薄膜厚度测量设备与测量方法比较研究(4)
根据雕塑薄膜不同的用途，制备雕塑薄膜可以从基片角度分为两大类：
(1)在空白的基片(bare substrate)上沉积；
(2)在预成型的基(pre-Patterned substrate)上沉积。
2.2.1 在空白的基片上沉积雕塑薄膜
从雕塑薄膜制备伊始，雕塑薄膜一般都是沉积在普通的BK7玻璃基片或者单晶硅片上的。使用物理气相沉积时，首先调整蒸气流入射方向，使之与基片表面法线方向成一定的角度θ，然后按照一定速率ω旋转，基片由安装在真空系统内的步进电机控制， 由此可以得到不同形状的雕塑薄膜。
在随后的研究中，各国的研究者制备了不同形貌的雕塑薄膜，沉积方法从单一的基片倾斜和旋转衍生出了一系列具有代表性的方法。例如，Hodgkinson等人[7]提出的连续双沉积(Serial bideposition-SBD)方法(如图2.3所示)。该方法是当沉积角θ一定时，基片通过每旋转π就换向的方式沉积薄膜。该方法类似于在保持基片不旋转的情况下，沉积角θ按照-θ，+θ，-θ，+θ ……的方式变化。运用这种改进的技术沉积的薄膜，由于形成了新的柱体结构，而从较大程度上提高了薄膜的双折射性能。Ye等人[]提出的双相旋转沉积(Two—Phase substrate rotation)方法。在该方法中，选择一定的沉积角θ，基片在ψ和2π-ψ区域分别以 Rl和R2的速度旋转(Rl< R2)。通过调节基片在 ψ和2π-ψ区域的转速比，可以得到分散程度较好的倾斜柱状结构。但是由于蒸气流的各向异性以及在垂直于蒸气流的方向缺乏阴影效应，沉积的柱体的SEM照片中经常会观察到“扇出(fan-out)”形貌。Jensen和Brett等人[8]发明了PhiSweep法。在此方法中，固定基片倾角，让基片以图中虚线(sweep axis)为轴旋转一个角度，称为“掠过角(sweep angle)”。基片以轴为中心在两倍于掠过角的范围内来回旋转，以控制柱体的生长方向。当基片的转角到达两倍于掠过角的位置时，基片停止转动一段时间，在基片上沉积具有一定厚度的柱状结构，此厚度被称为“掠过斜度(sweep pitch)” 。沉积膜的孔分布由基片倾斜角度、掠过角度和掠过斜度所决定。通过该方法，可以制各出除圆形螺旋结构以外的各种雕塑薄膜。其最大的优点是以使得柱体的生长方向不依赖于蒸汽流方向，即使在相同的倾角和掠过角下，不同的掠过斜度就可以得到不同孔径分布的薄膜。因此该方法被认为是一种对薄膜孔径调节强有力的手段。在PhiSweep法后，Ye等人[9] 又对Two—Phase法作了进一步的改进，提出了不同于前两者的Swing旋转法(如图2.4所示)。图中θ为沉积角，β为柱状角，ψ为旋转角即“摇摆角(Swing angle)”，F为入射的蒸汽流方向。按照如图所示的角度进行分解后，可以发现，当基片以一定的速度ω在‘Swing angle’内旋转一个周期时，F∥y 在来回的旋转过程中，其作用相当于抵消，因而对沉积柱体方向起决定作用的只是F∥x ，F上和沉积角θ。运用Swing法制各薄膜时，可以同时固定基片倾角和摇摆角。基片在摇摆角之内匀速旋转，可以得到分布均匀的倾斜柱状结构和纳米螺旋结构。它相对于PhiSweep法的优势在于当摇摆角大于90°时，可以制各出分布均匀且没有捆扎效应的纳米结构；但是当摇摆角小于90°时，纳米柱体不再均匀分布，同时出现一定的捆扎效应。Swing法制各的薄膜没有Two—Phase法中的‘fan—out’形貌，薄膜柱体的柱状角也可以在0～60°问变化，其范围远远大于Two—Phase法中的0～40°的结果。因此，Swing法被认为是在磁学和光学领域制各形貌各异的纳米结构尤其是金属纳米结构的很有前途的方法之一。
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