離子束刻蝕改善光通信濾光膜均勻性的研究

張靜，劉海成，付秀華，2，王升耆，楊飛

（1 長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

（2 長春理工大學中山研究院，廣東 中山 528436）

（3 光馳科技（上海）有限公司，上海 200444）

（4 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

光通信技術的飛速發(fā)展對通信器件的需求不斷增加，密集波分復用技術（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）可以使光纖通信系統(tǒng)的容量成倍增加，具有廣闊的應用前景。窄帶濾光膜在光纖通信的復用與解復用器件中起到重要作用，如何設計并制備通帶窄、通帶內波紋小、插入損耗低、截止帶的透射隔離度大、尺寸大、效率高滿足現(xiàn)代光通信技術要求的窄帶濾光膜，成為行業(yè)內亟待解決的問題。

2016 年，SCHOLTZ L 等研究了界面粗糙度和溫度變化對下一代密集波分復用無源光網絡（Dense Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Networks，DWDM-PON）的下游通道阻塞濾波器最終透射率的影響［1］。2019 年，KATIA S 等針對多空間模式光子計數(shù)檢測器抑制光學背景噪聲這一需求，設計了在1 550 nm 處插入損耗小于0.7 dB 的窄帶濾波片，并對頻譜帶寬、空間帶寬、濾波器插入損耗和溫度引起的性能變化進行了研究［2］。2019 年，石澎等采用離子束濺射技術，設計了含有12 個諧振腔的帶通濾光膜，分析并解決了耦合層膜厚監(jiān)控的問題［3］。2019 年，張金豹等基于規(guī)整全介質窄帶濾光膜系初始結構，利用薄膜厚度誤差修正因子階躍式微小躍變思想，對變形光譜曲線進行擬合反演［4］。

目前國內外對DWDM 濾光膜的研究較為成熟，但多數(shù)采用濺射成膜的方式，對于熱蒸發(fā)制備DWDM濾光膜的報道較少，熱蒸發(fā)成膜時膜料沉積速率大，所用時間相對較少，具有研究意義。但是由于沉積速率大，對膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的精度與靈敏度提出了更高的要求。此外，DWDM 膜系的敏感度高，如果采用傳統(tǒng)的修正板調節(jié)膜厚均勻性的方法，由于鍍膜時間長、真空室內溫度高等原因，修正板會產生變形，導致控制精度難以滿足要求。因此，本文對采用熱蒸發(fā)方式制備DWDM 濾光膜時，如何提高有效鍍膜面積，制備符合要求的DWDM 濾光膜展開研究。

1 膜系設計

1.1 基板選擇

根據Takashashi（熱膨脹應力）模型，當膜層的聚集密度足夠大時，可以忽略薄膜柱狀結構空隙吸潮和解吸潮造成的中心波長漂移［5］。此時影響濾光片溫度穩(wěn)定性的主要因素有膜層自身的溫度特性和由于膜層與基板熱應力不匹配所導致的膜層厚度和折射率的變化。根據Takashashi 模型［5］，濾光片溫度穩(wěn)定性（單位：nm/℃）可以表示為

式中，n0、d0為起始溫度T0時膜系的折射率和厚度，nT、dT為溫度變化為T時膜系的折射率和厚度，有

式中，NT為溫度T時膜系等效折射率，PT為溫度T時膜層聚集密度，P0為膜層聚集密度，N0為膜系等效折射率，δ為折射率溫度系數(shù)，α為基板線膨脹系數(shù)，β為膜系線膨脹系數(shù)，s為泊松比。根據對稱膜系等效層思想可以將多腔膜系近似等效為單腔膜系，其中1 557 nm 處，Ta2O5折射率為2.13，SiO2折射率為1.46，膜系線膨脹系數(shù)為5.0×10-7/℃，折射率溫度系數(shù)為1×10-5/℃，聚集密度近似等于1，泊松比為0.12［6］。

借助Matlab 軟件，可知當基板線性膨脹系數(shù)約為(111～118)×10-7/℃時，可有效降低濾光片的溫度漂移。因此選擇OHARA 生產的WMS-15 作為基板，直徑為95 mm，折射率為1.52，線膨脹系數(shù)為114×10-7/℃。膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的光譜寬度對窄帶濾光片的監(jiān)控誤差產生重要影響［7］，因此本文膜厚監(jiān)控系統(tǒng)使用激光光源，為了抑制激光的干涉效應將基板非鍍膜面進行磨砂處理。

1.2 膜系設計

DWDM 窄帶濾光膜技術要求如表1 所示。

表1 窄帶濾光膜技術要求Table 1 Technical requirements for narrowband filter film

根據DWDM 濾光片技術要求，以單腔F-P 膜系為基礎，以反射層反射率大的單腔膜系為中心，在其外側串聯(lián)多個低反射率的單腔膜系［8］。并在規(guī)整膜層外側疊加少量非規(guī)整膜層［9］，對非規(guī)整膜層進行優(yōu)化，優(yōu)化后的理論膜系為：Sub|3L（HL）76L（LH）7L（HL）86L（LH）8L（HL）86L（LH）8L（HL）86L（LH）8L（HL）76L（LH）6L1.271H1.421L|Air。其中H 表示Ta2O5，L 表示SiO2，Sub 表示基板WMS-15，Air 表示空氣。理論膜系光譜曲線如圖1 所示，中心波長為1 557.363 nm，-0.2 dB 處帶寬為0.52 nm，通帶最大插入損耗為0.02 dB，通帶波紋為0.01 dB，-13.5 dB 處帶寬為0.79 nm，反射帶插入損耗大于20 dB，符合濾光膜技術要求。

圖1 DWDM 理論設計曲線Fig.1 DWDM theoretical design curve

2 膜層均勻性研究

2.1 蒸發(fā)特性研究

實驗設備為光馳科技（上海）有限公司 OTFC-1100TBI 真空鍍膜機，配備雙180°電子槍、D600 mm 雙環(huán)坩堝、聚焦型RF 離子源、14 點晶控探頭、TSL-550 可調諧激光光源及其配套的直接光控系統(tǒng)。根據電子束余弦蒸發(fā)理論，小平面蒸發(fā)源膜厚公式為［10］

式中，m為蒸發(fā)材料的總質量，θ為鍍膜面法線與連接蒸發(fā)源和鍍膜表面的直線所構成的角度，φ為面源法線與連接蒸發(fā)源和鍍膜表面的直線所構成的角度，μ為蒸發(fā)材料密度，l為蒸發(fā)源與鍍膜面元之間的距離［10］。對于旋轉平面夾具，其幾何配置如圖2 所示，則各個量的幾何關系為

圖2 旋轉平面夾具幾何配置Fig.2 Rotating plane fixture geometry configuration

式中，h為夾具所在平面與蒸發(fā)源所在平面的垂直距離，l為夾具上任意點A到蒸發(fā)源的直線距離，點A所在圓的半徑為r，R為蒸發(fā)源中心與夾具中心的水平距離，點A在圓周上轉過的角度為ψ［11］。

將式（6）、（7）帶入式（5）中，可得面源的厚度公式為

在無離子源輔助的條件下分別沉積SiO2和Ta2O5單層膜，工藝參數(shù)如表2 所示，利用LRMS-600PI 顯微分光儀進行測量，沿基板直徑方向取18 個點，每兩點間隔5 mm，通過各測量點位波長的偏差反映薄膜光學厚度的偏差［12］，并對測量數(shù)據進行歸一化處理，歸一化處理公式為

表2 兩種材料工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of two materials

式中，λi為基板上各點實際測量的波長，λ0為基板中心處波長。理論與實際膜厚分布如圖3 所示，縱坐標為相對波長，橫坐標為測量點位置，隨著測量點位由基板中心向邊緣移動，膜層厚度逐漸減小，理論曲線與實際曲線存在較明顯差異。原因在于實際蒸發(fā)時材料的蒸發(fā)特性受電流、光斑位置等因素的影響，呈現(xiàn)非余弦分布。膜厚均勻性計算公式為

圖3 兩種材料無離子源輔助時理論與實際膜厚分布Fig.3 The theoretical and actual film thickness distribution curves of the two materials without ion source assistance

式中，λM為測量波長最大值，λm為測量波長最小值，λa為基板各點波長平均值。不使用離子源輔助成膜時，Ta2O5均勻性為0.40%，SiO2均勻性為0.66%，且兩種材料膜厚分布均為中心厚邊緣薄。

2.2 離子源輔助沉積對膜層均勻性的影響

由于窄帶濾光膜的技術要求十分嚴格，基板上的厚度變化通常超出容差范圍，傳統(tǒng)的鍍膜工藝技術難以滿足要求［13］。為了提高有效鍍膜面積，在成膜過程中根據離子束刻蝕原理，利用聚焦型離子源對基板上已沉積的薄膜進行刻蝕，聚焦型離子源的能量分布為中心強邊緣弱，膜厚分布為中心厚邊緣薄，借助刻蝕速率與薄膜沉積速率兩者特性的不同進行膜厚均勻性修正。聚焦型離子源采用特殊平面結構，并將篩網的厚度由0.5 mm 增加至0.8 mm，既保證了離子源長時間工作時離子束的穩(wěn)定性，又有利于離子束匯聚。離子源在基板所在平面的聚焦直徑約為120 mm，離子源充氧氣，中和器充氬氣，離子源擋板在每層薄膜蒸鍍前2 s打開，蒸鍍結束后關閉。

離子源參數(shù)如表3 所示，分別沉積單層SiO2和單層Ta2O5，結果如圖4 所示，兩種材料單層膜的均勻性均有較大的改善，其中Ta2O5均勻性從0.40%提高到0.05%，SiO2均勻性從0.66%提高到0.11%。離子源輔助條件下，從基板中心到基板邊緣，膜層厚度先變薄后變厚。由于夾具對離子束產生干擾，離子在基板邊緣處發(fā)生無序化碰撞，導致靠近基板外側膜層的均勻性變差。

表3 離子源參數(shù)Table 3 Ion source parameters

圖4 兩種材料在離子源輔助和無離子源輔助下的膜厚分布曲線Fig.4 Film thickness distribution curves of the two materials with and without ion source assistance

2.3 離子源參數(shù)對膜層均勻性的影響

在驗證了離子源修正膜層均勻性可行性的前提下，采用控制變量法，依次研究離子源加速電壓、離子源電壓和離子源電流對于膜層均勻性的影響。

2.3.1 離子源加速電壓對膜層均勻性的影響

離子源加速電壓（Accelerating Voltage，VA）會對離子源能量的空間分布造成影響，如圖5 所示，隨著離子源加速電壓的增大，離子束的分布會逐漸趨于平緩，導致離子的入射角隨著加速電壓的改變而發(fā)生變化，隨著加速電壓的增大，離子束的發(fā)散角度會增大。

圖5 聚焦型離子源不同加速電壓對應的能量分布曲線Fig.5 The energy distribution curve corresponding to different acceleration voltages of the focused ion source

過高的離子源加速電壓會導致離子源刻蝕速率分布曲線與膜厚分布曲線的匹配度降低，不利于均勻性的修正。因此，在合適的范圍內改變離子源加速電壓進行實驗，如表4 所示。隨著離子源加速電壓的增大，兩種材料的均勻性逐漸提高。原因在于離子源電流恒定，則離子源發(fā)射的離子數(shù)目維持穩(wěn)定，離子源加速電壓升高，導致原本集聚在篩網中間的離子向篩網邊緣移動，使得到達基板中心的離子數(shù)目減少，刻蝕速率減小，而到達基板邊緣的離子數(shù)目增多，刻蝕速率增大，膜層均勻性提高。此外，從圖6 中可以看出，隨著加速電壓的升高，加速電壓對離子束中離子空間分布的影響逐漸降低，導致加速電壓對于兩種材料膜層均勻性的影響逐漸降低。SiO2和Ta2O5離子源加速電壓值為750 V 時，SiO2和Ta2O5的膜層均勻性分別為0.09%和0.05%，膜層均勻性相對較好，因此選擇750 V 為兩種材料離子源的加速電壓。

表4 不同離子源加速電壓下兩種材料的均勻性Table 4 Uniformity of the two materials under different ion source acceleration voltages

圖6 膜層均勻性與離子源加速電壓的對應關系Fig.6 Correspondence between film uniformity and ion source acceleration voltage

2.3.2 離子源電壓對膜層均勻性的影響

離子源電壓（Beam Voltage，VB）的改變對離子束的影響如圖7 所示，離子源電壓影響著離子束能量。在一定范圍內，隨著電壓的增大，離子束能量逐漸提高。

圖7 不同離子源電壓下離子源的能量分布Fig.7 The energy distribution of the ion source under different ion source voltages

在兩種材料加速電壓均為750 V，SiO2和Ta2O5離子源電流值分別為165 mA 和200 mA 的條件下，如表5 所示，改變離子源電壓，研究離子源電壓對于膜層均勻性的影響，膜厚分布曲線如圖8 所示。隨著離子源電壓的增大，膜層均勻性有所改善，離子源電壓由600 V 提高到900 V，Ta2O5膜層均勻性由0.17%提升到0.05%，SiO2膜層均勻性由0.18%提升到0.09%。原因在于隨著離子源電壓的升高，由離子源產生的離子具有更高的能量，導致與離子發(fā)生碰撞的氣相膜料分子獲得更高的動能，有利于膜料分子吸附基板表面后在基板表面向不同方向擴散。SiO2和Ta2O5離子源電壓值為900 V 時，膜層均勻性相對較好，因此選擇900 V為兩種材料離子源的電壓值。

表5 不同離子源電壓下兩種材料的均勻性Table 5 Uniformity of the two materials under different ion source voltages

圖8 不同離子源電壓下兩種材料的均勻性Fig.8 Uniformity of the two materials under different ion source voltages

2.3.3 離子源電流對膜層均勻性的影響

離子源電流值（Beam Current，IB）影響離子束流密度，離子束流密度反映單位時間單位面積上離子數(shù)量的多少［14］。在離子源電壓為900 V，加速電壓為750 V 的條件下，改變離子源電流，分別沉積SiO2和Ta2O5單層膜，膜厚均勻性如表6 所示，相對波長分布如圖9 所示。隨著離子源電流值的增加，Ta2O5單層膜的均勻性先下降后上升，膜厚分布趨勢發(fā)生變化，而SiO2單層膜的均勻性逐漸變差，原因在于離子束對于兩種材料的刻蝕速率不同。從表6 中可以看出，SiO2和Ta2O5離子源電流值分別為165 mA 和200 mA 時，膜層均勻性為別為0.09%和0.05%，均勻性較好。因此確定SiO2和Ta2O5離子源電流值分別為165 mA 和200 mA。

圖9 不同離子源電流下兩種材料膜厚分布曲線Fig.9 Film thickness distribution curves of two materials under different ion source currents

表6 不同離子源電流下兩種材料的均勻性Table 6 Uniformity of the two materials under different ion source currents

在基板的一側選擇內中外三個點，每兩點間隔10 mm，分別測試Ta2O5與SiO2在三組不同離子源參數(shù)下單層膜的刻蝕速率如表7 所示，刻蝕速率分布如圖10 所示。Ta2O5與SiO2的刻蝕速率隨著離子源電流的增加而增大，由內至外刻蝕速率逐漸減小，這是因為隨著離子源電流的增加，離子束流密度增大，在相同時間內轟擊膜層的離子數(shù)量也會增加。同時因為離子源離子束的分布呈現(xiàn)中間強、邊緣弱的趨勢，導致在相同離子源參數(shù)下，離子源對膜層的刻蝕速率呈現(xiàn)由內至外逐漸減小的現(xiàn)象。由于SiO2薄膜應力遠大于Ta2O5薄膜應力，導致離子源對SiO2的刻蝕速率大于對Ta2O5的刻蝕速率。

表7 離子源對兩種膜料的平均刻蝕速率Table 7 The average etching rate of the ion source on the two film materials

圖10 不同離子源電流下，兩種材料的刻蝕速率。Fig.10 The etching rate of the two materials under different ion source currents.

在此基礎上，對比研究離子源電流和離子源加速電壓對于SiO2單層膜均勻性的影響程度，膜厚分布曲線如圖11 所示，對膜厚數(shù)據進行歸一化處理，如表8 所示。當離子源加速電壓較大時，離子源電流變化對于膜層均勻性的影響降低，原因在于離子源加速電壓的提高改變了離子束中離子的分布，使得離子的空間分布趨于平緩，由于離子源電流增加而新增的離子均勻地分布在基板各處，離子源電流對于基板各處刻蝕速率的影響降低。因此，相較于離子源電流值的變化，離子源加速電壓的改變對于膜層均勻性的影響更大。

圖11 不同離子源參數(shù)下，SiO2單層膜的膜厚分布曲線Fig.11 Film thickness distribution curve of SiO2 monolayer film under different ion source parameters

表8 SiO2單層膜離子源參數(shù)Table 8 SiO2 monolayer membrane ion source parameters

3 實驗與分析

采用單層膜均勻性較好的工藝參數(shù)如表9 所示，在WMS-15 基板上進行多層膜試驗，鍍制過程中采用光學直接監(jiān)控方法進行膜厚的監(jiān)控，對基板實時光亮值信號進行采集，利用sin 曲線對采集的光亮數(shù)據進行擬合，計算當前層到達極值所需時間，根據擬合結果結束蒸鍍，此方法能夠精確地監(jiān)控膜厚，同時對環(huán)境噪聲的要求相對較小。對于耦合層，由于其光亮值變化較小，采用光學極值法監(jiān)控引入的誤差會比較大［15］，所以采用晶控平均厚度法，將與耦合層材料相同的前3 層膜的物理厚度加權平均，算出單位光學厚度對應的物理膜厚，作為該種材料的單位厚度，提高耦合層的監(jiān)控精度。在直徑為95 mm 的基板上沿直徑方向每隔2 mm取一個點，如圖12 所示。利用Agilent TLS 8164A 型光譜分析儀對鍍膜結果進行測量，基板上各測量點位的光譜曲線如圖13 所示，各點位中心波長差異為0.7 nm，通帶最大插入損耗為0.5～1.9 dB，通帶波紋在0.15～0.52 dB 之間，測量曲線與設計曲線存在一定差異。

圖12 測量點位及有效鍍膜面積計算方法示意圖Fig.12 Schematic diagram of calculating method of measuring point and effective coating area

圖13 光譜測試曲線Fig.13 Spectral test curve

表9 濾光膜離子源工藝參數(shù)Table 9 Process parameters of filter film ion source

改變離子源工藝參數(shù)，進行反復多次實驗，調節(jié)Ta2O5和SiO2兩種材料的厚度分布，最終兩種材料離子源參數(shù)如表10 所示。由于離子源參數(shù)的改變對兩種材料的光學常數(shù)存在一定影響，所以在此基礎上分別鍍制Ta2O5單層膜和SiO2單層膜，利用Macleod 軟件計算兩種材料在該離子源參數(shù)下的光學常數(shù)，如圖14 所示，將其帶入到膜系中并對膜系進行優(yōu)化。此外，采用逐腔鍍制的方法，每鍍完一個腔測量一次，并利用Macleod 軟件進行反演分析，發(fā)現(xiàn)鍍膜層數(shù)的增多會引起誤差的累積，導致每一個腔的最后兩層膜與設計存在較大差異，影響光譜曲線。通過修正耦合層的厚度來彌補每腔最后兩層的差異，調節(jié)光譜曲線。優(yōu)化后的膜系為：Sub|3L（HL）76L（LH）71.01L（HL）86L（LH）80.92L（HL）86L（LH）8L（HL）86L（LH）8L（HL）76L（LH）61.16H1.52L|Air。改進后基板上滿足DWDM 技術要求的點位的光譜曲線如圖15 所示，各光譜曲線中心波長差異為0.15 nm，光譜曲線的中心波長為1 557.26～1 557.41 nm，均在同一個通道內。各曲線通帶最大插入損耗在0.13～0.19 dB 范圍內，均小于0.2 dB，-0.2 dB 處通帶寬度約為 0.48 nm，通帶波紋在0.05～0.09 dB 之間。-13.5 dB 處帶寬約為0.81 nm，各曲線反射帶插入損耗均大于20 dB。通過計算光譜符合技術要求點位所在的圓環(huán)面積可知，有效鍍膜面積為2 123 mm2。

圖15 改進后濾光膜光譜曲線Fig.15 Improved filter film spectrum curve

表10 最終離子源工藝參數(shù)Table 10 Final ion source process parameters

圖14 材料光學常數(shù)Fig.14 Material optical constants

4 結論

本文根據Takashashi（熱膨脹應力）模型選擇WMS-15 作為基板，利用離子束刻蝕技術修正膜層均勻性，研究了離子源電壓、離子源電流和離子源加速電壓對Ta2O5和SiO2兩種材料膜層均勻性的影響。結果表明，隨著離子源加速電壓與離子源電壓的增大，膜層均勻性逐漸變好，隨著離子源電流的增大，膜層均勻性先變好后變壞；相較于離子源電流值的變化，離子源加速電壓的改變對于膜層均勻性的影響更大。利用Macleod 膜系設計軟件對實驗結果進行反演分析，調節(jié)前兩個耦合層厚度，通過改變離子源參數(shù)調節(jié)兩種材料的匹配，改善了通帶波紋和膜層均勻性，在滿足通帶最大插入損耗與通帶波紋均小于0.2 dB，反射帶插入損耗均大于20 dB 的同時有效鍍膜面積可達2 123 mm2。改進工藝參數(shù)，優(yōu)化膜系結構，在提高有效鍍膜面積的同時降低濾光膜插入損耗是今后研究工作的重點。