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摘要：利用电子束蒸发在硅基底材料上沉积氟化镱（YbF3）薄膜，并对不同沉积温度所得薄膜进行了研究。研究结果表明，在反可见透红外波段上，沉积温度对于YbF3薄膜的物理和光学特性有较大影响。当沉积温度为150 ℃和180 ℃时，硅基底上的YbF3薄膜的光学性能和可靠性较差；当沉积温度为220 ℃和240 ℃时，硅基底上的YbF3薄膜具有良好的光学性能和可靠性，能适用于不同要求的薄膜产品研制。
关键词：氟化镱薄膜； 电子束蒸发； 反可见透红外波段； 硅基底； 沉积温度
中图分类号： TM 205.1；O 484.4 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.016
Abstract： In the material deposited on the silicon substrate and thin film，ytterbium fluoride was studied on different deposition temperature in the films by electron beam evaporation and silicon as substrate.The results show that in the opposite visible through infrared，YbF3 film deposition temperature has great impact on the physical and optical properties.At 150 ℃ and 180 ℃，optical properties and reliability of YbF3 films on silicon substrate are not good.When the temperature is 220 ℃ and 240 ℃，YbF3 thin films have good optical and reliability performance，which are suitable to the different requirements for the development of film products.
Keywords：YbF3 films； electron beam evaporation； in the opposite visible through infrared； silicon substrate； deposition temperature
引 言
反可见光透红外宽光谱分色片在仪器的分光系统中有着广泛的应用。为了实现对可见光高反，长波红外高透，镀于分光片上的膜层材料必须在可见及红外区均是透明无吸收的。在光学薄膜材料中，氟化
镱（YbF3）对紫外到远红外光（0.2～15 μm）具有良好的透光性以及较低的折射率，因此经常被用作中远红外多层膜研制中的低折射率材料[1]。在YbF3薄膜的制备方面，常规电阻加热蒸发制备的薄膜聚集密度较低、易吸潮，同时不合适的基底温度和沉积速率也会导致膜层疏松、应力较大等问题[2]。为了在硅基底材料上获得反可见近红外波段、透射红外波段的宽光谱光学薄膜，本文采用电子束蒸发制备YbF3薄膜，通过优化电子束蒸发的工艺，获得不同温度下的YbF3膜层，并对其光谱和应力进行测量及分析，以获得最佳的工艺参数。
1 实验过程
1.1 YbF3的预熔工艺
YbF3的膜层沉积是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，基底材料为Si晶体。首先在坩埚中放入2/3容积的YbF3材料，预先用大束斑小束流（30 mA）的电子束预熔该材料。然后缓慢增加束流，并不时地移动束斑的位置，使坩埚中的YbF3都被熔化。在逐渐增大束流的过程中时，坩埚中的YbF3材料会出现喷溅现象，此时应停止增加束流，等其喷溅程度减小后，再增大束流。当束流增加至70 mA时，将大束斑调整至小束斑，在坩堝表面的前后左右四个位置各停留大约20 s，并通过镀膜机的观察窗口观察该材料此时的预熔情况。如此时材料已无喷溅现象，再将束流加至90 mA（YbF3的蒸发束流），同时继续观察有无喷溅现象，至材料无喷溅且稳定后停止预熔，此时坩埚中的材料凝结并下陷。真空室放气后，取出坩埚再次加满材料，重复前面的预熔工艺直至坩埚内装满预熔好的材料，如图1和图2所示。
YbF3材料经过这样的工艺预熔，在多层膜沉积过程中就能有效地减少喷溅现象[3]，从而可极大程度地减少光学元件表面的溅射点，提高光学元件表面质量[4]。
通过电子束沉积YbF3材料的多次试验，摸索出沉积时的电子束束斑的形状大小应为圆形小束斑，束流为90 mA左右，电压为8 kV。
1.2 单层YbF3薄膜实验制备
对于薄膜的应力[5]，虽然无法从根本上去除，但是可以通过调整制备工艺，减少整个多层膜系的累积应力。在选择合适的沉积温度时，我们需要同时考虑YbF3和其他薄膜材料的应力特点，并且兼顾光学特性。为了提高YbF3薄膜聚集密度，需要选择较高的沉积温度，分别选取了150 ℃、180 ℃、220 ℃、240 ℃四个温度作为沉积温度。在硅基底上沉积YbF3薄膜样品，硅基片放置在水平的行星盘上[6]，沉积过程中镀膜设备真空度保持在3×10 3～5×10 3 Pa，样品沉积厚度为2 μm，沉积速率为0.95 nm/s。
2 样品测量
图3为硅基底上不同沉积温度下沉积相同厚度的YbF3薄膜的透射率曲线。从图中可以看出，随着温度升高，YbF3薄膜的透射率曲线向短波方向移动。在220 ℃，240 ℃时，2.7～2.9 μm处的水汽吸收（地球大气中主要的吸收气体之一）相对其他两个温度要小，说明基底温度升高有利于减小水汽吸收。 根据上述透射率曲线，拟合得到了不同沉积温度下的YbF3薄膜折射率，如图4所示。四种温度下所得YbF3薄膜的折射率是不同的，温度越高折射率越低，越有助于膜系的设计。
对四种沉积温度下沉积的薄膜用光学数字显微镜进行放大观测，得到Si基底上薄膜表面图，如图5所示。
在沉积温度为150 ℃、180 ℃、220 ℃时得到的膜层表面，均发现有明显的开裂现象，而沉积温度240 ℃时得到的薄膜则没有发现开裂。图6为扫描电镜下硅基底的表面形貌，由图可知，在沉积温度150 ℃、180 ℃、220 ℃时，硅基底的YbF3薄膜呈现非晶态，沉积温度240 ℃时得到的薄膜呈现晶体结构。
最后对四种温度下沉积的薄膜样品进行了两项环境模拟试验：一项是标准聚酯胶带快速撕拉试验，所有被测样品均未发生撕裂脱膜的现象；第二项试验是在45 ℃水中浸泡8 h，结果用150 ℃和180 ℃时沉积的薄膜发生部分的脱膜现象，而220 ℃和240 ℃沉积的薄膜未发现起泡脱膜现象。
3 结果与分析
对不同沉积温度下硅基底上所得的YbF3薄膜进行光谱分析后可知：随着温度的升高，硅基底上YbF3薄膜的厚度逐渐减小，折射率也随之减少；150 ℃和180 ℃两个沉积温度所得薄膜的折射率偏高，不适合中远红外多层膜低折射材料的应用；220 ℃和240 ℃沉积所得薄膜的折射率比较接近，平均折射率为1.545。
表面形貌的测试结果可知：Si基底上的YbF3薄膜在150 ℃、180 ℃和220 ℃时，沉积的薄膜相对基底表面有收缩的趋势，引起了表面张应力[7]，同时薄膜内的张应力使基底向膜面内侧弯曲形成凹陷，当张应力超过薄膜的弹性极限时，膜层就会破裂，破裂后的膜层脱离基底向内侧卷曲，使得膜层表面出现开裂；在240 ℃时，由于基底温度较高，蒸汽分子容易在基片表面迁移或被基片反蒸发，获得晶态薄膜的可能性也越大[8]，此时膜层的聚集密度增大，生长致密，与基底的附着力更好，膜层更加牢固。
4 结 论
利用电子束蒸发在硅基底材料上沉积YbF3薄膜时，选择合理的电子束参数，可以获得基本无溅射点的优质薄膜表面；在相同的电子束沉积参数下，沉积温度对YbF3薄膜光学特性的影响较大。在温度为150 ℃和180 ℃时，沉积所得的YbF3薄膜没能通过航天产品所要求的环境模拟试验，可靠性较差。在沉积温度为220 ℃和240 ℃时，在硅基底上得到的YbF3薄膜具有良好的光学性能和可靠性。该研究结果可为膜系设计提供参考，再配合ZnS、Ge等常规红外镀膜材料，可获得具有良好光学特性和稳定性的光学薄膜器件。
参考文献：
[1] 于天燕，成效春，秦杨，等.锗窗口红外宽光谱增透膜的研制[J].光学学报，2010，30（4）：1197 1200.
[2] ZHANG Y P，FAN J Q，LONG G Y.Influence of deposition parameters on residual stress of YbF3 thin film[C]∥Selected Proceedings of the Chinese Society for Optical Engineering Conferences.Chengdu：SPIE，2015，9796：97960N 5.
[3] 王穎.中红外激光薄膜的研究与制备[D].杭州：浙江大学，2009.
[4] 闫凯.光学薄膜表面质量与膜层牢固度分析[J].现代企业教育，2012（12）：245 246.
[5] 范瑞瑛，范正修.薄膜应力分析及一些测量结果[J].光学仪器，2001，23（5）：84 91.
[6] 林大伟，黄伟，熊胜明，等.不同沉积角度对氟化镱薄膜性质的影响[J].光电工程，2011，38（1）：103 106.
[7] 张殷华，黄伟，张云洞.热蒸发YbF3薄膜的机械特性[J].强激光与粒子束，2008，20（8）：1306 1308.
[8] 张光勇，薛亦渝，郭培涛，等.电子束蒸发沉积Ta2O5光学薄膜的研究[J].压电与声光，2008，30（1）：12 15.
（编辑：刘铁英）
关键词：氟化镱薄膜； 电子束蒸发； 反可见透红外波段； 硅基底； 沉积温度
中图分类号： TM 205.1；O 484.4 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.016
Abstract： In the material deposited on the silicon substrate and thin film，ytterbium fluoride was studied on different deposition temperature in the films by electron beam evaporation and silicon as substrate.The results show that in the opposite visible through infrared，YbF3 film deposition temperature has great impact on the physical and optical properties.At 150 ℃ and 180 ℃，optical properties and reliability of YbF3 films on silicon substrate are not good.When the temperature is 220 ℃ and 240 ℃，YbF3 thin films have good optical and reliability performance，which are suitable to the different requirements for the development of film products.
Keywords：YbF3 films； electron beam evaporation； in the opposite visible through infrared； silicon substrate； deposition temperature
引 言
反可见光透红外宽光谱分色片在仪器的分光系统中有着广泛的应用。为了实现对可见光高反，长波红外高透，镀于分光片上的膜层材料必须在可见及红外区均是透明无吸收的。在光学薄膜材料中，氟化
镱（YbF3）对紫外到远红外光（0.2～15 μm）具有良好的透光性以及较低的折射率，因此经常被用作中远红外多层膜研制中的低折射率材料[1]。在YbF3薄膜的制备方面，常规电阻加热蒸发制备的薄膜聚集密度较低、易吸潮，同时不合适的基底温度和沉积速率也会导致膜层疏松、应力较大等问题[2]。为了在硅基底材料上获得反可见近红外波段、透射红外波段的宽光谱光学薄膜，本文采用电子束蒸发制备YbF3薄膜，通过优化电子束蒸发的工艺，获得不同温度下的YbF3膜层，并对其光谱和应力进行测量及分析，以获得最佳的工艺参数。
1 实验过程
1.1 YbF3的预熔工艺
YbF3的膜层沉积是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，基底材料为Si晶体。首先在坩埚中放入2/3容积的YbF3材料，预先用大束斑小束流（30 mA）的电子束预熔该材料。然后缓慢增加束流，并不时地移动束斑的位置，使坩埚中的YbF3都被熔化。在逐渐增大束流的过程中时，坩埚中的YbF3材料会出现喷溅现象，此时应停止增加束流，等其喷溅程度减小后，再增大束流。当束流增加至70 mA时，将大束斑调整至小束斑，在坩堝表面的前后左右四个位置各停留大约20 s，并通过镀膜机的观察窗口观察该材料此时的预熔情况。如此时材料已无喷溅现象，再将束流加至90 mA（YbF3的蒸发束流），同时继续观察有无喷溅现象，至材料无喷溅且稳定后停止预熔，此时坩埚中的材料凝结并下陷。真空室放气后，取出坩埚再次加满材料，重复前面的预熔工艺直至坩埚内装满预熔好的材料，如图1和图2所示。
YbF3材料经过这样的工艺预熔，在多层膜沉积过程中就能有效地减少喷溅现象[3]，从而可极大程度地减少光学元件表面的溅射点，提高光学元件表面质量[4]。
通过电子束沉积YbF3材料的多次试验，摸索出沉积时的电子束束斑的形状大小应为圆形小束斑，束流为90 mA左右，电压为8 kV。
1.2 单层YbF3薄膜实验制备
对于薄膜的应力[5]，虽然无法从根本上去除，但是可以通过调整制备工艺，减少整个多层膜系的累积应力。在选择合适的沉积温度时，我们需要同时考虑YbF3和其他薄膜材料的应力特点，并且兼顾光学特性。为了提高YbF3薄膜聚集密度，需要选择较高的沉积温度，分别选取了150 ℃、180 ℃、220 ℃、240 ℃四个温度作为沉积温度。在硅基底上沉积YbF3薄膜样品，硅基片放置在水平的行星盘上[6]，沉积过程中镀膜设备真空度保持在3×10 3～5×10 3 Pa，样品沉积厚度为2 μm，沉积速率为0.95 nm/s。
2 样品测量
图3为硅基底上不同沉积温度下沉积相同厚度的YbF3薄膜的透射率曲线。从图中可以看出，随着温度升高，YbF3薄膜的透射率曲线向短波方向移动。在220 ℃，240 ℃时，2.7～2.9 μm处的水汽吸收（地球大气中主要的吸收气体之一）相对其他两个温度要小，说明基底温度升高有利于减小水汽吸收。 根据上述透射率曲线，拟合得到了不同沉积温度下的YbF3薄膜折射率，如图4所示。四种温度下所得YbF3薄膜的折射率是不同的，温度越高折射率越低，越有助于膜系的设计。
对四种沉积温度下沉积的薄膜用光学数字显微镜进行放大观测，得到Si基底上薄膜表面图，如图5所示。
在沉积温度为150 ℃、180 ℃、220 ℃时得到的膜层表面，均发现有明显的开裂现象，而沉积温度240 ℃时得到的薄膜则没有发现开裂。图6为扫描电镜下硅基底的表面形貌，由图可知，在沉积温度150 ℃、180 ℃、220 ℃时，硅基底的YbF3薄膜呈现非晶态，沉积温度240 ℃时得到的薄膜呈现晶体结构。
最后对四种温度下沉积的薄膜样品进行了两项环境模拟试验：一项是标准聚酯胶带快速撕拉试验，所有被测样品均未发生撕裂脱膜的现象；第二项试验是在45 ℃水中浸泡8 h，结果用150 ℃和180 ℃时沉积的薄膜发生部分的脱膜现象，而220 ℃和240 ℃沉积的薄膜未发现起泡脱膜现象。
3 结果与分析
对不同沉积温度下硅基底上所得的YbF3薄膜进行光谱分析后可知：随着温度的升高，硅基底上YbF3薄膜的厚度逐渐减小，折射率也随之减少；150 ℃和180 ℃两个沉积温度所得薄膜的折射率偏高，不适合中远红外多层膜低折射材料的应用；220 ℃和240 ℃沉积所得薄膜的折射率比较接近，平均折射率为1.545。
表面形貌的测试结果可知：Si基底上的YbF3薄膜在150 ℃、180 ℃和220 ℃时，沉积的薄膜相对基底表面有收缩的趋势，引起了表面张应力[7]，同时薄膜内的张应力使基底向膜面内侧弯曲形成凹陷，当张应力超过薄膜的弹性极限时，膜层就会破裂，破裂后的膜层脱离基底向内侧卷曲，使得膜层表面出现开裂；在240 ℃时，由于基底温度较高，蒸汽分子容易在基片表面迁移或被基片反蒸发，获得晶态薄膜的可能性也越大[8]，此时膜层的聚集密度增大，生长致密，与基底的附着力更好，膜层更加牢固。
4 结 论
利用电子束蒸发在硅基底材料上沉积YbF3薄膜时，选择合理的电子束参数，可以获得基本无溅射点的优质薄膜表面；在相同的电子束沉积参数下，沉积温度对YbF3薄膜光学特性的影响较大。在温度为150 ℃和180 ℃时，沉积所得的YbF3薄膜没能通过航天产品所要求的环境模拟试验，可靠性较差。在沉积温度为220 ℃和240 ℃时，在硅基底上得到的YbF3薄膜具有良好的光学性能和可靠性。该研究结果可为膜系设计提供参考，再配合ZnS、Ge等常规红外镀膜材料，可获得具有良好光学特性和稳定性的光学薄膜器件。
参考文献：
[1] 于天燕，成效春，秦杨，等.锗窗口红外宽光谱增透膜的研制[J].光学学报，2010，30（4）：1197 1200.
[2] ZHANG Y P，FAN J Q，LONG G Y.Influence of deposition parameters on residual stress of YbF3 thin film[C]∥Selected Proceedings of the Chinese Society for Optical Engineering Conferences.Chengdu：SPIE，2015，9796：97960N 5.
[3] 王穎.中红外激光薄膜的研究与制备[D].杭州：浙江大学，2009.
[4] 闫凯.光学薄膜表面质量与膜层牢固度分析[J].现代企业教育，2012（12）：245 246.
[5] 范瑞瑛，范正修.薄膜应力分析及一些测量结果[J].光学仪器，2001，23（5）：84 91.
[6] 林大伟，黄伟，熊胜明，等.不同沉积角度对氟化镱薄膜性质的影响[J].光电工程，2011，38（1）：103 106.
[7] 张殷华，黄伟，张云洞.热蒸发YbF3薄膜的机械特性[J].强激光与粒子束，2008，20（8）：1306 1308.
[8] 张光勇，薛亦渝，郭培涛，等.电子束蒸发沉积Ta2O5光学薄膜的研究[J].压电与声光，2008，30（1）：12 15.
（编辑：刘铁英）