一種提高氧化物薄膜抗激光損傷閾值的蒸鍍方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于薄膜光學領域，具體涉及一種提高氧化物薄膜抗激光損傷閾值的蒸鍍方法。主要針對抗激光薄膜中引起損傷發(fā)生的關鍵因素——薄膜中的吸收及缺陷。通過在蒸發(fā)源與基板之間添加隔離擋板，阻擋并吸附無效的蒸發(fā)材料，減少了基板附近的污染，降低了薄膜缺陷形成的幾率；在真空室導入氧化能力比普通分子態(tài)氧氣和離子氧更強的氧自由基，使氧自由基氣體略入射基板表面，使得沉積材料在高真空條件下充分氧化成為了可能，降低了薄膜的吸收，從而得到閾值更高的氧化物薄膜。此方法不但保留了電子束熱蒸發(fā)方法鍍制激光薄膜獨特的有利的性能又同時改善了薄膜的本征吸收和缺陷密度；具有針對性強、品質高、簡單易行的特點。
【專利說明】一種提高氧化物薄膜抗激光損傷閾值的蒸鍍方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學薄膜【技術領域】，具體涉及一種提高氧化物膜抗激光損傷閾值的蒸鍍方法。
【背景技術】
[0002]各種各樣的光學玻璃零件是強激光系統(tǒng)的基礎，其損傷閾值及損傷特性是限制強激光技術進一步發(fā)展的重要瓶頸，更是影響激光系統(tǒng)穩(wěn)定性和使用壽命的重要因素之一。而光學玻璃零件的抗激光損傷特性與其上的薄膜息息相關。對薄膜納秒脈沖損傷機制的研究表明，薄膜的吸收和缺陷是引起損傷的主要因素。
[0003]薄膜的吸收主要是由于膜料在基板沉積時氧化不充分引起的。影響吸收的工藝因素主要有:蒸發(fā)方式，基板沉積溫度，氧化氣體和蒸發(fā)速率?，F(xiàn)有實驗已經(jīng)證明電子束蒸發(fā)是獲得高閾值薄膜的首選蒸發(fā)技術；適當?shù)暮婵净搴筒捎帽M可能低的蒸鍍速率，都有利于膜料分子在基板沉積時的獲得較好的氧化計量比；常規(guī)的反應氣體是分子態(tài)的氧氣或離子態(tài)的氧氣，這兩種氣體的氧化能力都比較弱，為了使膜料分子充分氧化，就必須在真空室內(nèi)導入盡可能多的氧氣，其結果就是薄膜在低真空狀態(tài)下生長，不僅微觀缺陷較多，而且缺陷與周圍薄膜的界面機械強度很弱，當強激光照射時，很容易成為損傷的起源點；圖1是傳統(tǒng)的蒸發(fā)示意圖，可以發(fā)現(xiàn)導入真空室的氧氣流通常正對著蒸發(fā)源，加大了膜料分子在飛向基板途中碰撞的幾率，降低了膜料分子在基板的遷移率，更容易形成結構缺陷，對于沒有碰撞直接與基板接觸冷凝的分子，則因為遠離氧氣源而無法有效快速氧化，加劇了薄膜的吸收。
[0004]從圖1中同樣可以看出:傳統(tǒng)蒸發(fā)方式飛出的膜料分子，不僅沉積在基板區(qū)域，而且會在基板附近的部件上吸附。這些沉積在部件上的膜料非常疏松，大氣狀態(tài)下會吸收大量的水分和灰塵顆粒，在高真空下會再次釋放出來；這些部件距離沉積區(qū)的基板很近，使得這些水分或顆?？梢院茌p易的污染薄膜，形成節(jié)瘤等缺陷，降低薄膜的閾值。
[0005]針對傳統(tǒng)蒸發(fā)的上述缺點，最有效的能夠提升其損傷閾值的方式應該主要集中在兩點:一是改善氧化氣體的種類和導入方式，提高膜料分子的氧化效率，進一步降低薄膜的吸收，二是控制蒸發(fā)源的蒸發(fā)角度，使基板以外區(qū)域不被膜料分子污染，從根本上切斷真空中薄膜生長的污染源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種提高氧化物膜抗激光損傷閾值的蒸鍍方法，該方法可以極大降低薄膜的吸收，減小薄膜中缺陷的密度，從而大幅度提高氧化物薄膜的抗激光損傷閾值，而且具有針對性強、品質高、簡單易行的特點。
[0007]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0008]一種提高氧化物膜抗激光損傷閾值的蒸鍍方法，具體步驟如下:
[0009](1)將基板清洗干凈，然后利用高純氮氣吹干后放入鍍膜機內(nèi)；[0010](2)控制鍍膜機內(nèi)真空室的本底真空度為IX 10_4Pa，將基板加熱至200-300度，并恒溫80-120分鐘；
[0011](3)用電子束蒸發(fā)膜料，通過擋板控制控制蒸發(fā)角度，使膜料僅沉積在基板范圍內(nèi)。擋板所處平面在蒸發(fā)源正上方20cm處，與蒸發(fā)源平行；擋板中間開孔，使得從孔內(nèi)飛出的膜料分子僅能沉積在基板所在區(qū)域；膜料分子在基板上的沉積速率在0.01-0.05nm / s之間；
[0012](4)在蒸發(fā)膜料的同時，向真空室內(nèi)導入氧自由基作為反應氣體；流量不小于4X1015原子數(shù)/ (Cm2S);氧自由基氣體以80度角入射并覆蓋基板表面。
[0013](5)鍍膜結束后，待真空室冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。
[0014](6)待真空室冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。
[0015]本發(fā)明中，所述的基板可以是光學玻璃，也可以是晶體。
[0016]本發(fā)明中，步驟(3)中所述采用電子束蒸發(fā)方式時蒸發(fā)膜料是金屬鉿或二氧化鉿。
[0017]本發(fā)明的核心主要有三點:
[0018]首先，以氧自由基為氧化氣體。傳統(tǒng)的氧化氣體為分子態(tài)的氧氣，它的優(yōu)點是容易制備，缺點是氧化能力弱 ，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則遠遠強于分子態(tài)的氧氣，高真空下即可充分氧化。而高真空成膜，有利于獲得高純薄膜，得到閾值較高的薄膜。
[0019]其次，改變氧化氣體的導入方式，使氧氣氣體以略入射方式覆蓋基板表面。真空蒸發(fā)的膜料分子的自由程通常遠大于蒸發(fā)源到基板的距離，因此，蒸發(fā)源飛出的膜料分子通常不經(jīng)過碰撞即直接沉積在基板上，傳統(tǒng)氧氣通常在蒸發(fā)源附件導入，導致基板附件氧化氣體分布稀少，不利于沉積薄膜的氧化反應。將氧自由基氣體以略入射方式(通常入射方向與基板法線呈80度角)覆蓋基板，如圖2所示，大部分氧化氣體就會聚集在基板表面，形成了一層薄的氧化氣體層，膜料分子必須經(jīng)過此氣體層才能與基板接觸，加大了膜料分子在基板沉積時與氧化氣體發(fā)生反應的幾率，提高了氧化效率，有利于降低薄膜的吸收。
[0020]最后，擋板的引入，可以最大限度保證真空腔的清潔。在圖1所示傳統(tǒng)的蒸發(fā)中，有一部分膜料分子沒有沉積在基板上，而是沉積在了靠近基板的周圍部件上，這些沉積在部件上的膜料會成為薄膜繼續(xù)生長時結構缺陷的污染源。在蒸發(fā)源上方20cm處加一擋板，如圖2所示，可控制蒸發(fā)源的蒸發(fā)角度，使擋板上方飛出的膜料分子僅能沉積在基板上，就避免了部件被污染的可能。
[0021]綜上所述，通過改變膜料蒸發(fā)時的蒸發(fā)角度，氧化氣體的種類和導入方式，提高了氧化物薄膜氧化的效率，降低了薄膜的吸收，同時高真空成膜也使薄膜內(nèi)缺陷的密度得到了有效的控制和優(yōu)化，最終能夠顯著提高氧化物薄膜的損傷特性和損傷閾值。
[0022]本發(fā)明的技術效果如下:
[0023]1.可有效降低薄膜的本征吸收。對比傳統(tǒng)蒸發(fā)的氧化物薄膜，可使薄膜在355nm的消光系數(shù)有明顯降低。
[0024]2.可有效降低薄膜內(nèi)缺陷的密度。對比傳統(tǒng)蒸發(fā)的氧化物薄膜，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)缺陷密度有明顯降低。
[0025]3.可有效提高薄膜的抗激光損傷閾值。對比傳統(tǒng)蒸發(fā)的氧化物薄膜單層膜，用納秒脈沖輻照時，薄膜閾值有明顯提高。
[0026]4.本發(fā)明方法簡單易行。擋板結構簡單易造。氧自由基發(fā)生器在市場上已有比較成熟的產(chǎn)品，氣體導入角度簡單易控。
[0027]5.本發(fā)明方法針對性強、品質高、效率快。直接換用氧化效率更高的氧自由基，略入射方式保證在基板表面的氧化反應區(qū)有充足的氧化氣體，確保薄膜充分氧化；引入擋板，遮擋蒸發(fā)源飛出的無效膜料，確保了薄膜生長不會被二次污染。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1:傳統(tǒng)蒸發(fā)示意圖。分子態(tài)氧氣從真空腔的下部導入，氣流方向與蒸發(fā)源平面平行，正對蒸發(fā)源。蒸發(fā)角度很大，真空腔上部除基板外的部件也會被鍍上薄膜。
[0029]圖2:本發(fā)明的蒸發(fā)示意圖。由氧自由基發(fā)生器提供氧化氣體，從真空腔上部導入氣體，氣流以80度角入射在基板表面,在表面形成一氣流層。居于蒸發(fā)源正上方20cm處的擋板限制了蒸發(fā)角度，使得真空腔上部除基板外不會沉積膜料分子。
【具體實施方式】
[0030]通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0031]實施例1:
[0032]以石英玻璃作為基板，首先將其放入清洗液中超聲清洗7分鐘，再用去離子水洗凈，取出后用高純氮氣吹干，然后放入鍍膜設備中工件架上；控制鍍膜機內(nèi)真空室的本底真空為I X 10_4Pa ;將基板加熱至220度，并恒溫100分鐘后，采用電子束熱蒸發(fā)的方式鍍制金屬Hf，蒸發(fā)速率為0.015nm / s ;80度角導入氧自由基氣體，流量為4.5 X IO15原子數(shù)/(Cm2s)鍍膜結束，待真空室冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。
[0033]與傳統(tǒng)蒸發(fā)制備的薄膜進行對比研究發(fā)現(xiàn):此方法蒸鍍的薄膜在355nm的消光系數(shù)，從傳統(tǒng)蒸發(fā)的2.6X 10_4降低到I X 10_5左右，缺陷密度從17個/ mm2降低到了 2個/mm2，納秒脈沖的抗激光損傷閾值從5J / cm2提高到了 8J / cm2。
[0034]實施例2:
[0035]以石英玻璃作為基板，首先將其放入清洗液中超聲清洗7分鐘，再用去離子水洗凈，取出后用高純氮氣吹干，然后放入鍍膜設備中工件架上；控制鍍膜機內(nèi)真空室的本底真空為I X 10_4Pa ;將基板加熱至200度，并恒溫90分鐘后，采用電子束熱蒸發(fā)的方式鍍制二氧化鉿，蒸發(fā)速率為0.02nm / s ;80度角導入氧自由基氣體，流量為4.0X IO15原子數(shù)/(Cm2s);鍍膜結束，待真空室冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。
[0036]與傳統(tǒng)蒸發(fā)制備的薄膜進行對比研究發(fā)現(xiàn):此方法蒸鍍的薄膜在355nm的消光系數(shù)，從傳統(tǒng)蒸發(fā)的2 X 10_4降低到I X 10_5左右，缺陷密度從24個/ mm2降低到了 4個/ mm2，納秒脈沖的抗激光損傷閾值從4.3J / cm2提高到了 7.7J / cm2。
【權利要求】
1.一種提高氧化物薄膜抗激光損傷閾值的蒸鍍方法，其特征在于該方法包含以下步驟: (1)將基板清洗干凈，然后利用高純氮氣吹干后放入鍍膜機內(nèi)； (2)控制鍍膜機內(nèi)真空室的本底真空度為IX 10-4Pa，將基板加熱至200-300度，并恒溫80-120分鐘； (3)用電子束蒸發(fā)膜料，通過擋板控制控制蒸發(fā)角度，使膜料僅沉積在基板范圍內(nèi)。 (4)在蒸發(fā)膜料的同時，向真空室內(nèi)導入氧自由基作為反應氣體； (5)鍍膜結束后，待真空室冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。
2.根據(jù)權利要求1所述的蒸鍍方法，其特征在于步驟(3)中的擋板所處平面在蒸發(fā)源正上方20cm處，與蒸發(fā)源平行；擋板中間開孔，使得從孔內(nèi)飛出的膜料分子僅能沉積在基板所在區(qū)域。
3.根據(jù)權利要求1所述的蒸鍍方法，其特征在于步驟(3)中膜料分子在基板上的沉積速率為 0.01-0.05nm / S。
4.根據(jù)權利要求1所述的蒸鍍方法，其特征在于步驟(4)中的氧自由基氣體由氧自由基發(fā)生器提供，流量不小于4X1015原子數(shù)/ (cm2s);氧自由基氣體以80度角入射并覆蓋基板表面。
5.根據(jù)權利要求1所述的蒸鍍方法，其特征在于所述的基板是光學玻璃或是晶體。
6.根據(jù)權利要求1所述的蒸鍍`方法，其特征在蒸發(fā)膜料是金屬鉿，二氧化鉿或氧化鋯。
【文檔編號】C23C14/08GK103882385SQ201410050340
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權日:2014年2月13日
【發(fā)明者】王占山, 程鑫彬, 焦宏飛, 鮑剛華, 宋智 申請人:同濟大學