率就是振幅反射系数的平方。

2 光学减反射膜的设计

20世纪30年代发现的减反射膜促进了薄膜光学的早期发展。对于推动技术光学发展来说，在所有的光学薄膜中，减反射膜起着最重要的作用。直至今日，就其产生的总量来说，它仍然超过所有其他类型的薄膜。因此研究减反射膜的设计和制备技术，对于生产实践有着重要的意义。

2.1 减反射膜系设计材料的选择

一般来说，选择膜层材料应主要考虑以下几个方面的特性：膜料的透明光谱区域、透明度、折射率、材料的蒸发方式、机械牢固性、化学稳定性及抗高能辐射等。下面简单介绍常用的二氧化钛、氟化镁、二氧化硅三种薄膜材料的性质。

（1）二氧化钛

二氧化钛（TiO2）薄膜折射率高，在250℃波长为550nm时的折射率为2.3，透明区为0.35～12um，在整个可见和近红外光谱区都是透明的。具有很强的牢固度，呈现压应力，这些优异的性能使得它在光学薄膜中的应用十分诱人。但是TiO2材料在真空中加热失氧现象严重，形成高吸收的亚氧钛薄膜TinO2n-1（n=1,2,…,10）。所以为了获得高纯度的Ti02，我们常采用电子束直接蒸发TiO2，并用离子源辅助的方法，就算在低温甚至室温也可以得到比较高的折射率，通常同时需要充入足够的氧气并保持高真空度。

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（2）二氧化硅

二氧化硅（SiO2）是唯一例外的分解很小的低折射率氧化物材料，当波长为550nm时折射率为1.46，透明区一直延伸到真空紫外（0.18～8um）。它的光吸收很小，膜层牢固且抗磨耐腐蚀，应用极其广泛。SiO2在高温蒸发时与TiO2类似，也可生成低价氧化物SiO 和Si2O3。这种低价氧化物常比高价氧化物易蒸发，所以薄膜中具有复杂的成分。SiO2薄膜的结构精细，呈网络状玻璃态，不但散射吸收小，而且保护能力极强。

2.2 单层减反射膜的设计

当光线从折射率n0的介质射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射．如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R

n?n为

R?(01)2 n0?n1如果不考虑吸收，透射率为T=1－R。例如，折射率为1.52的冕牌玻璃，每个表面的反射约为4.2％左右。折射率较高的火石玻璃，则表面反射更为显著。

为了减少表面反射光，最简单的途径是在玻璃表面上镀一层低折射率的薄膜。

我们来看一下简单的单层增透膜。设膜的厚度为d，当光垂直入射时，薄膜两表面反射光的光程差为 2nd，由于在膜的上、下表面反射时都有相位突变 ，结果没有附加的相位差，两反射光干涉相消时应满足：

2nd?(2k?1)?/2

?d?膜的最小厚度应为（相应于k=0 ）:

4n

由于反射光相消，因而透射光加强。

单层增透膜只能使某个特定波长λ的光尽量减少反射，对于相近波长的其他反射光也有不同程度的减弱，但不是减到最弱，对于一般的照相机和目视光学仪器，常选人眼最敏感的波长λ=550nm作为“控制波长”，镜片在白光下观看此薄膜的反射光，黄绿色光最弱，红光蓝光相对强一些，因此镜面呈篮紫色。

2n?n/n2201此时中心波长处的反射率为 R?()2n0?n1/n2

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对于折射率为1.52的玻璃，镀上单层厚度为99.6nm的MgF2薄膜后，在550nm中心波长的反射率可由4.2%降至1.3%左右，整个可见光区平均反射率为1.5%左右。

单层减反射膜的出现，在历史上市一个重大的进展。直至今日仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在两个主要的缺陷，首先，对大多数应用来说，剩余反射还显得太高；此外，从未镀膜表面反射的光线，在色彩上仍保持中性，而从镀膜表面反射的光线破坏了色的平衡。

基本上有两个途径可以提高单层膜的性能，即或采用变折射率的所谓非均匀膜，亦或者是采用多层减反射膜。

2.3双层减反射膜的设计

对于单层氟化镁来说，冕牌玻璃的折射率是太低了。为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层λ0/4厚的、折射率为n2的薄膜，这时对于波长λ0/4来说，薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为Y=n22/ng的假象基片来等价。显然，当n2>ng时，有Y>ng。也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的λ0/4厚的膜层后，基片的折射率好像从ng提高到n22/ng，然后再镀上λ0/4厚的MgF2膜层就能起到更好的增透效果。 例如，对于折射率为1.52的基片，先淀积一层折射率为1.70的SiO镀层。这时Y=n22/ng =1.90，相当于基片的折射率从1.52提高到1.90。因此MgF2膜刚好满足理想减反射的条件，使波长的反射光减至接近于0。但对于偏离λ0的波长不满足干涉相消的条件，表面反射会显著增加，光谱反射率曲线呈V字形，所以这种λ0/4 -λ0/4双层减反射膜称为V形膜。

此外，厚度为λ0/4 -λ0/2型的双层减反射膜，在中心波长λ0的两侧可望有两个反射率极小值，光谱反射率曲线呈W形，所以也把这种双层减反射膜称作为W形膜。对于中心波长λ0，厚度为λ0/2的膜层是虚设层，对反射率毫无影响，但是影响着其它波长的反射率。适当地选择虚设层的折射率，可以减小中心波长两侧的折射率。

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双层减反射膜性能比单层减反射膜要优越得多。但它并没有克服单层减反射膜的上述两个抓哟缺陷，尤其是对于冕牌玻璃更是如此。

2.4多层减反射膜的设计

正如上面所说的，双层减反射膜的特性比单层膜要优越得多。但是，在许多也能够用例子里，即使是一个理想的多层膜，还是会形成过大的反射率或不适宜的光谱带宽度。因此在这些例子中，都要用三层或者更多层的减反射膜。

例如先在玻璃基片上镀一层折射率为1.62、厚度为λ0/2的Al2O3薄膜，然后再镀上λ0/4的MgF2薄膜，其反射率曲线如下图所示。

再例如在玻璃基片上先镀上一层厚度为λ0/4的CeF3薄膜，再镀上一层厚度为λ0/2的ZnO薄膜，最后再镀上一层厚度为λ0/4的MgF2薄膜，则其在空气中这样的三层膜的反射率曲线为下图所示。

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3 光学薄膜材料及减反射膜的初步制备 3.1光学薄膜的制备方法

光学薄膜一般可通过化学气相沉积和物理气相沉积两种工艺获得。在物理气相沉积方法中，根据膜料汽化方式的不同，又可分为热蒸发、溅射、离子镀技术，但各种方法都存在自身的优缺点。由于溅射法具有膜厚可控性和重复性好；薄膜与基片的附着力强；膜层纯度高；使用不同材料同时溅射可以制备混合膜、化合膜等特殊材料的薄膜等优点，本论文采用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公式研制的JGP-560型超高真空多功能磁控溅射系统，以反应溅射法制备满足光学水晶低通滤波器设计要求的可见光增透、近红外截止的光学薄膜。

3.1.1磁控溅射原理

溅射是一个极为复杂的物理过程，涉及的因素很多。溅射是动量转移过程，所以溅射出的粒子具有反向性。粒子和固体表面相互作用的关系及各种溅射产物，都伴随着离子轰击，或由固体表面溅射出中性原子或分子等多个作用过程。实际进行溅射时，一般是让被加速的正离子轰击阴极靶，故也称此过程为阴极溅射。

溅射镀膜是基于载能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程均是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。辉光放电是在真空度约为0.1～10Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压，而产生一种气体放电的现象。溅射过程就是利用了辉光放电阶段。

磁控溅射中的放电过程是异常阴极辉光放电，放电产生的等离子体为Ar+，尽管也受到磁场同样的洛伦兹力，但由于Ar+靠近阴极，且其质量大，惯性很大，当Ar+跑向靶面时，受磁场的影响很小。因此，大离子基本上是垂直撞击靶面。靶材表面原子由于受高能Ar+轰击而被轰出表面。当溅射的原子到达衬底后，由于粘附力的作用，其中大部分沉积在衬底上形成薄膜。磁控溅射放电基本上克服了二极溅射的低速高温的致命缺点，沉积速率较后者大为提高。同时，它又保持了溅射镀膜的优点，即溅射粒子到达衬底时动能很大，因而粒子在衬底表面的扩散速率相应增大，薄膜生长过程中的阴影效应相应减少。这样，薄膜中的空隙变得更小、更少，薄膜更致密。

3.1.2溅射镀膜设备简介

本论文制备薄膜采用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公式研制的JGP-560型超高真空多功能磁控溅射系统，示意图如图4-1所示。本系统主要包括：真空主溅射室、真空进样室、主溅射室抽真空系统、进样室抽真空系统、真空系统电源控制柜、溅射系统电源控制柜、机械手。可用于溅射生长单层膜、多层膜、介质膜、金属膜、磁性薄膜和半导体薄膜等。

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溅射室 G2 V1 V2 G3 V3 V5 G3 V4 进样室 混 气 室 分子泵T1 分子泵T2 V6 V7 V8 电磁阀DF 机械泵R1 MFC MFC MFC 机械泵R2 氧气 氮气氩气 图3-1 JGP560型超高真空多功能磁控溅射系统

真空主溅射室的真空度可以达到6.0×10-6 Pa，用来溅射和沉积薄膜。主溅射室内部下底盘上有五个磁控靶，靶极设有遮挡板，在计算机控制下，打开或遮挡靶位。磁控靶的直径为60mm，采用竖直向上溅射成膜的结构形式。工作时各靶均用循环水冷却，以确保不至于因溅射时离子的轰击而使其温度过高。主溅射室上部有可旋转的圆形样品大转盘，转盘上均匀分布有6个样品放置位，可放样品最大半径为30mm，其中一个样品位上有加热丝，可将基片最高加热到400℃，并采用温度控制器进行控温操作。样品大转盘的转动是由步进电机驱动，通过计算机可以控制基片旋转到设定靶位。样品位上可加直流负偏压，以提高成膜质量。靶相对于基片位置在40～80mm范围内可调。进样室的真空度可达到4×10-6Pa，其内可用来传输衬底、衬底预处理、存放样品、反溅射等操作。

JGP560型超高真空多功能磁控溅射系统配备了两套抽真空系统，主溅射室和进样室可以各自独立使用也可以同时使用，同时使用时，必须关闭主溅射室和进样室之间的阀门G2，将两室分开。两套抽真空系统都为两级真空系统，一级为机械泵、二级为分子泵，两级之间的开关状态是用电磁阀来控制的。当系统内处于大气状态时，开启机械泵，打开预抽通道V5，将进样室和主溅射室的气压抽至低于20Pa后，关闭预抽通道V5 (这样做的目的就是要保证分子泵两端气压低于20Pa的工作条件)。再开启分子泵，开启机械泵与分子泵之间的电磁阀，开启分子泵与溅射室之间的阀门G1。

磁控溅射系统最大优点即为掺杂，一次可放入多个靶材，靶材可以由多种成分制成，从而做到掺杂。还可以通过计算机控制在不同靶材之间切换生长，从而生长出多层膜而无需拿

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出主溅射室。

3.1.3直流反应溅射制备薄膜流程

溅射法是一种比较成熟的薄膜制备技术，直流反应溅射是在溅射时通入反应气体，使其与靶材发生化学反应，从而得到与靶材完全不同的新物质膜。图4-2给出了直流反应溅射法制备TiO2薄膜的工艺流程。

基片 抽本底真空 溅射 清洗基片 预溅射 冷却 装片 氧氩分压 卸片 抽本底真空 加热 表面检查 图4-2 直流反应溅射法工艺流程图

（1）基片清洗

基片表面平整光滑影响薄膜的反射光性能。所以镀膜前必须对基片进行清洗和烘干以去除基片表面污物和化学物质。 （2）抽本底真空

?4本底真空一般应控制在5?10Pa以上，以尽量减少真空室腔体内残余气体，保证薄膜

的纯洁度。

（3）加热

烘烤的作用是使基片表面出气取水，提高膜-基结合力；消除薄膜应力，提高膜层粒子的聚集度。一般选择在150～200℃之间。

（4）氧氩分压

直流溅射需要满足辉光放电的气压条件，一般选择在0.01～1Pa范围内。当真空度达到要求后，根据试验需要通入氩气和氧气，调解气体的流量和比例。

（5）预溅射

预溅射是通过离子轰击的方法去除靶材表面的氧化膜（由于靶材材料易氧化，在其表面形成的一层氧化薄膜）以及其它非靶材物资。

（6）溅射

溅射时建立在等离子体的条件下，氩气电离后形成正离子高速轰击靶材表面，使钛靶粒子溅射出来并与氧气发生氧化反应生成二氧化钛，达到基片表面形成薄膜。

3.2 TiO2薄膜光学常数的测量和计算

为了研究TiO2薄膜的光学性质，计算其光学常数。我们以光学水晶为衬底，采用金属钛靶进行直流反应溅射镀制TiO2薄膜，制备参数为：本底真空5×10-4Pa，溅射功率为150W，氧气和氩气比为10:20ml/min，衬底温度为室温，工作气压2Pa，靶基距50mm，镀膜时间60分钟。

3.2.1 TiO2薄膜的透射谱

为了研究薄膜的光学透过性，计算其光学常数，我们对光学水晶衬底和制备的TiO2薄膜，利用日本岛津公司的UV-1601紫外可见光谱仪在200～800nm的波长范围内，按1nm的扫描步长进行了透射光谱测量，其透射光谱如图4-3所示。

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图4-3 光学水晶衬底和TiO2薄膜的透射光谱

从透射光谱图4-3可以看出：（1）镀膜后的透射率发生了变化，TiO2薄膜在300～370nm的紫外波段有较强的吸收，透射率较低特别是在200～320nm透射率为零，而在450～760nm的可见光范围内透射率很高，最高可达95%；（2）透射光谱在可见光区有明显的干涉条纹，且干涉条纹的周期不断发生变化。明显的干涉条纹和较大的调制深度表明薄膜具有很好的光

[38]

学质量。

3.2.2 TiO2薄膜的折射率计算

为了计算TiO2薄膜的光学常数，利用透射光谱，采用“包络法”可以计算薄膜的折射率、厚度、吸收系数和消光系数。以光学水晶为衬底的TiO2薄膜的包络图谱，如图4-4所示。

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图4-4 TiO2薄膜的透射谱包络图谱 图4-5 TiO2薄膜的折射率与波长的

关系

[39-41]

采用“包络法”计算薄膜的折射率是基于下面的两个公式：

n?[N?(N2?ns)1/2]1/2 (4-1) n?111 (4-2) N?2ns(?)?sTminTmax2式中，Tmax和Tmin是对应于波长?的最大和最小透过率（如图4-4所示），ns是波长为?时，光学水晶衬底的折射率，计算得到的薄膜的折射率与波长呈现出典型的电子带间跃迁的色散

关系，如图4-5所示。其中实点为计算得到的值，实线为拟合的曲线。由图4-5可以看出，当波长从700nm减小到400nm时，折射率从2.03增加到2.20。 3.2.3 TiO2薄膜的厚度计算

[39-41]

薄膜厚度的计算是基于下面的公式：

22d'?M?1?2 (4-3)

2[n(?1)?2?n(?2)?1]其中，M是两个最大（或最小）透过率之间的峰值（或谷值）的数目，通常取为1，?1和?2是相邻最大（或最小）的峰值（或谷值）对应的波长，n(?1)和n(?2)是相应的折射率。结合透射谱，利用（4-3）式，我们可以得到一系列d'厚度值，取平均得到d'，然后利用双光束干涉公式

[39-41]

：

2nd'?m'? (4-4)

式中m'是对应于最大值的整数或最小值的半整数，利用（4-4）式得到一些列的m'，取m'最近临的整数或半整数，得到修正的m，然后再利用双光束干涉公式（4-4）及m,?和n，计算得到一些列d值，取平均得到TiO2薄膜的平均厚度d。具体计算结果如表4-1所示，最终得到的薄膜的平均厚度为348.6nm。

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表4-1 TiO2薄膜厚度的计算结果

?(nm)

702 492 392 570 433

n

2.04457 2.08281 2.30050 2.06272 2.11136

d'(nm) m'

2.1008 3.0526 4.2331 2.6103 3.5172

m

2 3 4 2.5 3.5

d(nm)

343.348 354.328 340.795 345.417 358.893

d(nm)

360.657 348.6

3.2.4 TiO2薄膜的吸收系数的计算

[39-41]

当薄膜的厚度已知时，还可通过透射谱计算薄膜的吸收系数?，计算公式为：

??ln(1T) (4-5) d图4-6是根据透射谱计算得到的吸收系数与波长的关系，图中薄膜在可见及近红外区域为低吸收区域，这与透射谱中反映的高透过是一致的，在本征吸收边以外，发现了一些对应于杂质吸收的吸收带。这是由于在禁带中，杂质形成了一些分裂的能级，当杂质的含量增加到足够高时，杂质的波函数就会重叠，形成了一个杂质能带，从而在吸收谱上表现了出来。

图4-6 TiO2薄膜的吸收系数与波长的关系 3.2.5 TiO2薄膜的消光系数的计算

[42]

薄膜的消光系数k可以利用前面求得折射率和薄膜厚度从透射光谱中计算得到：

(n?n0)(ns?n)1?(TmaxTmin)12?k?ln[?] (4-5) 124?d(n?n0)(ns?n)1?(TmaxTmin)图4-7所示为计算得到的消光系数与波长?的关系。可见消光系数随着波长的增加而下降，在近红外区有上升趋势。在可见光区消光系数数量级为10，这一非常小的值表明薄膜具有良好的透明性和均匀性。

3.3单层SiO2减反射膜的初步制备

由于SiO2薄膜与石英玻璃衬底的折射率非常接近，都在1.46附近，所以我们尝试在折射率为1.52左右的K9玻璃衬底上采用磁控溅射法制备了单层SiO2薄膜作为减反射膜，按

17

?3

照单层减反射膜的设计理论，单层SiO2的厚度在94nm左右。主要研究沉积SiO2薄膜时工作气压和衬底温度这两个工艺参数对增加可见光透过率的影响。 3.3.1 SiO2沉积气压对增透效果的影响

上图是k9玻璃衬底和在不同气压下沉积了SiO2单层减反射膜的k9玻璃在300-800nm范围内测量的透过率曲线。从上图可见，在k9玻璃衬底上沉积单层SiO2能够增大可见光范围的透过率，但是增加的幅度并不大，这主要是因为SiO2的参考折射率1.45虽然小于衬底K9玻璃的折射率1.52，但还远大于单层减反射膜的理想折射率1.23，所以增透效果有限。同时可以看出，在1Pa气压下沉积的SiO2单层减反射膜增透效果较好，在550nm处可见光的透过率可以从未镀膜状态时的91.5%提高到92.8%，如果玻璃正反两面都镀膜的话将可以达到94%左右。

3.3.2 SiO2沉积温度对增透效果的影响（自己写几句话）

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沉积温度对SiO2单层减反射膜增透效果影响较小。 结论

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参考文献

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程，2008,25(3):298-300

[2] 郑臻荣，顾培夫，陈海星等。超宽带减反射膜的设计和制备。光学学报，

2009,29(7):2026-2029

[3] 潘静，王永强，胡晓云等。sol-gel法制备纳米TiO2-SiO2 宽带高增透膜。电子元件与材

料，2009,28(9):1-4

[4] 张家斌，付秀华，贺才美等。可见与近红外增透膜的设计和制备。激光与红外，

2009,39(5):528-530

[5] 杭凌侠，田刚，潘永强等。玻璃基底上双波段增透膜的设计与制备。西安工业大学学报，

2009,29(1):1-4

[6] Jeong S.H., Kim J.K., Kim B.S. et al.. Characterization of SiO2 and TiO2 ?lmsprepared using rf magnetron sputtering and their application to anti-re?ection coating. Vacuum 2004,76:507–515

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[8] Lien S.Y., Wuu D.S., Yeh W.C., et al.. Tri-layer antire?ection coatings (SiO2/SiO2–TiO2/TiO2) for silicon solar cells using a sol–gel technique. Solar Energy Materials & Solar Cells , 2006,90:2710–2719

致 谢

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从这篇论文的选题、定题、收集与阅读文献资料，到制定实验计划，以及后来的开展实验研究，并翻译相关文献，拟写开题报告还有后来的实验及分析测试工作，和整理实验数据及至最后的论文撰写、修改及定稿，在这一系列的过程中都倾注了指导老师和笔者的心血。虽然由于笔者的水平有限，最终还是没有达到王老师对该论文的高标准和高要求，但这篇论文也是笔者大学四年以来付出最多努力的一篇论文，所以对于笔者来说，也是一件意义非同一般的事情。在此要十分感谢笔者的指导老师王老师，还有很多同学无私的帮助，如果没有他们的大力支持和鼓励，也不会有笔者今天这篇论文的产生。

在此，笔者要十分感谢王老师这近一年来的热心帮助和谆谆教导。笔者知道这篇论文的产生是付出了多少心血的。光选题方面就花了一两个月的时间，有的选题在做了前期的大量工作之后，最终在王老师的论证下还是否定了。最后经过层层论证，最终选择了该题。在后期的开展实验研究以及撰写论文的过程中，王老师也总是在百忙之中抽出宝贵的时间给予帮助和指导。最令笔者感动的是，王老师平易近人的态度，从未因为笔者研究能力的不足和理论知识的缺陷而不予指导，反而是给予笔者更加耐心的指导和帮助。

同时，笔者还要感谢为笔者授课的所有材料化工学院的老师们，感谢所有老师大学四年以来的教导。虽然我不是您的好学生，甚至让您头疼，但你们的教导我会谨记于心。

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从这篇论文的选题、定题、收集与阅读文献资料，到制定实验计划，以及后来的开展实验研究，并翻译相关文献，拟写开题报告还有后来的实验及分析测试工作，和整理实验数据及至最后的论文撰写、修改及定稿，在这一系列的过程中都倾注了指导老师和笔者的心血。虽然由于笔者的水平有限，最终还是没有达到王老师对该论文的高标准和高要求，但这篇论文也是笔者大学四年以来付出最多努力的一篇论文，所以对于笔者来说，也是一件意义非同一般的事情。在此要十分感谢笔者的指导老师王老师，还有很多同学无私的帮助，如果没有他们的大力支持和鼓励，也不会有笔者今天这篇论文的产生。

在此，笔者要十分感谢王老师这近一年来的热心帮助和谆谆教导。笔者知道这篇论文的产生是付出了多少心血的。光选题方面就花了一两个月的时间，有的选题在做了前期的大量工作之后，最终在王老师的论证下还是否定了。最后经过层层论证，最终选择了该题。在后期的开展实验研究以及撰写论文的过程中，王老师也总是在百忙之中抽出宝贵的时间给予帮助和指导。最令笔者感动的是，王老师平易近人的态度，从未因为笔者研究能力的不足和理论知识的缺陷而不予指导，反而是给予笔者更加耐心的指导和帮助。

同时，笔者还要感谢为笔者授课的所有材料化工学院的老师们，感谢所有老师大学四年以来的教导。虽然我不是您的好学生，甚至让您头疼，但你们的教导我会谨记于心。

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