PECVD技術(shù)制備單層光學(xué)薄膜抗激光損傷特性研究

李 鵬，杭凌俠，徐均琪，李林軍

（1.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710021；2.陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710021）

引言

隨著近年來(lái)慣性約束聚變（ICF）實(shí)驗(yàn)及核武器研究的不斷需要，高功率強(qiáng)激光系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高能激光技術(shù)快速發(fā)展，光學(xué)薄膜抗激光損傷特性已成為限制高功率激光光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙［1－2］。為了改善光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，這些系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)器件必須有足夠好的穩(wěn)定性和抗激光損傷能力［3－4］。準(zhǔn)確測(cè)定光學(xué)薄膜能承受的一個(gè)有限光學(xué)輻照強(qiáng)度，稱(chēng)為光學(xué)薄膜激光損傷閾值，簡(jiǎn) 稱(chēng) LIDT （laser－induced damage threshold）［5］，不僅可以衡量光學(xué)薄膜的抗激光損傷能力，而且是研究激光損傷機(jī)理的必備條件。

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）是通過(guò)將反應(yīng)氣體離子化，實(shí)現(xiàn)在低溫下沉積薄膜。因其操作方法靈活，工藝重復(fù)性好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光電子器件、太陽(yáng)能電池及集成電路的制造工藝中［6］。PECVD技術(shù)在沉積漸變折射率光學(xué)薄膜方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，前期研究成果表明，通過(guò)工藝優(yōu)化，可以沉積消光系數(shù)小于10－4，折射率變化范圍在1.33～2.06之間的光學(xué)薄膜［7］，制備梯度折射率光學(xué)薄膜［8］。

采用PECVD技術(shù)制備了折射率分別為1.46和1.84的單層SiO2和SiNx光學(xué)薄膜。通過(guò)多角度橢偏技術(shù)測(cè)量了薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)，測(cè)試并討論了PECVD技術(shù)制備的單層光學(xué)薄膜的抗激光損傷特性。

1 樣片制備與光學(xué)特性測(cè)試

理論上，薄膜的光學(xué)厚度與抗激光損傷閾值有關(guān)，當(dāng)單層薄膜光學(xué)厚度為λo／2時(shí)，它將不改變?chǔ)薿處的反射或透射率；當(dāng)薄膜光學(xué)厚度為λo／4時(shí)，在中心波長(zhǎng)處薄膜反射率會(huì)出現(xiàn)極值。因此重點(diǎn)探討單層光學(xué)薄膜不同光學(xué)厚度（λo／4～λo／2之間）與薄膜抗激光損傷特性之間的關(guān)系。薄膜樣片的厚度分布以中心波長(zhǎng)λo為1 064nm進(jìn)行計(jì)算確定，制備過(guò)程中依據(jù)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得的沉積速率，通過(guò)控制不同時(shí)間來(lái)獲取不同厚度的樣片。

薄膜樣片采用創(chuàng)世威納公司生產(chǎn)的PECVD－1201型鍍膜機(jī)進(jìn)行制備；薄膜的LIDT數(shù)值采用實(shí)驗(yàn)室研制的激光損傷特性測(cè)試裝置獲得；采用J.A.WOOLLAM公司生產(chǎn)的變角度橢偏儀對(duì)薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)進(jìn)行測(cè)量；采用Taylor Hobson公司生產(chǎn)的CCI白光干涉表面分析裝置對(duì)薄膜表面損傷形貌和粗糙度進(jìn)行分析。

1.1 SiO2光學(xué)薄膜的制備與測(cè)試

根據(jù)前期探索實(shí)驗(yàn)，采用制備SiO2光學(xué)薄膜的最佳工藝參數(shù)：SiH4氣體流量70sccm，N2O氣體流量40sccm，溫度300℃，射頻200W，反應(yīng)壓強(qiáng)20Pa，本底真空度為1.0×10－3Pa，工作真空度為1.0×10－2Pa。通過(guò)控制沉積時(shí)間，在BK7玻璃和硅片上制備折射率為1.46，消光系數(shù)小于10－4的不同光學(xué)厚度SiO2光學(xué)薄膜，編號(hào)分別為1～5，設(shè)計(jì)的薄膜光學(xué)厚度和實(shí)測(cè)光學(xué)厚度見(jiàn)表1。

表1 PECVD沉積二氧化硅薄膜理論設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)光學(xué)厚度Table 1 Theoretical designed and measured optical thickness of SiO2thin films prepared by PECVD

樣片制備完成后，采用橢偏技術(shù)對(duì)硅基底上的SiO2光學(xué)薄膜進(jìn)行多角度測(cè)量與分析。建立Cauchy色散模型，最終測(cè)量數(shù)據(jù)擬合結(jié)果以評(píng)價(jià)值MSE小于10為標(biāo)準(zhǔn)。編號(hào)1～5薄膜樣片對(duì)應(yīng)測(cè)試的幾何厚度分別為166nm、225nm、241nm、301nm、384nm，換算成光學(xué)厚度，涵蓋λo／4～λo／2范圍。折射率和消光系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖1所示，圖中黑色實(shí)線代表折射率，虛線代表消光系數(shù)，SiO2薄膜在波長(zhǎng)1 064nm處折射率為1.461 4，折射率精度控制在5%范圍之內(nèi)，消光系數(shù)小于10－4，符合光學(xué)薄膜特性需要。

圖1 橢偏儀測(cè)試SiO2薄膜折射率和消光系數(shù)Fig.1 Ellipsometer measured refractive and extinction coefficient index of SiO2thin films

1.2 SiNx光學(xué)薄膜的制備與測(cè)試

采用PECVD技術(shù)制備SiNx薄膜工藝參數(shù)：SiH4流量70sccm，N2流量60sccm，溫度300℃，射頻功率200W，反應(yīng)壓強(qiáng)60Pa，本底真空度為1.0×10－3Pa，工作真空度為1.0×10－2Pa。通過(guò)控制沉積的時(shí)間，在BK7玻璃基底上制備SiNx光學(xué)薄膜折射率為1.84，消光系數(shù)小于10－4的不同光學(xué)厚度的SiNx薄膜，編號(hào)分別為C1、C2、C3、C4，膜厚理論設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 PECVD沉積氮化硅薄膜理論設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)光學(xué)厚度Table 2 Theoretical designed and measured optical thickness of SiNxthin films prepared by PECVD

橢偏測(cè)試分析結(jié)果如圖2所示，圖中黑色實(shí)線代表折射率，虛線代表消光系數(shù)，SiNx薄膜在波長(zhǎng)1 064nm處折射率為1.837 8，折射率精度控制在5%范圍之內(nèi)，消光系數(shù)小于10－4，符合光學(xué)薄膜特性需要。

圖2 橢偏儀測(cè)試SiNx薄膜折射率和消光系數(shù)Fig.2 Ellipsometer measured refractive and extinction coefficient index of SiNxthin films

2 激光損傷閾值測(cè)試與討論

薄膜的激光損傷能力用激光損傷閾值Eth來(lái)衡量，即破壞概率為零處的激光脈沖通量，定義為單位面積上的激光能量（J／cm2）。本研究實(shí)驗(yàn)中的激光測(cè)試裝置采用西安工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的薄膜激光損傷儀［9］，如圖3所示，對(duì)激光損傷閾值的測(cè)試參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11254－1中1－on－1零幾率損傷法，測(cè)試所用激光器為基模（TEM00）調(diào)Q Nd∶YAG激光器，最大輸出能量為200mJ，激光器輸出波長(zhǎng)為1 064nm，脈寬為10ns，光斑直徑為0.8 mm，可測(cè)量的最大損傷閾值為39.8J／cm2。對(duì)于薄膜的損傷判定采用圖像法判據(jù)，測(cè)試點(diǎn)間距為1 mm，共測(cè)試100個(gè)點(diǎn)。實(shí)際使用的激光能量計(jì)的測(cè)試精度為1mJ，LIDT的測(cè)量誤差小于±0.2 J／cm2。

圖3 激光損傷特性測(cè)試裝置Fig.3 Laser damage testing equipment

2.1 單層SiO2薄膜損傷特性研究

使用激光損傷特性測(cè)試裝置，對(duì)BK7玻璃基底上SiO2薄膜進(jìn)行激光損傷特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 二氧化硅薄膜抗激光損傷閾值測(cè)試Table 3 Measured LIDT of SiO2thin films

圖4是SiO2光學(xué)薄膜抗激光損傷閾值隨薄膜幾何厚度變化的折線圖，可以看出，SiO2薄膜抗激光損傷閾值隨著薄膜光學(xué)厚度增加變化不大，在光學(xué)厚度為350nm時(shí)，LIDT有最小值21.7J／cm2，光學(xué)厚度為433時(shí)，LIDT有最大值27.9J／cm2。

圖4 實(shí)測(cè)單層SiO2薄膜光學(xué)厚度LIDT關(guān)系曲線Fig.4 Actual measured curve of relation of single SiO2thin film optical thickness with LIDT values

課題組前期實(shí)驗(yàn)測(cè)得采用離子束輔助熱蒸發(fā)技術(shù)制備的SiO2薄膜樣片［10］（光學(xué)厚度為λo／2，λo＝1 064nm）抗激光損傷閾值（LIDT）為16.9J／cm2。從表3可以看出，PECVD技術(shù)制備的光學(xué)厚度為λo／2的SiO2薄膜樣片抗激光損傷閾值為22.8J／cm2，說(shuō)明 PECVD 技術(shù)提高了 SiO2光學(xué)薄膜抗激光損傷閾值。

SiO2薄膜樣片損傷閾值相對(duì)較高，經(jīng)分析原因主要有以下2點(diǎn)：1）采用PECVD技術(shù)制備的薄膜純度較高，前期實(shí)驗(yàn)已表明，通過(guò)工藝優(yōu)化，SiO2薄膜光學(xué)厚度均勻性大于95%，雜質(zhì)缺陷少，附著力高，其消光系數(shù)可以達(dá)到高純體材料的水平［11］；2）SiO2薄膜材料本身具備較低的折射率、較小的色散及較低的消光系數(shù)，同時(shí)具備在近紅外及可見(jiàn)光區(qū)域透明的光學(xué)特點(diǎn)。在同種制備技術(shù)情況下，SiO2薄膜材料硬度大、機(jī)械性能優(yōu)越、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)良特性也是其有著良好的抗激光損傷特性的重要原因，現(xiàn)已成為激光薄膜領(lǐng)域中低折射率材料的首選。

圖5所示為T(mén)FCALC軟件模擬的不同厚度下單層SiO2薄膜樣片的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，從圖中可以看出，當(dāng)樣片的光學(xué)厚度發(fā)生變化時(shí)，薄膜的電場(chǎng)強(qiáng)度變化在有限的范圍內(nèi)波動(dòng)，因而可以忽略薄膜層厚度引起電場(chǎng)變化對(duì)激光損傷閾值的影響?？梢哉J(rèn)為，SiO2薄膜的激光損傷閾值主要取決于薄膜材料制備方法引起的薄膜材料特性變化。

圖5 不同厚度下SiO2薄膜樣片電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.5 SiO2thin film electric field intensity distribution under different geometry thicknesses

為了進(jìn)一步證實(shí)SiO2薄膜表面損傷，使用Taylor Hobson白光干涉儀對(duì)膜層表面形貌進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6所示，對(duì)比圖中比例尺可以看出膜層表面出現(xiàn)了明顯損傷形貌。

圖6 測(cè)試的SiO2薄膜損傷表面形貌Fig.6 Measured damaged morphology of SiO2thin film

2.2 單層SiNx薄膜損傷特性研究

使用激光損傷特性測(cè)試裝置，對(duì)SiNx薄膜進(jìn)行激光損傷特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示，編號(hào)C1、C2、C3、C4樣片對(duì)應(yīng)的激光損傷閾值分別為29.3J／cm2、27.9J／cm2、17.9J／cm2、4.9J／cm2。

表4 氮化硅薄膜抗激光損傷閾值測(cè)試一覽表Table 4 Measured LIDT of SiNxthin films

圖7是SiNx光學(xué)薄膜抗激光損傷閾值隨薄膜幾何厚度變化的折線圖，可以看出，SiNx薄膜抗激光損傷閾值隨著薄膜光學(xué)厚度增加逐漸減小，并且在光學(xué)厚度為λo／4時(shí)LIDT有最大值29.3J／cm2，光學(xué)厚度為λo／2時(shí)，LIDT有最小值4.9J／cm2。

圖7 實(shí)測(cè)單層SiNx薄膜光學(xué)厚度LIDT關(guān)系曲線Fig.7 Actual measured curve of relation between single SiNxthin film optical thickness and LIDT value

一般說(shuō)來(lái)，薄膜的抗激光損傷閾值存在所謂的“厚度效應(yīng)”，即抗激光損傷閾值隨薄膜厚度的變化具有以下趨勢(shì)［12］：薄膜幾何厚度越厚，其抗激光損傷閾值越低。存在這種趨勢(shì)的原因：首先，薄膜內(nèi)部駐波場(chǎng)會(huì)隨著薄膜幾何厚度變化而變化，圖8所示為T(mén)FCALC軟件模擬的不同厚度下SiNx薄膜樣片的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，從圖中可以看出，當(dāng)樣片的光學(xué)厚度分別為267nm、357nm、449nm、516nm時(shí)，即薄膜幾何厚度分別為145nm、194nm、244nm、280nm時(shí)，空氣－薄膜界面對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度值為0.384、0.443、0.570、0.627，薄膜－基底界面對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度值為0.563、0.579、0.614、0.629。樣片的場(chǎng)強(qiáng)值在空氣－薄膜介質(zhì)與薄膜－基底界面越大的，其損傷閾值越小。即樣片C4的場(chǎng)強(qiáng)值在界面處最大，其損傷閾值越??；相反，C1樣片損傷閾值越高。

圖8 不同厚度下SiNx薄膜樣片電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.8 SiNxthin film electric field intensity distribution under different geometry thicknesses

使用Taylor Hobson公司生產(chǎn)的CCI白光干涉表面分析裝置對(duì)單層SiNx薄膜表面損傷形貌進(jìn)行分析，表面損傷形貌結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，當(dāng)薄膜未發(fā)生損傷時(shí)，薄膜表面平滑，沒(méi)有損傷（圖9（a））；當(dāng)薄膜的損傷閾值為29.3J／cm2時(shí)，薄膜的表面近似均勻，只能看到一些損傷點(diǎn)，與未損傷前的形貌基本上一致（圖9（b））；當(dāng)損傷閾值為27.9J／cm2時(shí)，薄膜表面出現(xiàn)了損傷斑（圖9（c））；當(dāng)損傷閾值降低到17.9J／cm2，薄膜表面損傷的區(qū)域輪廓是凹陷的，損傷明顯（圖9（d））；當(dāng)損傷閾值4.9J／cm2時(shí)，薄膜表面有明顯的深坑損傷形貌（圖9（e））。因此可以看到，在強(qiáng)激光作用下，隨著薄膜厚度的增加，薄膜表面發(fā)生了輕度損傷、嚴(yán)重?fù)p傷以及徹底損傷這樣的變化，即不同薄膜厚度，其損傷閾值不同，薄膜表面的損傷形貌也不同。

圖9 不同損傷閾值下的損傷形貌Fig.9 Morphologies of damage under different LIDTs

3 結(jié)論

采用PECVD技術(shù)制備了折射率分別為1.46、1.84的不同厚度的單層SiO2和SiNx光學(xué)薄膜，通過(guò)激光損傷特性測(cè)試裝置測(cè)試薄膜抗激光損傷閾值，研究了光學(xué)厚度在λo／4～λo／2范圍內(nèi)的抗激光損傷特性，采用Taylor Hobson白光干涉儀對(duì)薄膜表面損傷形貌進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）采用PECVD技術(shù)制備的不同厚度的SiO2薄膜，在光學(xué)厚度為350nm時(shí)，LIDT有最小值21.7J／cm2，光學(xué)厚度為433時(shí)，LIDT為27.9J／cm2。表面形貌測(cè)試發(fā)現(xiàn)明顯損傷。在所研究的薄膜厚度范圍內(nèi)，抗激光損傷閾值與薄膜厚度無(wú)明顯的關(guān)系。與采用離子束輔助熱蒸發(fā)技術(shù)制備的SiO2薄膜樣片（抗激光損傷閾值為16.9J／cm2）相比對(duì)，PECVD技術(shù)制備的SiO2光學(xué)薄膜有著較高的損傷閾值，是良好的抗激光損傷光學(xué)薄膜材料。

2）采用PECVD技術(shù)制備的SiNx光學(xué)薄膜，其抗激光損傷閾值隨著薄膜幾何厚度增加明顯減小，在光學(xué)厚度λo／4處有最大值29.3J／cm2，光學(xué)厚度λo／2處有最小值4.9J／cm2。

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