硕士论文：高光学性能紫外高反薄膜元件的研制

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高光学性能紫外高反薄膜元件的研制
摘 要
5 [/ y0 B0 h0 J. i; Q    随着近代科学技术的发展，紫外波段高功率激光系统的发展愈来愈受到重
( s% l( B$ L2 u* p% g视。而紫外薄膜正是支持紫外光路系统的重要元件，它们的光学性能影响制约着
9 v5 i7 Y3 _5 U, p" L1 U* r整个系统的效率和性能。
$ x& N$ Z) W) H% v5 U& w2 W    本文采用电阻热蒸发和电子束热蒸发的方法，通过在石英基底上制备材料的
单层膜，用光度学方法首次比较全面系统地计算出了应用于紫外波段的五种氧化
8 y# m; L% @; [% ?" }, ^物和七种氟化物在200nm到2000nm波段内折射率n和消光系数k的色散曲线，
8 y/ _' v5 K5 m并求出了它们的带隙和截止波长，详细给出了薄膜的沉积参数，为设计和研制相
) {; M& H( R, c& o应的光学薄膜元件打下了基础。
    紫外高折射率薄膜材料一般都存在比较大的消光系数，围绕高光学性能紫外
+ Q0 ^3 @8 T2 b# ]/ W2 C: X高反薄膜元件研制需要，我们研究了消光系数的大小对于规整膜系高反膜反射率
的影响汉现月刹科仔仕用尤示戴叼，二戏M娱准安达到最大反射半仔仕一个最
                                                  4
佳层数
+ R. \" Q, c4 K% s2 _8 m- F    为了解空气中的水蒸汽对用热蒸发手段沉积的疏松薄膜膜层性能的影响，我
( S" v' ?/ n6 E0 F+ M们详细研究了纯净水和自来水的特性，给出了两种水的折射率和吸收系数随波长
9 Z5 F9 Y4 |9 T  r的变化曲线。结果发现它们的吸收系数差别很大，这就意味着膜层空隙中充了不
同的水会对膜层的光学性能造成不同程度的影响。我们同时给出了几种单层膜在
8 S( F3 W7 a( u. l$ v一年前后光学性能的变化曲线以说明本实验室环境中水吸收对膜层性能的影响
' a* u) G; u" K情况。
    对膜层表面的均方根粗糙度与反射率之间的关系进行了理论模拟，对于
0 h- ?" f: i0 ~8 H& N2 z193rsm高反膜，当膜层表面的均方根粗糙度。> 1.46nm时，对于理想表面能达
4 H, q; [: F  p/ E! w1 u1 A: j+ n到99.9%的膜系，实际反射率便达不到 99%:而当。>2.12nm时，反射率便无
4 q. n' M" [; L# T8 p" l法达到98%。所以，为得到高反射率的193rsm反射镜，薄膜表面的粗糙度必须
足够低。    用两种不同的Hf02材料与同一种Si0:材料组合.沉积规整膜系 (HL) "H
  (H代表高折射率材料，L代表低折射率材料)制备出266run的紫外反射镜，发
( A8 U, V( C8 _& x( V! W现反射率相差0.7%左右。用XPS分析了高反膜中表层HfO:的成分，发现Zr是
7 c9 i/ W( L8 X% Y% Y+ |2 ?其中最主要的杂质，并且在两种Hf0:表层中其原子百分含量相差一个数量级。
用辉光放电质谱法和二次离子质谱法分别测定了这两种HfO:材料及其相应的单
. ?$ B! d! C9 D( D" q" N$ a) l2 L层膜中的Zr含量，发现Z:在两种 HfO:材料中的质量百分含量分别为3.6%和
0.6%，成膜后Zr含量的差别并不随膜层深度的变化而发生大的变化。由相应14f02
单层膜的光谱曲线，推算出了这两种材料的消光系数和折射率，据此设计出的
( z% v* Z. T; r8 p% U  YHfO2/SiO:多层膜理论反射率曲线与实验结果一致。本实验明确指出选用 Hf02
作为高折射率材料来制备266nm高反膜必须选用超低Zr02含量的样品。
" Q  m% H0 M* N. v! w' A1 W    对不同条件下制备的HfO2/SiO2高反膜样品在空气中进行了200℃的退火处
4 B0 ~- T' f+ g0 [理，测量了样品退火前后表面粗糙度，发现退火后大多数样品的粗糙度变小。说
明一定工艺制备的膜层在特定的退火条件下有可能改善膜层表面性能。
    用电子束热蒸发的方法镀制了具有不同((HL)周期数的450 248DMHf02/SiO2
多层高反膜。研究了不同基底清洗工艺对薄膜性能的影响，结果发现用超声波清
4 q1 x( G( M2 T9 M% l) w. V& E洗的基底比只是用有机溶剂来擦洗的基底成膜后膜层表面粗糙度更趋于一致;离子轰击进行清洗基底可能会引入附加的污染。其中的一些样品在 IOJ, 248nm,
22ns的KrF激光光路中进行了试用，用Wyco干涉仪发现表面形成了微小的损伤，
. m. _5 G+ m+ O% p但用光谱仪测它们的反射率在误差范围内没有发生变化，说明片子处于损伤的临
界状态。
    根据由单层Hf02, Si02, Y203, A1203膜求出的它们各自的折射率和消光系
7 X& q$ x0 N4 p) c& L0 a7 w5 H数，设计出HfO2/SiO2, Y203/SiO2, A1203/SiO2的193rsm多层膜，并用电子束热
蒸发的方法镀制出来，由分光光度计测量出样品的透射率和绝对反射率，并由此
' t$ H2 s8 k  `求出膜层的吸收曲线。结果发现HfO2/SiO2、A1203/SiO2反射率实验结果与理论
结果符合的很好，而Y203/SiO2的理论曲线偏高。通过模拟Y203/SiO2的反射率
曲线发现多层膜中Y203的消光系数远大于由单层膜实验得出的结果，这说明
Y203膜层的吸收特性与薄膜的制备工艺密切相关。具体Y203的光学性能对制备
工艺的依赖关系尚需进一步的实验研究。
5 \, q$ f) }  j2 N# L% L    对以上三种多层膜在空气中进行不同过程的高温退火，发现所有样品的峰值
- u( B. ~3 G, x! G反射率在退火后都发生了不同程度的变化，且它们的峰值波长都向短波了漂移。
其中姚03/SiO2多层膜在193rsm附近的峰值反射率上升大于1096，进一步说明此
6 ^% W' _5 s) s0 j! L反射膜中膜层的吸收是由薄膜的制备工艺引入的，存在氧化不充分的Y氧化物，
在空气中退火使得氧化更为充分从而吸收减少。为了进一步分析 193rsm高反膜
的退火机制，对四种相应材料的单层膜进行了同等退火处理，发现它们的光学性能发生了变化，推理出它们的折射率和消光系数的变化用以解释相应的多层膜光
学性能变化的原因。用XRD对退火前后样品的微观结构进行分析发现，不同的
退火过程及基底会使样品的结晶状况发生不同的变化。分析发现影响 193rsm紫
外高反膜光学性能最主要的因素首先是材料的本征吸收，其次是水吸收，最后是
散射。
关键词:紫外薄膜，反射率，消光系数，吸收，散射，粗糙度，微结构
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