關于光學薄膜制備的常用方法

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濺射法

濺射是在電場的作用下，粒子經加速后快速轟擊膜料靶材，促使膜料濺射出來的現象。濺射方法大體可分為直流、射頻、磁控、反應濺射。

（1）直流濺射

直流濺射設備較為簡單，但是它的最大缺點是工作環境要求的氣壓較高，濺射速率較低，從而制備的薄膜純度較低，同時濺射效率也不夠高。

（2）射頻濺射

射頻濺射中的電源裝置由直流變為交流。該方法適用于固體材料，常用于制備合金膜、磁性膜等。其特點是沉積速率快，成膜純度高，致密性好。

（3）磁控濺射

磁控濺射技術是在真空中，經電場作用，將氬氣電離成Ar+正離子，Ar+經加速后撞擊靶材膜料，從而濺射到襯底上，制成薄膜。濺射法初期常用來制備絕緣體、金屬等材料，具有成膜面積大，粘著力強等優點，而在1970年代發展起來的磁控濺射技術，更是實現了高速率，低溫度、能夠工業化批量生產等優點。直流、射頻方法有兩個缺點：①濺射沉積速率慢；②濺射條件需要較高壓強。這兩個缺點的存在，都有可能導致成膜過程中薄膜受到污染。因此，磁控濺射技術相對于這兩種方法而言更具優越性。

（4）反應濺射

反應濺射方法是在濺射過程中，通入氣體如O2、Ar，從而對薄膜組分和特性進行控制。該方法能夠制成不同組分配比的薄膜，其優點為薄膜附著力好、厚度均勻平整，可以實現工業批量生產。

由于反應濺射的出現，SiO2、MgF2、Si3N4 等減反膜也相繼制備成功，由于TiO2、SiO2 性能穩定、對環境友好，所以豐德（Pfund）提出TiO2 和SiO2 是一種理想的減反射材料，相比于其他材料缺陷較少。因此，至今仍然有許多研究者繼續深入對TiO2 和SiO2 的研究。

化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是兩種及以上氣態物質通過化學反應，生成新的物質，最后沉積在襯底上的一種方法。下面介紹常用的幾種制膜方法。

（1）金屬有機化合物氣相沉積 （MOCVD）

MOCVD 與CVD 的機制一樣，但它采用金屬有機化合物作為初始反應物。其優點是：熱敏感的襯底上也可以制備薄膜；缺點是沉積速率慢，成膜質量較差缺陷較多。

（2）等離子體輔助化學氣相沉積（PECVD）

PECVD 主要引進等離子體技術，促使氣體發生化學反應在基底上形成薄膜。近些年來，更多的研究者傾向于PECVD 技術制備薄膜。其優點是薄膜缺陷少，所需環境溫度低。

（3）激光化學氣相沉積（LCVD）

LCVD 是用激光束照射反應氣體，氣體密封于反應室內，誘發化學反應，最后生成新物質沉積在襯底上的制膜方法。其優點是：①基底的加熱是間接進行的，能按需沉積，且能控制薄膜生在范圍；②沉積速率快；③能減小來自基底參雜的影響。

（4）分子束外延法（MBE）

MBE 是在超高真空條件下，通過噴射膜料組成成分的分子束流，在基片表面形成外延層的鍍膜技術。其優點是：①可以制備單晶結構薄膜；②可以高精度制備想要的膜厚、組分等。同時MBE 也存在缺點，主要為：①設備成本高昂，且維護成本也較高；②生長速度慢；③無法工業生產的量產化，只適用于研究，規模最大的MBE 設備，也只能一次制備8片6英寸左右的薄膜。

真空蒸發法

真空蒸發是在真空環境下，直接對膜料加熱蒸發，使其氣化形成蒸氣流，然后沉積在襯底上從而形成薄膜的方法。其優點：①制備過程簡單；②成膜質量好、雜質較少，可以精準制備想要的膜厚；③生長機制單純直觀。其缺點為：①獲得結晶結構的薄膜困難；②薄膜易脫落；③工藝重復性差。

（1）電阻加熱蒸發

電阻加熱蒸發是將高熔點金屬材料例如鉭、鉑、鎢等，制成適當大小，放入待蒸發區，通入電流對膜料直接蒸發。其優點是膜料結構簡單、成本低；缺點是需要處理膜料的形狀。

（2）電子束蒸發

電子束蒸發是在真空室內，利用電子槍直接照射放在坩堝里的材料，使膜料物質從固態變氣態，然后在基片表面凝結成膜。其優點是：①電子束的能量要遠高于電阻加熱產生的能量，從而促使膜料預熔的更徹底；②電子束加熱可以避免薄膜受到污染，制備薄膜純度高；③傳導熱量過程中膜料能充分吸收，熱損失小，因此熱效率高。

離子束濺射法

離子束濺射法是在真空環境下，用離子撞擊靶材，被轟擊出的離子沉積在基片上，最后制成薄膜的技術。

在設計高精度薄膜時，通常使用這種方法。其優點是：①薄膜較致密，缺陷少；②薄膜耐久度好; ③可獨立調節、控制各種實驗參數、可以控制變量找出最佳的薄膜制備參數。④有良好附著力，不易脫落。其不足主要是：①只能制備小尺寸薄膜，且速率慢；②無法制備面積大且均勻薄膜；③設備運行成本較高且結構復雜。

脈沖激光淀積法

脈沖激光淀積法，該方法是用激光轟擊膜料，被轟擊出的物質沉積在襯底上得到對應膜料薄膜。

這是一種應用頗廣的新型的薄膜制備技術，其主要優點是：①沉積速率快，制備周期短，且成膜均勻；②能夠按需調節工藝參數，且幾乎可以采用任意類型靶材；③儀器容易清理，有良好的兼容。且能夠獲取想要的組分比薄膜，因此在半導體材料領域中應用頗廣。

但該方法也有局限性：①由于濺射過程中顆粒物的存在，導致成膜質量較差；②成膜速率慢，且規模小設備成本高。鍍膜過程中由于其淀積的角度窄，有效鍍膜的范圍小，超出一定范圍后，制備的薄膜就不均勻。

溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法于60 年代開始發展的。它的化學過程是將分布于溶劑中原料通過水解等方式，生成活性單體，再將溶質聚合、形成凝膠，經過干燥、焙燒，得到所需的材料。該方法一般是用來制備玻璃、陶瓷或其他無機材料。

溶膠-凝膠法的優點是：①由于在溶劑中的化學反應促使材料分布均勻；②溶膠液直接用于成膜，制備薄膜的面積可控；③在低溫環境就可發生反應，對溫度要求不高；④操作簡易，成膜效率高，易于工業化生產。

缺點是：①只能制備特定薄膜，金屬膜、鹵化物膜無法制備；②反應速率不可控，且反應過程受很多因素影響，因此大量生產出的凝膠膜的性能和質量就難以保持一致；③制備周期較長可能要幾周的時間; ④溶膠時，內部可能存在大量氣泡，在干燥時產生收縮。

等離子輔助沉積法

等離子輔助沉積法是在蒸發鍍膜過程中，用離子束流轟擊薄膜，大大的提高了膜層的牢固性，薄膜光學性能也更滿足需求。缺點是結構復雜，并需配備離子源，與普通熱蒸發鍍膜機相比，需要額外成本，成本較高。但由于可以明顯提高薄膜質量，所以使用廣泛。

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審核編輯：黃飛