1、毕业设计文献综述通信工程用于光子芯片的GESBSE光学薄膜的制备与性能表征摘要随着科技时代的到来，光学薄膜技术已经成为一项不可或缺的技术，本文介绍了光学薄膜的发展历史，光学薄膜技术在国内外的发展近况和研究方向，并且简单介绍了光学薄膜的制备方法以及各种不同的制备方法之间的差异。关键词光学薄膜；磁控溅射；热蒸发；光器件1、引言长久以来，光学薄膜技术一直是光学领域中不可忽略的重要基础技术，目前随着现代科学技术水平的飞速发展，光学薄膜技术得到了越来越广泛的应用。小到日常生活中的各种生活用品，大到太空中的各种人造卫星乃至于现代光通信，其中都有起到中要作用的光学薄膜元件。例如我们平常生活中戴的眼镜的镜片、
2、数码相机、钞票显示器上的防伪技术、平板显示、光通信中的窄带滤波片、高精密仪器中的各种薄膜元件等。在光学薄膜技术得到广泛应用的同时，也导致了我们对光学薄膜的光学性能以及制备工艺的要求越来越高。现如今，绝大多数的从事于光学薄膜技术研究领域的单位都在致力于如何在实际生产中得到较高的薄膜质量和较好的成品率。2、研究的背景和意义随着科学技术的飞速发展的同时，也推动了光学薄膜技术水平的不断提高，现如今，光学薄膜已经广泛应用于各种科学技术领域，例如天文技术、宇航技术、红外物理学、光学仪器、以及激光技术等等。追溯光学薄膜的历史，最早的时候罗伯特波义尔（ROBERTBOYLE）和罗伯特胡克（ROBERTHOOK
3、E）各自独立发现的所谓“牛顿环”现象，可以算是现代薄膜光学的萌芽，在今天这种现象对于我们来说，其仅仅是由于在厚度变化的单层膜中光的干涉现象引起的，然而在那一时代，由于科学水平的落后，这一现象无法被人们所理解，直到1801年11月12日，托马斯杨（THOMASYOUNG）对英国皇家协会发表了著名的贝克莱演说时，阐述了光的干涉现象以及原理，并对这一现象做了第一个完整的解释。奥古斯廷琼菲涅耳（AUGUSTINJEANFRESNEL）更进一步的发扬传播了托马斯杨所主张的光的波动理论，特别是用在衍射领域内。在1832年，菲涅尔提出了反射定律与折射定律，也就是“菲涅尔定律”，该定律是研究薄膜系统内的干涉的
4、基础。薄膜光学的真正起步时间应该算于从1817年夫琅和费（FRAUNHOER）用酸蚀法在世界上制备的第一批减反射膜，同时在十九世纪，光的干涉量度学有掺ER3铋酸盐玻璃表面等离子共振荧光增强的机理研究了极大的进展，从薄膜角度上来看，最具有代表性意义的就是在1899年法布里泊罗（FABRYPEROT）干涉仪的出现，它已经成为薄膜滤光片的一种基本的结构形式。但是，直到十九世纪末，人们还没有实际意义上解决制备各种薄膜的工艺技术，因此二十世纪以前可以是薄膜光学的早起发展阶段。1930年扩散汞的发明，才使光学薄膜的制备进入了工业化的发展阶段。在上述理论和实践的推动下，从二十世纪四十年代开始，薄膜光学进入了
5、全面发展阶段。进入九十年代以后，随着显示技术和光通信技术的飞速发展和逐渐的产业化，对于光学薄膜的发展起到了很大的促进和推动作用。现今，光学薄膜是各种现代光学仪器和光学器件的重要组成部分，他通过在光学材料的表面镀制一层或多层薄膜，利用光的干涉现象来改变透射光或者反射光的光强、偏振装备以及相位变化。光学薄膜可以镀制在光学塑料、光纤、晶体等各种光学材料的表面上，当然最主要光学材料的还是光学玻璃；光学薄膜的厚度可以从几纳米到上百微米。光学薄膜的牢固性、光学稳定性都相当好，制备成本低，体积和质量几乎可以忽略不计，因此光学薄膜是改变系统光学参数的首选材料，甚至可以毫不夸张的说没有光学薄膜，就没有现代光学仪
6、器和光学器件。无论是从历史还是从现状来看，光学薄膜技术都是推动科学技术产业发展的不可或缺的关键技术，因此对光学薄膜的设计、制备工艺、性能检测等各方面的要求都提出了新的挑战。3、国内外研究现状近几年来，在如今科技水平高速公路的构想下，光学薄膜制备技术得到了更大的发展空间，传统的薄膜自动设计中的可寻优变量、优化算法、评价函数等也都被赋予了新的概念。俄罗斯的科学家TIKHONRAVOV提出了NEEDLE薄膜设计方法，该方法的最大特点在于在优化薄膜的厚度与折射率的同时，又可优化薄膜的层数，是光学薄膜自动设计中的可寻优变量从两个增加到三个，也增大了光学薄膜优化设计寻优的维数，使得我们所设计的薄膜能在多维
7、参数空间中获得更加理想的性能参数。加拿大的DOBROWOLSKI提出了多级优化设计光学薄膜的方法，该方法的基本原理是将多种优化方法组合、交叉使用，以至于使得我们所制备的薄膜得到更好的薄膜质量。目前，国际上对于光学薄膜技术领域研究和生产的单位超过了五千家，光学薄膜技术已经延伸到了几乎所有的现代光电子器件研究的核心领域，这其中包括了结构生长、制备工艺技术、器件制备、性能检测、装备等庞大的研究领域，同时支撑了具有万亿美元国际市场的光电产业的发展。然而，对于光学薄膜技术的研究，在国内起步相对较晚，我国在朝向工业化集成化发展的过程中由于基本实验数据的缺乏和国外对我国的技术封锁以及其他各方面的原因，发展较
8、为迟缓，相比较于其他一些发达国家而言，技术相对落后。现如今国内对于薄膜的研究还主要集中于功能性复合材料薄膜，这其中，高功率激光膜，类金刚石及金刚石膜，软X射线多层膜，太阳能选择性吸收膜和光无源器件薄膜等多种功能性薄膜正在逐步成为国内研究的主要方向。特别是光无源研究器件功能性薄膜的研究，其相关掺ER3铋酸盐玻璃表面等离子共振荧光增强的机理研究产业已经成为衡量一个国家光通信水平的重要指标。4、光学薄膜的制备光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD）和化学液相沉积（CLD）两种工艺来获取。化学液相沉积法所使用的设备一般较为简单，价格也相对比较便宜，制造成本低，但是利用化学方法制备的薄膜膜层厚度不能精确控
9、制，膜层强度差，较难获得多层膜，而且在化学反应时还存在废水废气造成污染的问题，同时由于该方法所得到的薄膜材料是通过各种化学反应实现的，因此对于反应物和生成物的选择具有一定的局限性，而且一般情况下化学反应所需要的温度较高，基片所处的环境温度同样很高，这样也同时限制了基片材料的选择。而物理汽相沉积法则显示出了独有的优越性，它对基片材料以及沉积材料的选择均都没有局限性，虽然该方法需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好，目前已经被广泛采用。物理汽相沉积法由三个基本方法，即真空蒸镀、离子镀和溅射法组成，由这些基本方法又派生出了各种改进的方法。在本次实验中，由于受到实验室仪器的
10、限制，将采用真空蒸镀中的电阻加热蒸镀法和溅射中的磁控溅射法来制备光学薄膜。利用电阻加热器加热蒸发（热蒸发法）的镀膜机的构造简单、造价便宜、使用可靠，可用于熔点不太高的材料，特别使用于对膜层质量要求不太高的大批量生产。然而，热蒸发法镀制的光学薄膜膜层与初始玻璃的组分差异较大，其主要原因在于玻璃材料液相往汽相转变时可能出现多种不同于固态玻璃组分的结构体，这些结构体中，蒸气压高的结构体可能优先沉积，同时，电阻加热所能打到的最高温度有限，加热器的寿命相对较短。而磁控溅射法镀制的光学薄膜膜层具有极其优良的性能，薄膜与基片附着性好、致密度高，同时磁控溅射装置性能稳定，便于操作，工艺简单，生产重复性好，便于
11、大批量生产，因此在生产部门中得到广泛的应用。磁控溅射法是一种高温低速的溅射方法，它对阴极溅射中电子使基片温度升高过快的致命缺点加以改进，在被溅射的靶材（阳极）与阴极之间加上一个正交的磁场和电场，其中电场和磁场的方向相互垂直。在镀膜室内抽真空气压到达一定压强时，充入一定量的氩气，在阴极和阳极之间施加适当的电压，便在镀膜室内长生磁控型异常辉光放电，氩气被电离。在正交的磁场和电场作用下，电子以轮摆线的形式沿着靶表面前进，电子运动被束缚在一定的空间内，显著的延长了电子的运动路程，增加了同工作气体分子的碰撞几率，减少了电子在容器壁上的复合损耗，从而大大的提高了电子的电离效率。电子经过多次碰撞后，丧失了能
12、量成为“最终电子”进入离阴极靶面较远的弱电场区，最终到达阳极时能量消耗殆尽成为低能电子，也就无法再使基片过热，因此基片温度可大大的降低。同时高密度等离子体被磁场束缚在靶面附近，又不与基片接触，如此所长生的正离子可以十分有效的轰击靶材表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基片表面上形成薄膜，而基片又可免受等离子体的轰击，因而基片温度又可降低。此外，由于镀膜室内工作气压降低，减少了对溅射出来的原子的碰撞，从而提高了沉积率，使得沉积效率可以和热蒸发相媲美，溅射电压脚底，但靶材电掺ER3铋酸盐玻璃表面等离子共振荧光增强的机理研究流密度高。如此，磁控溅射便十分有效的解决了阴极溅射中基片温度升高和溅射速率地的
13、两个关键难题，使得该方法一问世便获得迅猛的发展和广泛的应用。5、参考文献1赖发春，翟燕，盖容权反应磁控溅射制备五氧化二铌光学薄膜J福建师范大学学报,2004,20447492司磊，王玉霞，刘国军光学薄膜制备技术J长春理工大学学报,2004,27238403麻蒔立男薄膜制备技术基础M化学工业出版社，200934卢进军，刘卫国光学薄膜技术M西北工业大学出版社，2005105王力衡，黄运添，郑海涛薄膜技术M清华大学出版社，1991106刘金声离子束沉积薄膜技术及应用M国防工业出版社，200317林永昌，卢维强光学薄膜原理M国防工业出版社，19908顾培夫薄膜技术M浙江大学出版社，19909唐晋发，顾
14、培夫薄膜光学与技术M机械工业出版社，198910王鹤，杨宏纳米TIOX光学薄膜的制备及性能分析J应用光学，2001,22（5）434511DONGHOKIMA,EUNGSUNBYONA,GUNHWANLEEA,SUNGLAECHOEFFECTOFDEPOSITIONTEMPERATUREONTHESTRUCTURALANDTHERMOELECTRICPROPERTIESOFBISMUTHTELLURIDETHINFILMSGROWNBYCOSPUTTERINGJTHINSOLIDFILMS,2006,51014815312FUYONGZHONGINFLUENCEOFSPUTTERINGPARA
15、METERSONMICROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFGESBTEFILMSJTRANSNONFERROUSMETSOCCHINA,2008,1816717013SHSHSARSEMBINOV,OYUPRIKHODKO,APRYAGUZOV,SYAMAKSIMOVA,VZHUSHANOVATOMICSTRUCTUREANDSHORTANDMEDIUMRANGEORDERPARAMETERSINAMORPHOUSCHALCOGENIDEFILMSPREPAREDBYDIFFERENTMETHODSJJOURNALOFPHYSICSANDCHEMISTRYOFSOLIDS,2007,3532057206114JGUTWIRTH,TWAGNER,EKOTULANOVA,PBEZDICKA,VPERINA,MHRDLICKA,MILVLCEK,CDRASAR,MFRUMARONRFMAGNETRONSPUTTERINGPREPARATIONOFAGSBSTHINFILMSJJOURNALOFPHYSICSANDCHEMISTRYOFSOLIDS,2007,68835840
