等離子體輝光發射反饋監控技術在光學薄膜中的應用

郭杏元，羅志鵬，戰永剛

（深圳市三海科技有限公司，廣東 深圳518112）

在氧氣氛下濺射純硅制備氧化硅薄膜，當氧氣流量很小時，靶濺射過程與純氬濺射類似，濺射速率與純金屬相當，此時稱為金屬態。當氧氣流量增大到一定程度，靶材表面基本氧化完全，濺射速率較慢，此時稱為過氧態。在金屬態與過氧態之間的狀態稱為過渡態，此時濺射速率比較大。過渡區的寬度跟材料的種類以及設備的抽速有關。要保證光學薄膜沒有吸收，同時又有較高的沉積速率，需要選擇一個合適的控制點，并能一直保持在此狀態。通過“等離子體輝光發射監控技術（plasma emission monitor，簡稱PEM）實現這一目的，以提高光學薄膜的生產效率是本文的重點。

PEM系統是在反應濺射過程中，通過實時采集磁控濺射靶前等離子體區輝光發射光譜（optical emission spectroscopy，簡稱OES）的強度，實時了解靶材情況，通過中央控制系統，配合高速響應的流量計，實時調節氣體的輸入量，以實現高速閉環反饋控制，將反應濺射穩定在預先設定的狀態，達到高速沉積或穩定薄膜品質的目的。PEM反饋控制系統已廣泛應用于大面積氧化銦錫（ITO）透明導電薄膜的生產線中[1-2]。此外，PEM也用來制備氧化鈦[3]、氧化鈮、氮氧化硅、氮鋁鈦、碳化鎢等薄膜。本文擬采用三海科技自主研發的寬光譜等離子體輝光發射監控系統制備光學減反射膜（ARC），測試其對成膜速率提升的貢獻以及對光學性能的影響，并評估其生產穩定性。

1 實驗

真空腔體直徑1 680 mm，靶材長度1 310 mm.系統配置1對圓柱硅靶（99.95%），一對圓柱鈮靶（99.95%），一臺中頻電源。PEM系統包含信號采集探頭、光纖、法蘭、光譜儀、控制器、快速響應流量計等。其中信號采集探頭平行于靶材某一磁力線的切線安裝，正對靶材輝光區，距靶平面1 cm左右。光譜儀采用杭州晶飛科技有限公司生產的FLA4 000+光譜儀，采集波長200～1 000 nm.快速流量計為響應時間小于1 s的氧氣流量計。控制系統及計算方法由三海自主研發。為了保證反饋控制的靈敏度，需要將反應氣體流量計安裝在離靶材盡量近的位置，不通過混氣罐混氣。該系統主要用來反饋控制光學薄膜中的高折射率材料氧化鈮薄膜的制備。信號源為OES中氧777 nm處的峰強，簡稱Eo777.低折射率材料氧化硅薄膜采用電壓反饋控制模式。

1）氧化鈮薄膜的制備

制備氧化鈮薄膜之前，先采集Eo777隨氧氣流量變化鈮靶的滯回曲線。然后在滯回曲線上選擇不同的控制點，制備氧化鈮薄膜，測試其可見光透過率曲線，采用包絡線法計算折射率及吸收系數[9，10]，通過光學軟件模擬得到實際薄膜膜厚，計算沉積速率。找出沉積速率較快而又能保障沒有吸收的控制點進行重復，考察其穩定性，具體工藝參數見表1.

表1 采用PEM反饋控制中頻反應濺射制備氧化鈮薄膜的工藝參數

2）氧化硅薄膜的制備

制備氧化硅薄膜之前，采用靶電壓反饋控制系統獲取硅靶的滯回曲線。然后在滯回曲線上選擇不同的控制點，制備氧化硅薄膜，測試其可見光透過率曲線，采用麥克勞德光學薄膜設計軟件計算折射率及吸收系數，通過軟件模擬得到實際薄膜膜厚，計算沉積速率。找出沉積速率較快而又能保障沒有吸收的控制點進行重復，考察其穩定性，具體工藝參數見表2.

表2 采用電壓反饋控制中頻反應濺射制備氧化硅薄膜的工藝參數

3）減反射薄膜的制備

采用麥克勞德光學薄膜設計軟件設計一款ARC膜系，采用上述確定的氧化鈮、氧化硅反饋控制點制備ARC薄膜，測試其可見光反射率、透過率曲線。具體的氧化硅、氧化鈮ARC膜系及工藝參數如表3所示。

表3 氧化硅、氧化鈮ARC膜系及工藝參數

2 結果與討論

2.1 PEM控制制備氧化鈮薄膜

反應磁控濺射制備氧化鈮薄膜的氧輝光滯回曲線。當氧氣流量從0增加至60 sccm時，氧輝光Eo777強度緩慢增大；隨著氧氣流量進一步增大到120 sccm，氧輝光Eo777強度迅速增大；進一步增大氧氣流量，氧輝光Eo777強度增速變緩。減少氧氣流量，氧輝光Eo777強度也隨著減少，但開始的時候減少比較緩慢，直到氧氣流量減少到60 sccm左右，氧輝光Eo777強度才開始迅速降低。這主要是因為隨著氧氣流量增加，靶材表面氧化程度逐漸加劇，即使減少氧氣，也需要再濺射一段時間才能回到金屬的狀態。單腔體真空設備需要反復充、放氣，靶材初始狀態為氧化態，逐漸減少氧氣含量，60 sccm氧氣流量附近是輝光變化的一個拐點，因此本文著重研究了拐點上方以及拐點下方不同控制點對氧化鈮薄膜光學性能及沉積速率的影響。

如表1所示，本文選擇了拐點附近三個不同的控制點，35%、37%、42%，同時也制備了純金屬鈮薄膜和過氧態氧化鈮薄膜作為對比，其PEM輝光控制點分別為12%和85%。當Eo777在12%左右，此時為金屬態沉積，其動態沉積速率為15.8 nm/min；若將Eo777設定在85%左右，此時為過氧態，其動態沉積速率僅為1.3 nm/min.隨著Eo777設定值的增大，靶材從金屬態向過渡態、過氧態轉化，動態沉積速率呈下降趨勢，且呈現兩個不同的下降速率。當Eo777設定值為35%，動態沉積速率為3.3nm/min，當Eo777設定值為37%，動態沉積速率為3.1 nm/min，當Eo777設定值為42%，動態沉積速率為2.63 nm/min，約為過氧態沉積速率的2倍。

顯示了在不同Eo777設定值下制備的600 nm左右氧化鈮薄膜的可見光透過率曲線。由圖可知，與K9玻璃基底對比，所有曲線在短波段均有一定吸收。Eo777設定值為40%時制備的氧化鈮薄膜可見光透過率與過氧態制備的相同厚度的氧化鈮透過率相當，略高一點；而Eo777設定值為37%時制備的氧化鈮薄膜可見光透過率較過氧態制備的相同厚度的氧化鈮透過率小一些，特別是在短波波段，415 nm處，透過率降低2%左右。采用包絡線算法得出37%Eo777氧化鈮的吸收系數較40%Eo777大。因此建議采用40%的設定值作為氧化鈮薄膜反饋控制的設定點。另外，值得一提的是，一個光學波長厚度的氧化鈮吸收會較600 nm氧化鈮小一些。

將Eo777設定為40%重復做了5爐驗證，測試其沉積速率，并與過氧態氧化鈮薄膜的動態沉積速率進行了對比，結果表40%（Eo777）設定值的沉積速率較過氧態高1倍，且重復性較好。

2.2 電壓反饋控制制備氧化硅薄膜

與氧化鈮的氧輝光滯回曲線不同，它的金屬態范圍較寬，且靶電壓基本恒定不變，在700 V左右。當氧氣流量增大到某一臨界值90 sccm，靶電壓迅速下降，繼續增加氧氣至150 sccm，基本進入過氧態，靶電壓下降到430 V左右。此時再減少氧氣流量，靶電壓還會維持430 V左右較長的時間，直至氧氣流量降低到某一臨界值60 sccm，靶電壓開始快速上升，然后回到金屬態。電壓反饋控制一般選擇在滯回曲線減氧過程中臨界狀態，這樣既可以保證氧化硅薄膜氧化充分，又可以盡量提高沉積速率。

不同硅靶電壓設定值的動態沉積速率，設定值越高，越接近金屬態，沉積速率越高。金屬態的沉積速率約為過氧態沉積速率的8倍左右。過渡態沉積速率約為過氧態沉積速率的2-3倍。硅靶電壓設定值為28%、29%、30%的動態沉積速率分別為3.0 nm/min、3.33 nm/min、3.66 nm/min.但由圖1不同硅靶電壓設定值29%、30%制備500 nm左右氧化硅薄膜的可見光透過率曲線可知，靶電壓29%設定值與過氧態制備的氧化硅薄膜透過率在各波段基本相當，與K9玻璃基底對比基本無吸收。但30%設定點制備的氧化硅薄膜透過率在各波段均下降，表明薄膜有一定的吸收。因此采用靶電壓反饋控制制備氧化硅薄膜的設定值控制在29%.

圖1 不同靶電壓設定值制備500 nm的氧化硅薄膜可見光透過率曲線

2.3 反饋控制制備氧化鈮、氧化硅AR膜

圖5顯示了設計的AR膜系的實測可見光透過率曲線，第一爐AR1的400～700 nm波段平均透過率為95.05%，第二爐AR2的400～700 nm波段平均透過率為95.11%.與設計曲線平均透過率95.12相當，說明2爐的重復性很好，且膜厚及折射率可控。圖3是相應AR膜系的可見光反射率曲線。綜合圖2與圖3可知，AR膜的吸收非常小，重復性、穩定性滿足要求。4層膜系中第一層氧化鈮采用42%的設定值，第三層氧化鈮則采用了40%的設定值；同理第二層氧化硅采用了28%的設定值，第四層氧化硅則采用了29%的設定值。這主要是因為磁控濺射設備是單腔體設備，每次開腔門均會暴露大氣，靶材每次的狀態都可能不一樣，為了降低風險，所以在濺射開始的時候均會稍多充一點氧氣。從鍍膜速率上看，傳統的過氧態成膜，一爐AR鍍膜時間約為2.3 h，使用反饋控制后，一爐AR鍍膜時間約為1 h，效率提高1倍左右。

圖2 5爐靶電壓反饋控制與過氧態氧化硅薄膜沉積速率對比

圖32 爐PEM反饋控制加靶電壓反饋控制制備的ARC可見光反射率曲線

3 結束語

為了提高光學薄膜的沉積速率即提高生產效率，在中頻反應濺射系統中增加等離子體輝光發射反饋監控系統以及靶電壓反饋監控系統，控制整個成膜狀態穩定在過渡態。采用PEM反饋控制中頻反應濺射制備氧化鈮薄膜，777 nm處氧輝光強度設備值為40%時，沉積速率較傳統的過氧態提高1-2倍；采用靶電壓反饋控制中頻反應濺射制備氧化硅薄膜，靶電壓設定值為29%時，其沉積速率是過氧態的2～3倍.可見光透過率曲線顯示沒有明顯增加吸收。按照此設定值制備4層AR膜，單爐鍍膜時間由原來的2.3 h（過氧態鍍膜）縮減到1 h，產能提高1倍以上。除了上述過渡態成膜可以有效提高沉積速率之外，增加靶功率也能有效提高沉積速率，大功率過渡態成膜的穩定性目前三海科技也在研究當中。