基片溫度對真空蒸鍍Ti/LiNbO3光學薄膜的影響

湯 卉，董鵬展，呂 楊

(哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

集成光學器件具有微型化、高集成度和性能優(yōu)良的優(yōu)點,在大規(guī)模集成光路和全光通信網絡中具有十分重要的應用前景,已成為集成光學研究的熱點之一[1-3].目前，用于集成光學器件的光學襯底(基片)材料，多為鈮酸鋰(LiNbO3)晶體[4]，在其表面鍍各種金屬膜后構成具有各種功能的光子學邏輯器件，鈦擴散鈮酸鋰光耦合器即是其中的一員.在鈮酸鋰基片上蒸鍍高質量的鈦薄膜，進而將鈦擴散入鈮酸鋰淺表層即可制成鈦擴散鈮酸鋰光耦合器.在這一制備過程中，對鈦薄膜要求純度高，平整度好，表面粗糙度低，蒸鍍鈦膜工藝的優(yōu)化是問題的關鍵，現(xiàn)階段尚未得到很好的解決.本文對這一問題開展探索，側重研究在真空蒸鍍制備Ti/LiNbO3復合光學薄膜過程中，不同鈮酸鋰基片溫度對鈦薄膜的形成、表觀形貌、平整度的影響，從而優(yōu)化基片溫度.

1 實驗

以Z向LiNbO3單晶為襯底(基片)，基片規(guī)格：φ12 mm×0.5 mm，光潔度200 nm，鈦源用鈦粉純度：99.999%.

蒸鍍前，將LiNbO3基片放入丙酮液中超聲波清洗15 min，去除表面油污雜質后，用氮氣吹干.實驗在熱蒸發(fā)真空鍍膜機上完成，蒸鍍參數：真空度8.4×10-4Pa，加熱電流140 A，蒸發(fā)壓強2.3×10-3Pa，基片溫度分別為20、100、180、260、340 ℃，蒸鍍時間20 min.

利用掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對不同基片溫度下蒸鍍樣品進行表觀形貌和粗糙度研究.

2 結果與討論

圖1為放大倍數為3 000倍，不同基片溫度下鈦薄膜的SEM圖，從圖中可以看出，基片溫度20 ℃時，蒸鍍的鈦薄膜顆粒排列疏松，呈多孔結構，有氣孔生成，存在明顯缺陷；基片溫度100 ℃時，顆粒排列致密，局部有溝壑、針孔，平整度差；基片溫度180 ℃時，鈦薄膜顆粒堆積致密，缺陷少，無針孔，薄膜表面較平整；隨著基片溫度增至260 ℃、340 ℃，顆粒逐漸變大，顆粒堆積依然致密，趨于均勻，但出現(xiàn)極少量的凸起點.

圖1 不同溫度下鈦薄膜SEM圖

根據文獻[5-7]，薄膜沉積和生長過程中決定膜聚集和生長的重要因素是吸附原子的表面遷移或遷移率.其中，基片溫度對表面原子擴散有直接影響，當基片不預熱或溫度較低(≤100 ℃)時，如圖1(a)和圖1(b)，吸附原子在表面橫向運動能量較小，薄膜表面的低谷不能及時被填平，導致薄膜表面積增大，表面能增加，容易形成大的缺陷和無規(guī)則的多孔結構.在圖1(c)、圖1(d)和圖1(e)中，由于基片溫度的提高，吸附原子的表面遷移擴散有所增強，薄膜變得致密，除仍有少許孔洞存在外，不再有大的缺陷.制作鈦擴散鈮酸鋰光波導首要一步就是鈦薄膜的制備，薄膜如果不純或者過于粗糙，必然導致光波導損耗增大.因此基片需要預熱，且預熱溫度不能低于100 ℃.

圖2 180 ℃和340 ℃時鈦薄膜AFM三維形貌圖

圖2為基片溫度180 ℃和340 ℃下制備的鈦薄膜AFM三維形貌圖，從圖中可以看出，基底上生長出了薄膜，形狀不是特別規(guī)則，圖2(a)中基片預熱180 ℃制備的鈦薄膜表面有大量細晶出現(xiàn)，分布均勻，有個別異常大的晶粒出現(xiàn)，部分鈦被氧化成二氧化鈦所致[8].圖2(b)中基片預熱340 ℃制備的鈦薄膜表面晶粒大部分比圖2(a)中的要大，呈現(xiàn)出一個個“小島”，大部分“小島”連成一片，部分區(qū)域沒有“小島”形成，出現(xiàn)“溝壑”，而且也出現(xiàn)類似2(a)中部分鈦被氧化現(xiàn)象.

有研究表明原子的沉積過程[9-10]，受相應的激活能控制，因此薄膜結構的形成與基體溫度Ts和蒸發(fā)材料熔點溫度Tm的比值Ts/Tm密切相關[11-14].真空蒸鍍鈦薄膜，鈦的熔點Tm為1 668 ℃，當基片溫度Ts為180 ℃，則Ts/Tm<0.15，薄膜組織為細等軸晶，尺寸小，組織出現(xiàn)孔洞，如圖2(a).當基片溫度為340 ℃，則0.15

依據GB/T 3505—2000標準，鈦薄膜粗糙程度可通過均方根粗糙度(Rq)大小來反映.計算公式如下：

(1)

圖3 AFM二維形貌圖

通過計算兩種基片溫度(180 ℃和340 ℃)下樣品薄膜的表面均方根粗糙度(Rq)，發(fā)現(xiàn)180 ℃溫度下薄膜的表面粗糙度(25.4 nm)小于340 ℃溫度下薄膜的表面粗糙度(30.3 nm)，這是因為在一定范圍內基片溫度提升促使薄膜表面遷移率增大，出現(xiàn)較大的晶粒，導致表面粗糙度變大.而表面粗糙度增大，必然導致波導損耗也增大.綜合前面所述，在溫度不超過340 ℃的范圍內，選擇180 ℃作為基片溫度是比較合適的.

圖3給出了基片溫度為180 ℃薄膜樣品的原子力顯微二維形貌圖，掃描范圍是10 μm×10 μm，圖4給出圖3形貌圖中某一橫截面的高度曲線.由圖3、圖4可以看出，薄膜表面存在有不同尺度的顆粒，在一定表面范圍內，這些不同尺寸的顆粒分布均勻，在大尺度的高度起伏或者顆粒上有一些小顆粒或高度調制，呈現(xiàn)出一定分形特征.

鈦薄膜生長界面形貌特征的形成，與形成吸附原子團時總自由能的變化有關.用體材料的熱力學量表達，則形成半徑為r的球形原子團的Gibbs自由能(ΔG0)可以用式(2)表示：

(2)

式中：σcv是凝聚相和氣相間的表面自由能；ΔGv=(-kT/V)In(P/Pe)是從過飽和蒸氣壓P到平衡蒸氣壓Pe的凝聚相單位體積及自由能.

圖4 AFM一維形貌圖

3 結論

1) 基片預熱一定溫度可以改善鈦薄膜的成膜質量，減少缺陷產生.

2) 在一定范圍內，提高基片溫度可以促進薄膜內結晶化，使晶粒變大，但同時會導致薄膜表面粗糙度增大.

3) 在一定范圍內(不超過340 ℃)，基片溫度過低或過高都會影響薄膜的膜質量，制作LiNbO3-Ti復合光學薄膜，選用180 ℃比較合適.