CN106835020B - 降低氧化铪-氧化硅多层膜表面粗糙度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种降低氧化铪‑氧化硅多层膜表面粗糙度的方法，使用HfO2‑SiO2混合膜层取代多层膜中每一层纯HfO2膜层，蒸镀完SiO2膜层后，电子束同时蒸发HfO2膜料和SiO2膜料，HfO2和SiO2膜料沉积速率的比例大于4:1。本发明能够大幅降低HfO2‑SiO2多层膜表面粗糙度，而且不会影响光谱和损伤阈值等性能。

Description

降低氧化铪-氧化硅多层膜表面粗糙度的方法
技术领域
本发明涉及电子束蒸发镀膜，特别是一种降低氧化铪(HfO2)-氧化硅(SiO2)多层膜表面粗糙度的方法。
背景技术
光学薄膜中的散射损耗是影响薄膜性能的重要因素之一，在短波光学特别是软X射线光学领域，多层膜反射镜的反射率与镜面的均方根(RMS)粗糙度有着密切的关系，随着表面均方根粗糙度的增大，镜面反射率将急剧下降；在高功率激光器装置中，由于极小的光散射引起的光损耗导致激光系统中杂散光增加，并影响整个激光系统的输出功率。
HfO2是目前制备高功率激光(纳秒脉冲)多层膜元件中最常用的高折射率镀膜材料，因其具有相对较高的激光损伤阈值、优良的热稳定性和化学稳定性，以及从紫外到红外的大的光学透明区域。HfO2-SiO2多层膜也是高功率激光(纳秒脉冲)的常用多层膜元件。在诸多的沉积技术之中，电子束蒸发技术是目前国内外制备大型高功率激光装置中大尺寸薄膜元件最常用的制备方法。然而，电子束蒸发镀膜技术制备的薄膜具有多孔性，使得制备出的多层膜表面粗糙度较高。这种膜层生长过程中的固有粗糙度目前并没有有效的降低方法。
发明内容
本发明提供一种降低HfO2-SiO2多层膜表面粗糙度的方法。该方法能够减小膜层粗糙度，而且不会影响光谱和损伤阈值等性能。
本发明的解决方案如下：
一种降低HfO2-SiO2多层膜表面粗糙度的方法，其特点在于：使用HfO2-SiO2混合膜层取代多层膜中每一层纯HfO2膜层，在蒸镀完SiO2膜层后，在蒸发第一蒸发源中的SiO2膜料的同时，蒸发第二蒸发源中的HfO2膜料，所述的HfO2和SiO2膜料沉积速率的比例大于4:1。
所述的降低HfO2-SiO2多层膜表面粗糙度的方法，包含以下具体步骤：
1)添加膜料：分别在第一蒸发源和第二蒸发源中添加HfO2膜料和SiO2膜料；
2)向计算机输入镀膜参数：HfO2-SiO2膜层中HfO2膜料的沉积速率υH-M和SiO2膜料的沉积速率υL-M，υH-M与υL-M的比例大于4:1，SiO2膜层膜料的沉积速率υL，监控波长λ，所需镀制的膜系，以及镀制膜系的各层光学厚度，输入的膜系中膜层代号前的系数表示该层膜的厚度系数，膜层的光学厚度等于所述的厚度系数乘以四分之一监控波长；
4)开机镀膜：
①计算机通过针并口向挡板开关控制电路发出信号，经右枪挡板控制器打开第二蒸发源挡板，开始蒸发SiO2膜料，镀SiO2膜层，第二晶振头探测SiO2的实际沉积速率υAL，晶控仪根据第二晶振头探测的实际沉积速率υAL，通过第二蒸发源反馈控制模块调节第二蒸发源的电子枪电流，直至实际沉积速率υAL等于设置的沉积速率υL；
②计算机采集并保存锁相放大器输出的监控片的透射率信号值，直到监控片上膜层光学厚度达到计算机所输入的设定光学厚度值，完成一个SiO2膜层蒸镀；
③计算机通过针并口向挡板开关控制电路发出信号打开第一蒸发源挡板，开始同时蒸发HfO2膜料和SiO2膜料，第一晶振头和第二晶振头分别探测HfO2的实际沉积速率υAH-M和SiO2的实际沉积速率υAL-M，晶控仪根据第一晶振头探测的实际沉积速率υAH-M，通过第一蒸发源反馈控制模块调节第一蒸发源的电子枪电流，直至实际沉积速率υAH-M等于设置的沉积速率υH-M；晶控仪根据第二晶振头探测的实际沉积速率υAL-M，通过第二蒸发源反馈控制模块调节第二蒸发源的电子枪电流，直至实际沉积速率υAL-M等于设置的沉积速率υL-M；
④计算机采集并保存锁相放大器输出的监控片的透射率信号值，当监控片上膜层光学厚度达到设定值时，完成一个HfO2-SiO2膜层蒸镀，通过针并口向挡板开关控制电路发出信号同时关闭第一蒸发源挡板；
⑤重复步骤①到④，完成多层膜的镀制。
本发明的技术效果：
实验表明，本发明所述的HfO2-SiO2混合膜层替代原有HfO2膜层后得到的HfO2-SiO2多层膜相比于原HfO2-SiO2多层膜，其表面粗糙度大幅降低。
附图说明
图1为本发明降低HfO2-SiO2多层膜表面粗糙度的方法采用的计算机控制镀膜装置的结构示意图。
图2是使用传统镀膜方法制备的HfO2-SiO2多层膜(左)与使用9:1比例HfO2-SiO2混合膜层取代多层膜中纯HfO2膜层后的HfO2-SiO2多层膜(右)表面粗糙度的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和结合附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1为本发明提高HfO2膜层折射率的方法采用的镀膜装置的结构示意图。由图可见，本发明使用的镀膜装置包括由光源发射系统18、监控片系统14、信号接收系统19和锁相放大器12四部分组成的光学膜厚监控系统，和带有控制程序的计算机30、挡板开关控制电路20。锁相放大器12通过自带的RS232串口34和带有控制程序的计算机30的第一串口29相连，计算机并口3的第2针、第3针通过屏蔽线经挡板开关控制电路20和第一蒸发源挡板控制器25、第二蒸发源挡板控制器27相连。第一晶振头21和第二晶振头38分别经第一阻抗匹配器22和第二阻抗匹配器37与晶控仪26相连，晶控仪26通过自带的RS232串口33和带有控制程序的计算机30的串口com2口32相连。晶控仪26通过自带的第一蒸发源反馈控制模块39和第二蒸发源反馈控制模块40，分别与第一蒸发源35和第二蒸发源24相连。
以HfO2膜料沉积速率υH和SiO2膜料沉积速率υL的比例等于9:1为例，说明本发明降低HfO2-SiO2多层膜表面粗糙度的方法。该方法包括下列步骤：
(1)添加膜料：分别在第一蒸发源35和第二蒸发源24中添加HfO2膜料和SiO2膜料；
(2)向计算机30输入镀膜参数：HfO2-SiO2膜层中HfO2膜料的沉积速率υH-M(0.14nm/s)和SiO2膜料的沉积速率υL-M(0.016nm/s)，SiO2膜层膜料的沉积速率υL(0.6nm/s)，所需镀制的膜系所需镀制的膜系为S/(HL)12H4L/A，监控波长λ(1064nm)；输入的膜系中字母H、L是膜层代号，字母前的系数表示该层膜的厚度系数，膜层的光学厚度等于厚度系数乘以四分之一监控波长。
(3)开机镀膜：
①计算机30通过25针并口31向挡板开关控制电路20发出信号，经右枪挡板控制器27打开第二蒸发源挡板36，开始蒸发SiO2膜料，镀SiO2膜层。第二晶振头38探测SiO2的实际沉积速率υAL，晶控仪26根据第二晶振头38探测的实际沉积速率υAL，通过第二蒸发源反馈控制模块40调节第二蒸发源24的电子枪电流，直至实际沉积速率υAL等于设置的沉积速率υL(0.6nm/s)；
②计算机30采集并保存锁相放大器12输出的监控片14的透射率信号值，直到监控片14上膜层光学厚度达到计算机30所输入的设定光学厚度值；
③计算机30通过25针并口31向挡板开关控制电路20发出信号打开第一蒸发源挡板23，开始同时蒸发HfO2膜料和SiO2膜料，第一晶振头21和第二晶振头38分别探测HfO2实际沉积速率υAH-M和SiO2的实际沉积速率υAL-M，晶控仪26根据第一晶振头21探测的实际沉积速率υAH-M，通过第一蒸发源反馈控制模块39调节第一蒸发源35的电子枪电流，直至实际沉积速率υAH-M等于设置沉积速率υH-M(0.14nm/s)；晶控仪26根据第二晶振头38探测的实际沉积速率υAL-M，通过第二蒸发源反馈控制模块40调节第二蒸发源24的电子枪电流，直至实际沉积速率υAL-M等于设置的沉积速率υL-M(0.016nm/s)；
④计算机30采集并保存锁相放大器12输出的监控片14的透射率信号值，当监控片14上膜层光学厚度达到设定值时，通过25针并口31向挡板开关控制电路20发出信号同时关闭第一蒸发源挡板23，开始蒸发SiO2膜料，镀SiO2膜层；
⑤重复步骤①到④，完成多层膜的镀制。
图2是利用传统方法制备的HfO2-SiO2多层膜(左)与本发明实施例使用9:1比例HfO2-SiO2混合膜层取代多层膜中纯HfO2膜层后的HfO2-SiO2多层膜(右)表面粗糙度的对比图。从图中可明显看出，用本发明方法制备的HfO2-SiO2多层膜的表面粗糙度明显低于使用传统镀膜方法制备的HfO2-SiO2多层膜的表面粗糙度，从2.5左右降低到1.6左右，表明了本发明方法的有效性。

Claims (2)

1.一种降低HfO2-SiO2多层膜表面粗糙度的方法，其特征在于：使用HfO2-SiO2混合膜层取代多层膜中每一层纯HfO2膜层，在蒸镀完SiO2膜层后，在蒸发第一蒸发源中的SiO2膜料的同时，蒸发第二蒸发源中的HfO2膜料，所述的HfO2和SiO2膜料沉积速率的比例大于4:1。
2.根据权利要求1所述的降低HfO2-SiO2多层膜表面粗糙度的方法，其特征在于该方法包含以下具体步骤：
1)添加膜料：分别在第一蒸发源(35)和第二蒸发源(24)中添加HfO2膜料和SiO2膜料；
2)向计算机(30)输入镀膜参数：HfO2-SiO2膜层中HfO2膜料的沉积速率υH-M和SiO2膜料的沉积速率υL-M，υH-M与υL-M的比例大于4:1，SiO2膜层膜料的沉积速率υL，监控波长λ，所需镀制的膜系，以及镀制膜系的各层光学厚度，输入的膜系中膜层代号前的系数表示该层膜的厚度系数，膜层的光学厚度等于所述的厚度系数乘以四分之一监控波长；
3)开机镀膜：
①计算机(30)通过针并口(31)向挡板开关控制电路(20)发出信号，经右枪挡板控制器(27)打开第二蒸发源挡板(36)，开始蒸发SiO2膜料，镀SiO2膜层，第二晶振头(38)探测SiO2的实际沉积速率υAL，晶控仪(26)根据第二晶振头(38)探测的实际沉积速率υAL，通过第二蒸发源反馈控制模块(40)调节第二蒸发源(24)的电子枪电流，直至实际沉积速率υAL等于设置的沉积速率υL；
②计算机(30)采集并保存锁相放大器(12)输出的监控片(14)的透射率信号值，直到监控片(14)上膜层光学厚度达到计算机(30)所输入的设定光学厚度值，完成一个SiO2膜层蒸镀；
③计算机(30)通过针并口(31)向挡板开关控制电路(20)发出信号打开第一蒸发源挡板(23)，开始同时蒸发HfO2膜料和SiO2膜料，第一晶振头(21)和第二晶振头(38)分别探测HfO2的实际沉积速率υAH-M和SiO2的实际沉积速率υAL-M，晶控仪(26)根据第一晶振头(21)探测的实际沉积速率υAH-M，通过第一蒸发源反馈控制模块(39)调节第一蒸发源(35)的电子枪电流，直至实际沉积速率υAH-M等于设置的沉积速率υH-M；晶控仪(26)根据第二晶振头(38)探测的实际沉积速率υAL-M，通过第二蒸发源反馈控制模块(40)调节第二蒸发源(24)的电子枪电流，直至实际沉积速率υAL-M等于设置的沉积速率υL-M；
④计算机(30)采集并保存锁相放大器(12)输出的监控片(14)的透射率信号值，当监控片(14)上膜层光学厚度达到设定值时，完成一个HfO2-SiO2膜层蒸镀，通过针并口(31)向挡板开关控制电路(20)发出信号同时关闭第一蒸发源挡板(23)；
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