本期簡要介紹低散射高反薄膜的設計及控制方法。

粗糙表面誘發散射。但光在薄膜內部是經過電場分佈調製的，可以認為電場強度為零的介面不會對總散射產生貢獻。因此，下文對控制薄膜散射的討論主要基於兩個方面。一是如何控制介面粗糙度，二是透過薄膜設計降低介面電場強度分佈。

1。 基板粗糙度

透過散射計算分析可知，薄膜散射損耗與長程粗糙度和相關長度有關。粗糙度的大小調製散射的大小。粗糙度越大，散射損耗越大。長程粗糙度的相關長度l調製散射方向。在長程粗糙度一定的條件下，相關長度越小，散射越趨向於漫反射，因此應儘量選擇相關長度較大的基底。

2。 薄膜製備方式

在表面粗糙度一定的情況下，儘可能將膜層生長介面製備成非相關，即每一層的表面特性儘可能不重複前一個介面。

在強離子輔助鍍膜條件下，膜層對基板表面的複製效應比其他技術更為明顯，膜層粗糙度表現為相關。同樣基板下，具有更大散射損耗。

3。 薄膜製備工藝

一般認為薄膜結晶是影響表面粗糙度的一個重要誘因。薄膜結晶與否，結晶後的晶粒大小如何，都會影響表面粗糙度。而薄膜的微觀結構與鍍膜具體工藝引數有關。

哈爾濱工業大學的董美玲等人研究過不同工藝Ti膜的粗糙度。採用直流磁控濺射工藝在Si晶圓片上鍍了1。3μm後的Ti膜。在充氣和偏壓等不變的條件下，僅改變沉積溫度，發現薄膜呈現了迥異的粗糙度。以下是用原子力顯微鏡AFM得到的微觀表面結構。

而表面粗糙度的這種趨勢和薄膜的結晶態息息相關。以下是對應薄膜的X射線衍射圖（XRD）。XRD是表徵薄膜晶態的一種手段。其中的尖峰可以反映薄膜的晶粒大小、晶相等資訊。在同等厚度下，衍射峰越尖銳，代表晶粒越大，衍射峰強度越大，代表結晶度越高。晶粒越大，結晶度越高，薄膜趨向于越粗糙。

4。 薄膜介面過渡層

在恆定的鍍膜條件具有更好的散射控制效果。日常鍍膜通常交替蒸發兩種膜料，兩種膜料一般具有不同的工藝引數。膜層之間切換時，不同的工藝引數會導致膜層在初始以及結束沉積時的鍍膜條件，不同於中間部分的沉積工藝，可能會引入介面過渡層，增大介面散射。對於介面問題，可以透過兩種方式解決。一是利用薄膜工藝輔助解決，二是改進鍍膜機結構和控制程式。後者依然是小編推崇的根本解決之道，考慮到製造業的智慧財產權問題，小編在這裡不會舉例說明，希望讀者諒解。

5。 薄膜打底層

在同一鍍膜條件下，採用不同的打底層，膜層生長會趨向不同的相關模型。與基板材料親潤性比較好的薄膜，有利於後續膜層趨向於非相關生長，從而得到更好的粗糙度。

下圖給出了同一基板、同一鍍膜條件下的膜層輪廓圖。唯一不同在於與基板接觸的第一層採用了不同的薄膜。可以發現第一層為A時，膜層輪廓呈現出明顯的基板複製效應。

6。 薄膜材料選擇

薄膜材料本身傾向於不同型別的微觀結構，因而具有不同的粗糙度行為。比如正常工藝條件下，相比Ta2O5薄膜，TiO2和HfO2薄膜趨向於具有更大的粗糙度。

7。 退火

退火導致薄膜分子二次遷移，可能會造成結晶態的變化。結晶晶粒大小會影響粗糙度。因此，退火可能會加大薄膜表面粗糙度，也可能會平滑薄膜表面。

曲阜師範大學的齊瑞雲等對電子束蒸發HfO2單層膜進行過退火實驗。電鏡圖a~d分別是不退火，250℃，300℃和400℃退火結果。可以看出，低溫退火可以降低表面粗糙度，隨著退火溫度升高，薄膜表面又會變得粗糙，甚至比未退火的樣品更粗糙。這個趨勢與Zygo干涉儀測量的RMS資料趨勢一致。

8。 薄膜設計

需要明確一點，光進入到薄膜內部時，其強度會經過薄膜內部的電場調製。無論是發生散射還是吸收，最終表現都是電場強度非零的這些膜層和介面的集體行為。對於表面散射，降低膜層介面處電場強度，就可以得到較小的散射值。

因此，不同的薄膜設計，雖然會具有類似的設計光譜，但卻會具有不同的散射效果。下面這些圖給出了膜堆 （HL）^20和 （0。7H1。3L）^20 0。7L的對比效果。600nm是兩個膜堆的參考波長，兩個膜堆在此處的光譜特性類似。但膜堆（0。7H1。3L）^20 0。7L在介面處的電場強度相對較小，因此在3D散射模擬中具有更好的低散射效果。

9。 總結

從控制粗糙度和薄膜設計兩方面對散射的控制方法進行了概述。

具體涉及膜料和基板型別，成膜方式，鍍膜工藝，打底層選擇，膜層介面過渡層和薄膜設計等。為了更直觀，引用了諸多科研工作者的成果，在此向文中作者表示感謝。

只有吸收和散射都得到有效控制，才能得到理想的低損耗薄膜。低損耗薄膜的設計和製備是個複雜的工程，其中的每個過程以及檢測方法都是個巨大的課題，至今有許多問題沒有得到明確解決。比如電場最佳化，至今沒有軟體可以推出自動最佳化的計算功能。比如10-4量級以上的吸收測試，散射測試，99。99%光譜測試等，僅依靠常規光譜儀無法測量這些指標。