CN103882385A - 一种提高氧化物薄膜抗激光损伤阈值的蒸镀方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄膜光学领域，具体涉及一种提高氧化物薄膜抗激光损伤阈值的蒸镀方法。主要针对抗激光薄膜中引起损伤发生的关键因素——薄膜中的吸收及缺陷。通过在蒸发源与基板之间添加隔离挡板，阻挡并吸附无效的蒸发材料，减少了基板附近的污染，降低了薄膜缺陷形成的几率；在真空室导入氧化能力比普通分子态氧气和离子氧更强的氧自由基，使氧自由基气体略入射基板表面，使得沉积材料在高真空条件下充分氧化成为了可能，降低了薄膜的吸收，从而得到阈值更高的氧化物薄膜。此方法不但保留了电子束热蒸发方法镀制激光薄膜独特的有利的性能又同时改善了薄膜的本征吸收和缺陷密度；具有针对性强、品质高、简单易行的特点。

Description

一种提高氧化物薄膜抗激光损伤阈值的蒸镀方法

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种提高氧化物膜抗激光损伤阈值的蒸镀方法。

背景技术

各种各样的光学玻璃零件是强激光系统的基础，其损伤阈值及损伤特性是限制强激光技术进一步发展的重要瓶颈，更是影响激光系统稳定性和使用寿命的重要因素之一。而光学玻璃零件的抗激光损伤特性与其上的薄膜息息相关。对薄膜纳秒脉冲损伤机制的研究表明，薄膜的吸收和缺陷是引起损伤的主要因素。

薄膜的吸收主要是由于膜料在基板沉积时氧化不充分引起的。影响吸收的工艺因素主要有：蒸发方式，基板沉积温度，氧化气体和蒸发速率。现有实验已经证明电子束蒸发是获得高阈值薄膜的首选蒸发技术；适当的烘烤基板和采用尽可能低的蒸镀速率，都有利于膜料分子在基板沉积时的获得较好的氧化计量比；常规的反应气体是分子态的氧气或离子态的氧气，这两种气体的氧化能力都比较弱，为了使膜料分子充分氧化，就必须在真空室内导入尽可能多的氧气，其结果就是薄膜在低真空状态下生长，不仅微观缺陷较多，而且缺陷与周围薄膜的界面机械强度很弱，当强激光照射时，很容易成为损伤的起源点；图1是传统的蒸发示意图，可以发现导入真空室的氧气流通常正对着蒸发源，加大了膜料分子在飞向基板途中碰撞的几率，降低了膜料分子在基板的迁移率，更容易形成结构缺陷，对于没有碰撞直接与基板接触冷凝的分子，则因为远离氧气源而无法有效快速氧化，加剧了薄膜的吸收。

从图1中同样可以看出：传统蒸发方式飞出的膜料分子，不仅沉积在基板区域，而且会在基板附近的部件上吸附。这些沉积在部件上的膜料非常疏松，大气状态下会吸收大量的水分和灰尘颗粒，在高真空下会再次释放出来；这些部件距离沉积区的基板很近，使得这些水分或颗粒可以很轻易的污染薄膜，形成节瘤等缺陷，降低薄膜的阈值。

针对传统蒸发的上述缺点，最有效的能够提升其损伤阈值的方式应该主要集中在两点：一是改善氧化气体的种类和导入方式，提高膜料分子的氧化效率，进一步降低薄膜的吸收，二是控制蒸发源的蒸发角度，使基板以外区域不被膜料分子污染，从根本上切断真空中薄膜生长的污染源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高氧化物膜抗激光损伤阈值的蒸镀方法，该方法可以极大降低薄膜的吸收，减小薄膜中缺陷的密度，从而大幅度提高氧化物薄膜的抗激光损伤阈值，而且具有针对性强、品质高、简单易行的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种提高氧化物膜抗激光损伤阈值的蒸镀方法，具体步骤如下：

(1)将基板清洗干净，然后利用高纯氮气吹干后放入镀膜机内；

(2)控制镀膜机内真空室的本底真空度为1×10^-4Pa，将基板加热至200-300度，并恒温80-120分钟；

(3)用电子束蒸发膜料，通过挡板控制控制蒸发角度，使膜料仅沉积在基板范围内。挡板所处平面在蒸发源正上方20cm处，与蒸发源平行；挡板中间开孔，使得从孔内飞出的膜料分子仅能沉积在基板所在区域；膜料分子在基板上的沉积速率在0.01-0.05nm／s之间；

(4)在蒸发膜料的同时，向真空室内导入氧自由基作为反应气体；流量不小于4×10¹⁵原子数／(cm²s)；氧自由基气体以80度角入射并覆盖基板表面。

(5)镀膜结束后，待真空室冷却至室温后取出镀制好的样品。

(6)待真空室冷却至室温后取出镀制好的样品。

本发明中，所述的基板可以是光学玻璃，也可以是晶体。

本发明中，步骤(3)中所述采用电子束蒸发方式时蒸发膜料是金属铪或二氧化铪。

本发明的核心主要有三点：

首先，以氧自由基为氧化气体。传统的氧化气体为分子态的氧气，它的优点是容易制备，缺点是氧化能力弱，氧化效率低，薄膜只有在低真空下才有可能充分氧化。而氧自由基的氧化能力则远远强于分子态的氧气，高真空下即可充分氧化。而高真空成膜，有利于获得高纯薄膜，得到阈值较高的薄膜。

其次，改变氧化气体的导入方式，使氧气气体以略入射方式覆盖基板表面。真空蒸发的膜料分子的自由程通常远大于蒸发源到基板的距离，因此，蒸发源飞出的膜料分子通常不经过碰撞即直接沉积在基板上，传统氧气通常在蒸发源附件导入，导致基板附件氧化气体分布稀少，不利于沉积薄膜的氧化反应。将氧自由基气体以略入射方式(通常入射方向与基板法线呈80度角)覆盖基板，如图2所示，大部分氧化气体就会聚集在基板表面，形成了一层薄的氧化气体层，膜料分子必须经过此气体层才能与基板接触，加大了膜料分子在基板沉积时与氧化气体发生反应的几率，提高了氧化效率，有利于降低薄膜的吸收。

最后，挡板的引入，可以最大限度保证真空腔的清洁。在图1所示传统的蒸发中，有一部分膜料分子没有沉积在基板上，而是沉积在了靠近基板的周围部件上，这些沉积在部件上的膜料会成为薄膜继续生长时结构缺陷的污染源。在蒸发源上方20cm处加一挡板，如图2所示，可控制蒸发源的蒸发角度，使挡板上方飞出的膜料分子仅能沉积在基板上，就避免了部件被污染的可能。

综上所述，通过改变膜料蒸发时的蒸发角度，氧化气体的种类和导入方式，提高了氧化物薄膜氧化的效率，降低了薄膜的吸收，同时高真空成膜也使薄膜内缺陷的密度得到了有效的控制和优化，最终能够显著提高氧化物薄膜的损伤特性和损伤阈值。

本发明的技术效果如下：

1.可有效降低薄膜的本征吸收。对比传统蒸发的氧化物薄膜，可使薄膜在355nm的消光系数有明显降低。

2.可有效降低薄膜内缺陷的密度。对比传统蒸发的氧化物薄膜，显微镜观察发现缺陷密度有明显降低。

3.可有效提高薄膜的抗激光损伤阈值。对比传统蒸发的氧化物薄膜单层膜，用纳秒脉冲辐照时，薄膜阈值有明显提高。

4.本发明方法简单易行。挡板结构简单易造。氧自由基发生器在市场上已有比较成熟的产品，气体导入角度简单易控。

5.本发明方法针对性强、品质高、效率快。直接换用氧化效率更高的氧自由基，略入射方式保证在基板表面的氧化反应区有充足的氧化气体，确保薄膜充分氧化；引入挡板，遮挡蒸发源飞出的无效膜料，确保了薄膜生长不会被二次污染。

附图说明

图1：传统蒸发示意图。分子态氧气从真空腔的下部导入，气流方向与蒸发源平面平行，正对蒸发源。蒸发角度很大，真空腔上部除基板外的部件也会被镀上薄膜。

图2：本发明的蒸发示意图。由氧自由基发生器提供氧化气体，从真空腔上部导入气体，气流以80度角入射在基板表面，在表面形成一气流层。居于蒸发源正上方20cm处的挡板限制了蒸发角度，使得真空腔上部除基板外不会沉积膜料分子。

具体实施方式

通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

以石英玻璃作为基板，首先将其放入清洗液中超声清洗7分钟，再用去离子水洗净，取出后用高纯氮气吹干，然后放入镀膜设备中工件架上；控制镀膜机内真空室的本底真空为1×10^-4Pa；将基板加热至220度，并恒温100分钟后，采用电子束热蒸发的方式镀制金属Hf，蒸发速率为0.015nm／s；80度角导入氧自由基气体，流量为4.5×10¹⁵原子数／(cm²s)镀膜结束，待真空室冷却至室温后取出镀制好的样品。

与传统蒸发制备的薄膜进行对比研究发现：此方法蒸镀的薄膜在355nm的消光系数，从传统蒸发的2.6×10^-4降低到1×10^-5左右，缺陷密度从17个／mm²降低到了2个／mm²，纳秒脉冲的抗激光损伤阈值从5J／cm²提高到了8J／cm²。

实施例2：

以石英玻璃作为基板，首先将其放入清洗液中超声清洗7分钟，再用去离子水洗净，取出后用高纯氮气吹干，然后放入镀膜设备中工件架上；控制镀膜机内真空室的本底真空为1×10^-4Pa；将基板加热至200度，并恒温90分钟后，采用电子束热蒸发的方式镀制二氧化铪，蒸发速率为0.02nm／s；80度角导入氧自由基气体，流量为4.0×10¹⁵原子数／(cm²s)；镀膜结束，待真空室冷却至室温后取出镀制好的样品。

与传统蒸发制备的薄膜进行对比研究发现：此方法蒸镀的薄膜在355nm的消光系数，从传统蒸发的2×10^-4降低到1×10^-5左右，缺陷密度从24个／mm²降低到了4个／mm²，纳秒脉冲的抗激光损伤阈值从4.3J／cm²提高到了7.7J／cm²。

Claims (6)

1.一种提高氧化物薄膜抗激光损伤阈值的蒸镀方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

(1)将基板清洗干净，然后利用高纯氮气吹干后放入镀膜机内；

(2)控制镀膜机内真空室的本底真空度为1×10-4Pa，将基板加热至200-300度，并恒温80-120分钟；

(3)用电子束蒸发膜料，通过挡板控制控制蒸发角度，使膜料仅沉积在基板范围内。

(4)在蒸发膜料的同时，向真空室内导入氧自由基作为反应气体；

(5)镀膜结束后，待真空室冷却至室温后取出镀制好的样品。

2.根据权利要求1所述的蒸镀方法，其特征在于步骤(3)中的挡板所处平面在蒸发源正上方20cm处，与蒸发源平行；挡板中间开孔，使得从孔内飞出的膜料分子仅能沉积在基板所在区域。

3.根据权利要求1所述的蒸镀方法，其特征在于步骤(3)中膜料分子在基板上的沉积速率为0.01-0.05nm／s。

4.根据权利要求1所述的蒸镀方法，其特征在于步骤(4)中的氧自由基气体由氧自由基发生器提供，流量不小于4×1015原子数／(cm2s)；氧自由基气体以80度角入射并覆盖基板表面。

5.根据权利要求1所述的蒸镀方法，其特征在于所述的基板是光学玻璃或是晶体。

6.根据权利要求1所述的蒸镀方法，其特征在蒸发膜料是金属铪，二氧化铪或氧化锆。

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