CN101713061A - 电子束制备HfO2/SiO2多层反射膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子束制备HfO2/SiO2多层反射膜的方法，1)用金属颗粒代替镀膜材料氧化铪(HfO2)，采用扫描电子束结构。金属铪在电子束轰击下，在电子枪坩锅内全部融化，不会因电子束弯曲和能量不均匀造成材料中隧道，使膜层产生缺陷。2)用石英玻璃片代替SiO2颗粒，采用高速扫描电子束结构和环行坩锅，在电子束轰击和环行坩锅连续转动下，石英玻璃片均匀蒸发，不会因电子束打在SiO2颗粒缝穴间和能量不均匀造成材料中隧道，使膜层产生缺陷。3)使用离化的带有100-200eV能量的离子束轰击蒸发膜层，离化氧离子使膜层充分氧化，形成完整化学计量比膜层，有效消除吸收。
Description
技术领域
本发明涉及反射膜，尤其是涉及一种电子束制备HfO2/SiO2多层反射膜的方法。
背景技术
激光约束聚变激光驱动器是解决未来能源的关键系统，意义非常重大。目前世界上激光约束聚变驱动器是钕玻璃固体激光器，基频波长为1053nm，倍频和三倍频激光为526nm和351nm。其中用于驱动器光学反射镜的反射膜采用氧化铪和氧化硅多层反射膜。在当前的激光驱动器高反射膜制备中采用电子束反应蒸发技术制备其高反射膜。光学薄膜是激光器系统最薄弱环节，是激光驱动器提高输出功率或能量的技术瓶颈。电子束蒸发HfO2/SiO2多层反射膜由于氧化铪和氧化硅材料的蒸发特性造成光学薄膜缺陷，高反射膜抗激光损伤阈值只有5-J/cm2@1053nm，3ns，不能满足未来大型激光驱动器光学镜膜层抗激光损伤的需求。目前的电子束制备HfO2/SiO2多层反射膜技术不足分析
1、电子束蒸发技术
图1是所用电子枪蒸发源简图。在高真空镀膜机中真空度可以到达4X10-4Pa以下，高折射率材料Ta2O5，HfO2和低折射率材料SiO2膜层淀积由电子束蒸发源完成，使用光学监控和石英晶体监控仪控制厚度和速率。为减小膜层吸收损耗，用反应淀积技术，镀膜参数设置为：背景真空度8X10-4Pa以下，基板加温300℃，Ta2O5，HfO2淀积速率0.1-0.15nm/s，SiO2淀积速率0.2-0.3nm/s，Ta2O5镀膜时氧压2X10-2Pa，SiO2镀膜时氧压1.3X10-2Pa，HfO2镀膜时氧压1.6X10-2Pa，全膜系镀制时间约11小时。图2是H4411II镀膜机系统示意图。图中指出了电子枪、热蒸发源、加温烘烤、工件装夹行星夹具和光学膜层厚度监控结构和位置。
2、电子束蒸发氧化物HfO2膜产生缺陷原因分析
A、结核缺陷模式
HfO2膜层结构中结核缺陷表现为其形貌(结构组织)不连续，尺寸大小为微米量级。LLNL的损伤测试小组发现结核缺陷密度和高峰值功率激光损伤阈值(DT)之间是反比关系。最近的DT’s研究指出，结构缺陷实际上是高功率激光能量密度最为敏感的膜层部分，结核缺陷产生有许多物理因素，现考虑仅限于电子束蒸发HfO2引起的缺陷，考虑的两种机理是温度引起的固态相变和截留气体(entrapped-gas)爆炸[13-14]，其它粒子或基板引起的机理不予考虑。
(1)、温度引起相变模式
在1700℃左右，纯HfO2(不稳定)由单斜晶转变为四角晶结构，同时伴随3.8％的体积变化。这种温度诱发的相变造成材料应力释放，因此从蒸发源中喷射出粒子是可能的。在蒸发过程中，水冷坩锅(100℃)到蒸发材料表面顶部(2200℃)之间存在温度梯度。当电子束在蒸发源表面扫描时，1700℃等温区服从电子束扫描模式，在HfO2将经历温度诱发相变，电子束在蒸发源上的每次移动，都可能喷射出粒子，为了测试这种模式(假设)，进行了各种源材料蒸发实验，其中有些材料对温度诱发相变产生的应力是很敏感的，有些材料不灵敏，金属Hf和掺Y2O3的HfO2蒸发材料未表现出温度诱发相变，而其它HfO2材料表现出温度诱发相变。
(2)、截留气体爆炸模式
用于电子束蒸发的HfO2片不具备块状材料的密度，它包含大量针孔。一般圆片材料是在高温高压下由HfO2粉末烧结而成，在烧结过程中，HfO2圆片中的针孔可能会吸附烧结炉中存在的气体，在蒸发过程中，强热可以造成吸附气体在圆片中爆裂，把粒子发送到基板上，如果这是缺陷产生机理的话，蒸发金属Hf应使结核缺陷密度降至最低，低密度圆片制备的膜层缺陷密度比高密度圆片高。
B、原子缺陷模式
即使蒸发材料是完全氧化物，在反应电子束蒸发过程中，改变淀积条件会得到非化学计量比氧化物膜层，电子束蒸发使坩锅中氧化物材料分解，外部馈入O2进入真空室补偿蒸发源失去的O2，如果熔化的金属元素密度比液氧重，蒸发表面将被氧化，但是，在氧化物分子蒸发期间，液相-汽相界面的动态情况不妨碍金属原子蒸发，当其金属原子被完全氧化前被埋置到膜层之中，就可能产生非化学计量比氧化物膜层的原子缺陷，相信金属氧化物的原子缺陷产生模式适用于HfO2，为增加镀膜面氧化动能，最好用激活氧作反应气体。
当蒸发材料为Si，Ti，Ta，Al，La等金属次氧化物时，用激动活氧淀积会降低这些氧化物吸收，O2通过阴极放电室加速到基片上，合成品由化学氧(激活氧)构成，激活氧使更多膜层材料氧化，另一种情况是O2单体是激活氧之一，在纯Si上测试时，O2单体的粘滞系数比O2分子高10-100倍，如果在其它金属表面粘滞系数与Si具有相同数量级，则氧化动能得到增强。在本工作中，O2通过质量流量计通过一分布无数小孔的环状铜管直接从蒸发源坩锅附近向工件上喷射，使蒸发原子在从蒸发源到工件的路径上发生化学反应，使膜层形成化学计量比膜，减小膜系损耗。
3、电子束蒸发氧化物HfO2/SiO2工作方式
在激光约束聚变(ICF)光学镜高反射膜中，HfO2，SiO2镀膜材料为颗粒状(1-3mm大小)，蒸发中各个方面造成薄膜缺陷和吸收，使膜层抗激光损伤阈值不高。
(1)HfO2材料局部融化，电子束不均匀造成隧道效应，在蒸发中，随膜层厚度变化，蒸发蒸汽束云团发生变化，造成膜层厚度分布变化。
(2)HfO2材料局部融化，在镀膜材料中形成温度梯度，造成材料喷渐，在膜层中形成缺陷。
(3)蒸发中，氧化物在高温下分解失去氧原子，造成膜层化学计量比不足，使膜层吸收增加。反应电子束蒸发用原子氧，不能使氧化物完全氧化，不能彻底消除吸收。
(4)SiO2属于升华材料，在电子束蒸发中存在与HfO2共同特性。
发明内容
为了克服电子束蒸发氧化物HfO2/SiO2多层膜的不足，本发明提出新的离子束辅助反应蒸发新方法，即一种电子束制备HfO2/SiO2多层反射膜的方法，具体技术方案为：
在电子束蒸发镀膜机中加入离子源，在氧化物蒸发过程中，用氧离子束轰击蒸发膜，具体方法为：
1)、用金属颗粒代替镀膜材料氧化铪(HfO2)，采用扫描电子束结构。金属铪在电子束轰击下，在电子枪坩锅内全部融化，不会因电子束弯曲和能量不均匀造成材料中隧道，使膜层产生缺陷。
2)、用石英玻璃片代替SiO2颗粒，采用高速扫描电子束结构和环行坩锅，在电子束轰击和环行坩锅连续转动下，石英玻璃片均匀蒸发，不会因电子束打在SiO2颗粒缝穴间和能量不均匀造成材料中隧道，使膜层产生缺陷。
3)、使用离化的带有100-200eV能量的离子束轰击蒸发膜层，离化氧离子使膜层充分氧化，形成完整化学计量比膜层，有效消除吸收。
附图说明
图1是电子束蒸发电子枪工作示意图；
图2是电子束蒸发高真空镀膜机原理图；
图3是电子束卷曲是磁场强度设计不够的结果的示意图；
图4是电子束功率密度不一致证明的示意图；
图5是由于不能使接近电子束轰击点材料熔化，材料局部蒸发形成隧道的示意图；
图6为电子束蒸发造成SiO2蒸汽分布变化的示意图。
具体实施方式
一种电子束制备HfO2/SiO2多层反射膜的方法，在电子束蒸发镀膜机中加入离子源，在氧化物蒸发过程中，用氧离子束轰击蒸发膜，如图2中离子源放置在两电子束中间，具体方法为：
1)、用金属颗粒代替镀膜材料氧化铪(HfO2)，采用扫描电子束结构，所述扫描电子束结构可以采用现有技术，金属铪在电子束轰击下，在电子枪坩锅内全部融化，不会因电子束弯曲和能量不均匀造成材料中隧道，使膜层产生缺陷。电子枪坩锅可以采用现有技术。
2)、用石英玻璃片代替SiO2颗粒，采用高速扫描电子束结构和环行坩锅，高速扫描电子束结构和环行坩锅可以采用现有技术，在电子束轰击和环行坩锅连续转动下，石英玻璃片均匀蒸发，不会因电子束打在SiO2颗粒缝穴间和能量不均匀造成材料中隧道，使膜层产生缺陷。
3)、使用离化的带有100-200eV能量的离子束轰击蒸发膜层，离化氧离子使膜层充分氧化，形成完整化学计量比膜层，有效消除吸收。
在本发明中，采用膜系Sub/(HL)13H 2L/Air结构，H-HfO2，L-SiO2，Sub-基片(石英玻璃或K9玻璃)，Air-空气。电子枪为LEYBOLD公司ESV14，离子源为VEECO公司MARK HO离子源。真空镀膜机为H4411II(南光机器厂)。真空室直径1100mm，高度1100mm，工件盘为6行星盘结构。ESV14电子枪功率10kw，高压-10kV。MARK HO离子源阳极电流流5A，能量95eV。
蒸发材料金属铪纯度：99.5％，
石英玻璃片纯度：99.995％
正入射条件下，多层高反射膜反射镜样品测试结果为：
膜层反射率R＝99.965％@1053nm
吸收率A＝50ppm
抗激光损伤阈值：19.5J/cm2@1053nm，1ns。
Claims (1)
1.一种电子束制备HfO2/SiO2多层反射膜的方法，其特征在于：在电子束蒸发镀膜机中加入离子源，在氧化物蒸发过程中，用氧离子束轰击蒸发膜，其方法为：
1)、金属铪在电子束轰击下，在电子枪坩锅内全部融化；
2)、石英玻璃片在电子束轰击和环行坩锅连续转动下，石英玻璃片均匀蒸发；
3)、使用离化的带有100-200eV能量的离子束轰击蒸发膜层，离化氧离子使膜层充分氧化，形成完整化学计量比膜层。
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