本文介紹了怎么進(jìn)行離子束濺射來優(yōu)化UV光學(xué)鍍膜。

離子束濺射（IBS）技術(shù)因為能夠為紫外（UV）激光應(yīng)用沉積高質(zhì)量的光學(xué)薄膜，在過去的25年中有力推動了UV激光光學(xué)元件的發(fā)展（見圖 1）。高質(zhì)量的光學(xué)元件操縱和引導(dǎo)激光束，對于激光性能和壽命至關(guān)重要。得益于IBS技術(shù)，生物醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體加工、微加工及其他UV激光應(yīng)用持續(xù)增長。

雖然UV光學(xué)薄膜面臨諸多挑戰(zhàn)，但I(xiàn)BS技術(shù)的出現(xiàn)，使沉積高質(zhì)量的UV光學(xué)薄膜成為可能。

應(yīng)對UV激光光學(xué)元件的挑戰(zhàn)

UV激光光學(xué)元件面臨的挑戰(zhàn)包括兩方面：一是吸收增強，這會降低激光功率；二是散射增強，這會減弱激光的強度。如果薄膜應(yīng)力、化學(xué)計量或薄膜密度沒有得到優(yōu)化，光學(xué)薄膜可能會進(jìn)一步受損。涂層是最薄弱的環(huán)節(jié)，如果改進(jìn)關(guān)鍵的加工步驟，如光學(xué)涂層設(shè)計、基底清潔、沉積和沉積后處理，光學(xué)涂層將會得到優(yōu)化。

研究重點涉及光學(xué)鍍膜的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括靶材選擇、氧氣壓力、濺射能量和退火時間等，其目的就是提高IBS系統(tǒng)的光學(xué)鍍膜質(zhì)量（見圖2）［1］。近年來研究了不同工藝條件和沉積后退火對HfO2和SiO2光學(xué)薄膜的影響。分析的參數(shù)包括：

-金屬和電介質(zhì)濺射靶對UV性能的影響；-氧 （O2） 分壓對化學(xué)計量和薄膜性能的影響；-離子輔助源和光束能量對薄膜和沉積特性的影響；-退火對化學(xué)計量、應(yīng)力和薄膜性能的影響。

氧化物薄膜可由氧化物或金屬靶濺射而成［2］。金屬靶的吸收率較低，但濺射率較高。只要其他薄膜參數(shù)滿足要求，較高的濺射率會提高鍍膜效率。沉積HfO2薄膜時，O2的分壓是一個至關(guān)重要的工藝參數(shù)，如果O2分壓不滿足要求，則薄膜容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷。特別是，氧缺乏產(chǎn)生的亞帶隙電子狀態(tài)，會誘導(dǎo)激光對光學(xué)元件的損傷。低氧含量的非均衡HfO2薄膜吸收率高、不透明，不能滿足UV激光光學(xué)元件的要求。

離子束能量和退火

離子束能量是另一個關(guān)鍵的工藝要素。在鍍SiO2薄膜時，降低離子束能量可以降低SiO2薄膜的吸收率，從而提高激光系統(tǒng)的性能。不過，這也是有代價的。雖然降低離子束能量可以提高薄膜質(zhì)量，但同時也會降低沉積速率，從而影響生產(chǎn)效率。在SiO2工藝中，采用輔助光束有助于提高傳輸速率。

對于HfO2薄膜來說，其抗激光損傷能力隨著輔助光束能量的增加而降低。顯然，濺射能量的優(yōu)化對薄膜的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

退火也對薄膜質(zhì)量起著關(guān)鍵作用，因為退火是獲得最低損耗和最高抗激光損傷能力的關(guān)鍵步驟。在濺射過程中，由于高能沉積，沉積的薄膜會產(chǎn)生壓應(yīng)力和缺陷。退火有助于釋放張力，并消除濺射過程中產(chǎn)生的懸垂鍵。

退火過程也會稍微改變薄膜的化學(xué)計量比。理想情況下，退火應(yīng)該會降低薄膜應(yīng)力，并獲得最佳光學(xué)性能。研究表明，退火可以改善沉積薄膜的特性，但是退火時間過長或溫度過高也會造成損害。當(dāng)退火條件不當(dāng)時，界面粗糙度會增加，薄膜也會發(fā)生晶化。不同UV激光應(yīng)用的光學(xué)薄膜的層數(shù)和成分都可能不同，因此應(yīng)優(yōu)化每個膜層的退火時間。

參考文獻(xiàn)：1. M. Falmbigl， K. Godin， J. George， C. Mühlig， and B. Rubin， Opt. Express， 30， 12326–12336 （2022）.

2. D. Howe， M. Falmbigl， J. George， K. Godin， and B. Rubin， Optica Technical Digest Series （Optica Publishing Group）， paper WC.2 （2022）。

審核編輯：黃飛