[发明专利]梯度折射率薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜领域，尤其是一种梯度折射率薄膜的制备方法。

背景技术

在光学薄膜领域中为了实现各种要求的膜系结构，通常要求有各种折射率的膜料，但自然界中能用于光学薄膜制备的光学膜料是非常有限的，而且，由于防潮性能和膜层硬度的原因，能供选择用于高质量膜层的材料更少，本发明通过使用原子层沉积技术，使用各种性能较好的高、低两种折射率膜料，采用交替沉积的方法，实现不同折射率的材料，通过工艺条件的控制，实现不同折射率的大小，而且工艺简单，膜层稳定性好、可靠性好，折射率可控、可根据需要调节等。

梯度折射率薄膜，又称为非均匀膜，其主要特征为沿着膜层表面的法线方向折射率连续变化，而在垂直于法线的水平方向上折射率保持不变….传统光学薄膜是基于分层介质理论模型来设计的，但是，由于膜层之间存在界面，界面的跃变特性及其不稳定性，使得某些特定的光谱性能很难实现，且膜层间的界面是形成损伤或性能退化的薄弱环节；而非均匀膜既消除了膜层间的界面，又极大地增加了膜系设计的调控度。

梯度折射率薄膜的研究起步虽然较早，但是与均匀薄膜相比较，研究的并不是很多.其主要原因为制备过程复杂且较难控制.在应用上，目前主要是用在减反射膜、太阳能玻璃吸收膜、啁啾介质激光镜和rugate滤光片等.非均匀薄膜的制备方法可以分为三大类：一是多源共蒸法；二是反应沉积法；三是沉积参数(如沉积温度，基底温度，气压)的变化来实现折射率的变化，但这仅仅带来折射率的微小改变.目前主要研究的是反应沉积法和多源共蒸法.

在集成电路的制造中，必须沉积许多纯的和混合材料薄膜，现已开发出许多技术来实现这类沉积。近年来，在该领域中沉积薄膜的主导技术是原子层沉积(ALD)，其证实具有优异的能力来提供均一平坦的膜层，并能很好地镀覆通孔和晶片中的不平坦地形。ALD是最初被称为原子层取向生长的一种方法，其权威的文献是：Atomic Layer Epitaxy，Blackie，Glasgo and London出版(1990)。

ALD是一种这样的方法，其中将常规的CVD方法分为两个半反应步骤，一个ALD反应循环的4个步骤：(1)第一种反应前驱体以脉冲的方式进入反应腔并化学吸附在衬底表面；(2)待表面吸附饱和后，用惰性气体将多余的反应前体吹洗出反应腔；(3)接着第二种反应前驱体以脉冲的方式进入反应腔，并与上一次化学吸附在表面上的前体发生反应；(4)待反应完全后再用惰性气体将多余的反应前体及其副产物吹洗出反应腔。ALD薄膜生长的基础是交替饱和的气相一固相表面反应，当表面化学吸附饱和后，表面反应前体的数量不再随时间增加，因此每次循环生长的薄膜都只是一个单原子层。

由于原子层沉积(ALD)是一种表面控制方法，每个周期只沉积一个单原子层，因此沉积的薄膜厚度是由反应物的供给周期决定的，即厚度随着周期数目的线性增大。

采用高低折射率交替组合的极薄膜层可以近似成中间折射率薄膜，只要薄膜厚度比参考波长要小得多，组合膜就可以看成是连续的。调节两种材料的厚度比例，就可以合成高低折射率之间的任意折射率。如果把梯度折射率膜层分成多个子层，然后用极薄层组合来代替这些子层，就可以在很宽的波长范围内达到梯度折射率的效果。ALD方法的突出优点是可以精确控制极薄层膜的厚度，采用这种方法就可以实现常规方法难以完成的梯度折射率膜的制备，如用于飞秒激光的有极薄厚度层的啁啾镜等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种梯度折射率薄膜的制备方法。

梯度折射率薄膜的制备方法包括如下步骤：

1)将两种低折射率材料反应前驱体放入原子层沉积镀膜机的第一反应前驱体容器和第三反应前驱体容器，两种高折射率材料反应前驱体分别放入原子层沉积镀膜机的第二反应前驱体容器和第四反应前驱体容器；

2)将原子层沉积镀膜机中的衬底加热到100℃～400℃，抽真空至0.1～1Torr，开启原子层沉积镀膜机；

3)开启原子层沉积镀膜机的第一阀门P1和第三阀门P3，分别通入第一反应前驱体和第三反应前驱体，沉积低折射率膜层1～100循环，得到低折射率膜单层；

4)关闭原子层沉积镀膜机的第一阀门P1和第三阀门P3，开启原子层沉积镀膜机的第二阀门P2和第四阀门P4，分别通入第二反应前驱体和第四反应前驱体，沉积高折射率膜层1～100循环，得到高折射率膜单层；

5)高折射率膜单层和低折射率膜单层形成折射率子层，交替沉积10～100次形成梯度折射率薄膜。