研究了不同通氧量對(duì)電子束蒸發(fā)沉積二氧化鈦薄膜的光學(xué)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(xué)性能的二氧化鈦薄膜。采用分光光度計(jì)測(cè)試其光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(shù)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(zhì)量最優(yōu)，透射率為92%，折射率在2.50～2.20 之間，消光系數(shù)在10^-4以下。根據(jù)Cauchy 方程擬合其色散規(guī)律，擬合曲線和采用包絡(luò)法計(jì)算得到的曲線較好重合，折射率隨波長(zhǎng)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(xué)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(yōu)良特性，其化學(xué)穩(wěn)定性也非常好，在整個(gè)可見(jiàn)區(qū)和近紅外區(qū)都透明。

　　隨著光學(xué)薄膜厚度控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)膜系技術(shù)的發(fā)展，非λ/4膜系已非常廣泛。鍍制非λ/4膜系的基礎(chǔ)條件就是需要薄膜材料的折射率穩(wěn)定，這樣才能保證通過(guò)控制工藝達(dá)到非λ/4膜系計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)要求。TiO2膜折射率的穩(wěn)定性與所用的蒸發(fā)材料，制備工藝及相關(guān)參數(shù)有密切的關(guān)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(guò)程中蒸發(fā)材料的結(jié)構(gòu)、成分、工藝參數(shù)穩(wěn)定。

　　TiO2薄膜可以用多種沉積技術(shù)來(lái)制備，主要包括溶膠-凝膠法、磁控濺射技術(shù)、反應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)和離子束輔助沉積技術(shù)等，用不同的方法制備的TiO2薄膜具有不同的光學(xué)性能。由于TiO2材料在真空中加熱蒸發(fā)時(shí)會(huì)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(shù)也有很大的不同，所以研究TiO2薄膜的成膜工藝對(duì)其光學(xué)性能的影響，對(duì)進(jìn)一步提高TiO2薄膜的應(yīng)用非常重要。

　　文章研究了離子束輔助電子束蒸發(fā)鍍制TiO2薄膜的通氧量對(duì)薄膜性能的影響，獲得最優(yōu)的鍍制工藝以及最好的薄膜光學(xué)特性。

　　1、樣品鍍制

　　電子束蒸發(fā)鍍制TiO2薄膜，采用圖1所示的離子束輔助電子束蒸發(fā)的INTEGRITY-39全自動(dòng)光學(xué)鍍膜系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備兩個(gè)電子槍，膜厚和沉積速率采用Leybold Inficon IC/5石英晶體監(jiān)控系統(tǒng)，基片架在真空室的頂部，距離蒸發(fā)源垂直距離85 cm，采用行星自轉(zhuǎn)的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)行輔助沉積，沉積時(shí)真空室充入純度為99.99%的O2作為反應(yīng)氣體，同時(shí)使用1179A型MKS質(zhì)量流量計(jì)控制反應(yīng)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(fā)全自動(dòng)光學(xué)鍍膜系統(tǒng)示意圖

　　鍍膜前基底先用玻璃液清洗，去離子水漂洗，氮?dú)獯蹈桑�然后用純度�?9.9%的丙酮、無(wú)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(shí)用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵將真空度抽至6.5×10^-4 Pa時(shí)，設(shè)定自動(dòng)鍍制程序。當(dāng)基底被加熱到沉積溫度150 ℃時(shí)，離子源開始轟擊基底，能量控制在60～90 eV，時(shí)間10 min。然后自動(dòng)啟動(dòng)電子槍加熱蒸發(fā)膜料，沉積薄膜，沉積速率0.38～0.42 nm/s，薄膜沉積到設(shè)計(jì)厚度440 nm時(shí)，程序自動(dòng)關(guān)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(cè)試范圍為175～3 300 nm)分光光度計(jì)進(jìn)行樣品TiO2的光譜測(cè)試，采用Macleod軟件包絡(luò)法計(jì)算TiO2薄膜的實(shí)際厚度，消光系數(shù)和折射率。對(duì)真空室通入不同流量的高純氧氣，研究不同的真空度對(duì)TiO2的成膜質(zhì)量、折射率、吸收系數(shù)的影響。

　　在較高的真空度下用離子源輔助蒸發(fā)沉積TiO2薄膜時(shí)，真空度隨通氧量的變化如表1所列。隨著充入真空室內(nèi)的氧分子被電離成氧離子充分與Ti2O3蒸氣分子反應(yīng)，使得Ti2O3分解所失的氧得到補(bǔ)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(yīng)不充分，則會(huì)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(fā)上升過(guò)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(dòng)能減小，影響沉積薄膜的附著力和致密性。對(duì)于光學(xué)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(dòng)能，不僅對(duì)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(shí)薄膜在基底上的附著力也有明顯好轉(zhuǎn)。

表1 不同O2流量下對(duì)應(yīng)的真空度

　　3、結(jié)論

　　通氧量對(duì)TiO2薄膜的光學(xué)性能有著重要的影響。通過(guò)控制氧氣流量的方法調(diào)節(jié)真空室內(nèi)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(shù)隨真空度降低先升高后降低;當(dāng)真空度為2.0×10^-3 Pa時(shí)，制備的TiO2薄膜在可見(jiàn)光譜區(qū)透射率高，最大透射率92%，折射率在2.50～2.20之間，消光系數(shù)在10^-4以下。擬合曲線和采用包絡(luò)法計(jì)算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)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。