CN111609810B - 一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，属于真空镀膜技术领域，主要针对离子束刻蚀玻璃基板，除去玻璃基板亚表面缺陷，提高玻璃基板及玻璃基板上沉积光学薄膜的抗激光损伤阈值和使用寿命的技术实施过程中，从离子束刻蚀玻璃基板精确控制和避免高能离子源长时间工作造成玻璃基底重金属离子污染角度而言，需要精确确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度，从而提高高能离子束对玻璃基板刻蚀效率。

Description

一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法
技术领域
本发明涉及真空镀膜技术领域，特别涉及一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法。
背景技术
玻璃基板的质量是影响激光装置的关键因素，以往对玻璃基板质量优劣的评价标准主要包括面形、粗糙度以及表面疵病等，但随着激光装置运行通量的逐步提升，激光损伤问题使得玻璃基板的亚表面缺陷指标备受关注。玻璃基板的亚表面缺陷主要指玻璃基板在传统的机械-化学抛光过程中产生的隐藏在玻璃基板亚表面处的划痕或裂纹以及抛光残留污染物料等，其分布深度一般高达数百纳米。以往的研究表明，玻璃基板的亚表面缺陷是激光装置中增透膜和偏振分光膜激光损伤的主要因素。如果能有效地除去玻璃基板的亚表面缺陷，玻璃基板上制备的增透膜和偏振分光膜的抗激光损伤阈值能获得至少2倍以上的提高。因此，研究除去玻璃基板亚表面缺陷的技术方法至关重要。
目前，用于除去玻璃基板亚表面缺陷的方法主要有磁流变抛光、化学刻蚀、离子束刻蚀、等离子体刻蚀和激光预处理等技术。其中，最为成功的方法为离子束刻蚀技术，其工作原理是采用一定能量的离子束流溅射玻璃基板表面的原子或者分子去除材料，以获得具备理想表面的玻璃基板。与传统的机械-化学抛光加工方法不同，离子束刻蚀是一种非接触式技术，能获得超光滑的表面，并且具有很好的各向同性，对玻璃基板损伤小，刻蚀深度可控性强。另外，据文献报道离子束长时间刻蚀玻璃基板会造成玻璃基板亚表面重金属离子污染，影响玻璃基板以及玻璃基板上制备的光学薄膜的抗激光损伤特性。因此，从离子束刻蚀玻璃基板的精确控制、确定离子束刻蚀效率和减小离子束刻蚀过程中产生的重金属离子污染的角度出发，均需要准确确定离子束对玻璃基板的刻蚀深度。通常用于确定离子束对玻璃基板刻蚀深度的技术方法主要有光学轮廓仪和台阶仪，这两种方法在测定离子束刻蚀玻璃基板深度前均需要预制台阶，而且都存在测量精度低、重复性差的问题。因此，需要更加可靠的技术方法来确定离子束对玻璃基板的刻蚀深度。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，该方法确定离子束对玻璃基板刻蚀深度的精度可达亚纳米量级，而且具有实施简单、可重复性好的特点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，具体步骤如下：
步骤(1)、将玻璃基板清洗干净，然后放入镀膜机；
步骤(2)、封闭真空室门，开始抽真空；控制镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10-3Pa；
步骤(3)、采用物理气相沉积方法在玻璃基板上制备第一层介质薄膜，其物理厚度在20-400nm；然后采用物理气相沉积方法继续镀制第二层二氧化硅膜层，其物理厚度在200-2000nm，该层二氧化硅膜层折射率与玻璃基板折射率相近；
步骤(4)、待真空室冷却至室温后取出薄膜样品，并使用分光光谱仪对薄膜样品的光学性能进行表征，然后通过光谱反演方法确定第一层介质薄膜和第二层二氧化硅膜层在离子束刻蚀前的物理厚度；
步骤(5)、将薄膜样品清洗干净，然后放入镀膜机；
步骤(6)、封闭真空室门，开始抽真空；控制镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10-3Pa；
步骤(7)、设定高能离子源工作参数，并对制备的薄膜样品进行高能离子束刻蚀处理，直至工作时间结束，停止离子束刻蚀；
步骤(8)、待真空室冷却至室温后取出样品，并使用分光光谱仪对刻蚀后薄膜样品的光学性能进行表征，然后通过光谱反演方法确定第一层介质薄膜和第二层二氧化硅膜层在离子束刻蚀后的物理厚度；
步骤(9)、通过比较高能离子束刻蚀前后第二层二氧化硅膜层的物理厚度变化，确定当前工艺参数下高能离子束对玻璃基板的刻蚀深度。
进一步地，所述的玻璃基底材料为熔融石英，包括远紫外石英、紫外石英和红外石英；
进一步地，所述的第一层介质薄膜的材料为氧化物、氟化物、硫化物或者硒化物；
进一步地，所述的第一层介质薄膜和第二层二氧化硅薄膜的物理气相沉积方式可以是离子辅助沉积、离子束溅射沉积或者磁控溅射沉积技术；
进一步地，所述的高能离子源可以是考夫曼(Kaufman)离子源、霍尔(Hall)离子源或者等离子体(APS)辅助源。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明与现有的使用轮廓仪和台阶仪确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度方法相比，不需要预制台阶，流程简便、可执行性强；
(2)本发明采用光谱反演的方法确定高能离子束刻蚀前后二氧化硅膜层物理厚度变化，该方法确定物理厚度精度可达亚纳米级，具有极高的测量精度和可重复性。
附图说明
图1为玻璃基板上依次沉积第一层介质薄膜和第二层二氧化硅膜层结构示意图；
图2为本发明公开的使用离子束刻蚀薄膜样品前后，薄膜样品实测和理论反演光谱数据；
图3为本发明公开的使用离子束刻蚀薄膜样品前后，薄膜样品第二层二氧化硅膜层物理厚度，由此确定当前工艺参数下，使用高能离子束对玻璃基板的刻蚀深度为125.2纳米。
图4为本发明通过比较高能离子束刻蚀前后第二层二氧化硅膜层的物理厚度变化。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示为本发明中确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度用的薄膜样品结构示意图。
通过具体实施例对本发明作进一步详细说明：
以JGS1石英玻璃作为基板0，首先将其清洗干净，然后放入镀膜机中的工件架上；封闭真空室门，开始抽真空；当镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10-3Pa，采用离子束辅助沉积方法在JGS1石英玻璃基板上制备第一层介质薄膜氧化铪1，设定物理厚度为50nm；接着采用离子束辅助沉积方法继续镀制第二层二氧化硅膜层2，设定物理厚度为1600nm，该层二氧化硅膜层折射率与JGS1石英玻璃基板折射率非常相近，从而保证高能离子束对JGS1石英玻璃基板的刻蚀深度与第二层二氧化硅膜层刻蚀深度一致。本实施例中真空镀膜制备的第二层二氧化硅折射率与JGS1石英玻璃基板折射率如图2所示。
待真空室冷却至室温后取出薄膜样品，并使用分光光谱仪对薄膜样品的光学性能进行表征，实测高能离子束刻蚀前薄膜样品在400-800纳米波段的透过率光谱如图3所示；然后通过光谱反演方法确定第一层介质薄膜和第二层二氧化硅膜层在离子束刻蚀前的物理厚度分别为48.6纳米和1585.4纳米，理论反演获得高能离子束刻蚀前薄膜样品的理论透过率光谱如图3所示，由图可见理论反演光谱和实测数据完全吻合，进而反映了光谱反演方法确定第一和第二膜层物理厚度的可靠性；
再来，将薄膜样品清洗干净，然后放入镀膜机；封闭真空室门，开始抽真空；当真空室的本底真空度小于1×10-3Pa；开启霍尔离子源对薄膜样品进行刻蚀处理，高能离子源发射的是氩离子氩气流量为20sccm，电压为700V，电流为400mA，高能离子源刻蚀时长设定为60分钟。直至工作时间结束，停止离子束刻蚀；
待真空室冷却至室温后取出样品，并使用分光光谱仪对刻蚀后薄膜样品的光学性能进行表征，实测高能离子束刻蚀后薄膜样品在400-800纳米波段的透过率光谱如图3所示；然后通过光谱反演方法确定第一层介质薄膜和第二层二氧化硅膜层在离子束刻蚀后的物理厚度分别为48.6纳米和1460.2纳米，理论反演获得高能离子束刻蚀后薄膜样品的理论透过率光谱如图3所示，由图可见理论反演光谱和实测数据完全吻合。
通过比较高能离子束刻蚀前后第二层二氧化硅膜层的物理厚度变化，如图4所示，确定当前工艺参数下高能离子束对JGS1石英玻璃基板的刻蚀深度为125.2纳米；同时获得当前工艺参数下高能离子束对JGS1石英玻璃基板的刻蚀速率为2.086纳米/分钟。进而可以通过调节高能离子束刻蚀时间实现对JGS1石英玻璃基板的刻蚀深度精密控制，减少高能离子源长时间工作过程中对玻璃基板引入的重离子污染。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤（1）、将玻璃基板清洗干净，然后放入镀膜机；
步骤（2）、封闭真空室门，开始抽真空；控制镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10- 3Pa；
步骤（3）、采用物理气相沉积方法在玻璃基板上制备第一层介质薄膜，其物理厚度在20-200纳米；然后采用物理气相沉积方法继续镀制第二层二氧化硅膜层，其物理厚度在200-2000纳米，该层二氧化硅膜层折射率与玻璃基板折射率相近；
步骤（4）、待真空室冷却至室温后取出薄膜样品，并使用分光光谱仪对薄膜样品的光学性能进行表征，然后通过光谱反演方法确定第一层介质薄膜和第二层二氧化硅膜层在离子束刻蚀前的物理厚度；
步骤（5）、将薄膜样品清洗干净，然后放入镀膜机；
步骤（6）、封闭真空室门，开始抽真空；控制镀膜机内真空室的本底真空度小于1×10- 3Pa；
步骤（7）、设定高能离子源工作参数，并对制备的薄膜样品进行高能离子束刻蚀处理，直至工作时间结束，停止高能离子束刻蚀；
步骤（8）、待真空室冷却至室温后取出样品，并使用分光光谱仪对刻蚀后薄膜样品的光学性能进行表征，然后通过光谱反演方法确定第一层介质薄膜和第二层二氧化硅膜层在离子束刻蚀后的物理厚度；
步骤（9）、通过比较高能离子束刻蚀前后第二层二氧化硅膜层的物理厚度变化，确定当前工艺参数下高能离子束对玻璃基板的刻蚀深度。
2.根据权利要求1所述的一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，其特征在于：所述的玻璃基板材料为熔融石英，包括远紫外石英、紫外石英和红外石英。
3.根据权利要求1所述的一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，其特征在于：所述的第一层介质薄膜的材料为氧化物、氟化物、硫化物或者硒化物。
4.根据权利要求1所述的一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，其特征在于：所述的第一层介质薄膜和第二层二氧化硅薄膜的物理气相沉积方式是离子辅助沉积、离子束溅射沉积或者磁控溅射沉积技术。
5.根据权利要求1所述的一种用于确定高能离子束对玻璃基板刻蚀深度的方法，其特征在于：所述的高能离子源是考夫曼离子源、霍尔离子源或者等离子体辅助源。
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