PECVD低温制备TiO2/SiO2光波导薄膜结构的调控机理及其光学性能研究

TiO2/SiO2 composite film is the ideal material for the new generation of optical waveguide fabrication, because of the good structural and functional properties which are due to the effects of SiO2 and TiO2, respectively. These films can be fabricated by PECVD processes, and new-type structural material systems may be obtained through controlling the non-thermal equilibrium chemical reactions and plasma ion energy. However, during the deposition process, the tuning mechanisms for low temperature plasmas on the TiO2/SiO2 film microstructures have to be revealed. This can provide feedback to control the process parameters for the optimization of the film properties. In this project, the hierarchical optimization method will be conducted step by step， firstly the basic effect laws for the key process parameters on the film composition and structures will be studied; Then, go a further step, the important characteristics of dominant elements in low temperature plasmas will be non-interfering measured by using in-situ optical emission spectroscopy (OES) with high resolution of time and space, and the kinetic mechanisms in plasma gas phase should be analyzed. Meanwhile, changes in the atomic level in the microstructures during the film growth process will be detected from the dynamic monitoring by using high sensitive and accuracy in-situ spectroscopic ellipsometry (SE) method. And the tuning mechanisms between low temperature plasmas and growing film surface during the film deposition process will be investigated by combining the in-situ dynamic monitoring results from SE and OES; Finally, the relationship between structures and optical properties will be built by comparing the data from ex-situ spectroscopic ellipsometry with the results from numerical and theoretical calculation. And the comprehensive effect of film optical properties and microstructures on the optical transmission performance of film waveguide will be investigated. The results of this project can provide theoretical support for the design and fabrication of planar waveguides.

TiO2/SiO2复合薄膜兼顾SiO2的结构性和TiO2的功能性，是制备新一代光波导的理想材料。PECVD工艺可制备该薄膜，且经非热平衡反应和离子能量控制，能构建新型结构材料体系。但其中低温等离子体作用下SiO2改性TiO2结构的调控机理有待揭示，以有效反馈控制工艺实现性能优化。本项目采用分层次逐步式的优化方法，首先研究关键工艺参数对薄膜成分与结构的基本影响规律；然后进一步采用具有良好时间及空间分辨率的原位发射光谱技术（OES），表征等离子体主导基元的重要特性，分析气相动力学反应机制。同时利用高灵敏度高精准度的在线椭偏测量方法（SE），在原子级别捕捉薄膜生长过程中的结构演变。综合SE与OES结果，揭示低温等离子体对生长薄膜表面的作用机理；最终利用非原位椭偏光谱技术与数值理论计算对比的方法，构建结构与光学参量的关系，阐明二者综合效果对光传输特性的影响规律，为光波导的设计与制备提供理论支持。

本项目采用PECVD工艺制备TiO2/SiO2复合光波导薄膜，针对低温等离子体作用下SiO2改性TiO2的微观结构与光学参量的动态调控机理，以及结构与光学参量的综合效果对光波导性能的作用规律进行了深入研究。结果发现：富氧等离子体气氛中的离子能量和氧原子密度比例是薄膜结构与性能改善的主导基元。离子轰击能量的适当控制对到达基体表面物种的表面原子混合、迁移或扩散、物种的溅射和离子穿透方面具有显著影响。薄膜光学性能主要受化学成分影响，但在高能离子轰击下非晶局部可直接生成纳米金红石相，这对一些光学应用具有一定的指导意义。脉冲等离子体激发模式可以降低衬底温度小于100 ℃，但薄膜晶化受到阻碍甚至形成非晶相，同时折射率也会降低。等离子体中氧离子与中性离子比例减小可阻碍结晶，但可能减少了生长膜表面的有效O2+轰击从而影响形貌的均匀性并降低薄膜的折射率；利用动态高灵敏度椭偏光谱方法与原位等离子体发射光谱技术相结合的实时监控手段分析了低温等离子体中的活性粒子的动态损耗，发现金属有机物前驱体成分的改变对等离子体中电子密度无影响，放电后氧原子的消耗系数与其中前驱体的含量成正比。薄膜生长过程中分析等离子体气氛的瞬时改变对椭圆偏振参数的作用可以检验生长薄膜质量的稳定性和沿生长方向的均匀性，并发现复合薄膜的椭偏记录曲线随厚度增加而闭合并重复轨迹。在低温等离子体作用下Si-O的植入将改变生长薄膜的表面应力并影响薄膜形貌，而且硅原子比钛原子的沉积速率大，对钛原子的扩散起到了阻碍作用，延迟TiO2微晶的成核生长；针对椭偏光谱测量，通过构建多层结构的物理模型并结合Tauc-Lorentz色散模型，对不同成分复合薄膜的光学常数进行了成功拟合。研究薄膜微观结构和光学参量的综合作用对最终信息传导效果的影响，发现虽然在TiO2中添加SiO2导致其光学折射率有所下降，但复合薄膜的微观结构更加均匀，而且形成的非晶态更有利于减少光学损失，所以从综合效果分析这样更适合作为光波导材料。