[發(fā)明專利]解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調(diào)控方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710380376.3
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107099772B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設計）人: 朱美萍;曾婷婷;易葵;柴英杰;許諾;孫建;王建國;邵建達
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/10;C23C14/22;C23C14/30;C23C14/54
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙)31317
• 代理人: 張寧展

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學薄膜，特別是一種解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調(diào)控方法。

背景技術(shù)

膜層應力是光學薄膜元件性能的參數(shù)之一，膜層應力會導致基底在鍍膜前后發(fā)生形變。當膜層張應力過大時，甚至會引起膜層龜裂，導致薄膜元件無法使用。膜層應力與膜系設計、沉積技術(shù)和沉積工藝密切相關(guān)。高功率應用的大尺寸薄膜元件通常采用電子束沉積技術(shù)制備，而電子束沉積技術(shù)制備的多層膜元件在膜層沉積過程和低濕環(huán)境下往往呈現(xiàn)較大的張應力，對于一定的張應力，當薄膜厚度超過臨界厚度，多層膜拉伸強度大于斷裂強度，將導致薄膜出現(xiàn)龜裂。以大尺寸偏振膜為例，其膜層厚度遠高于一般的反射膜，接近8μm，常易發(fā)生膜層龜裂問題。在美國NIF、法國LMJ原型、日本LFEX和GEKKO裝置等大型高功率激光裝置的建設或運行過程中，均曾遭遇偏振膜龜裂的困擾。該問題得到最終解決的證據(jù)是2012年羅切斯特大學發(fā)表的學術(shù)論文(Optics Express，20(15)：16596，2012)，采用的技術(shù)措施是利用Al₂O₃膜層補償HfO₂/SiO₂膜層應力。但該方法涉及三種材料，除增加了膜系設計難度以外，極大地增加了實際制備工藝難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調(diào)控方法，該方法能夠解決電子束沉積較厚膜層時，因膜層張應力太大導致的膜層龜裂問題，且不會增加膜系設計難度和實際制備工藝難度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調(diào)控方法，其特點在于：采用離子束輔助沉積技術(shù)沉積應力臨界層，采用電子束沉積技術(shù)沉積應力臨界層之外的其他膜層，包括以下步驟：

1)向計算機輸入?yún)?shù)：

包括設計波長λ_D、高折射率材料折射率n_H、低折射率材料折射率n_L、高折射率材料在沉積環(huán)境的應力σ_H、低折射率材料在沉積環(huán)境的應力σ_L、所需鍍制的膜系、薄膜的抗裂強度Г、取決于裂紋特性的無量綱參數(shù)Z、多層膜的楊氏模量E_f、多層膜的泊松比V_f；

2)計算應力臨界層所處層數(shù)：

①根據(jù)公式(1)依次計算第j層膜沉積完成后的多層膜應力σ_Tj：

其中：j＝1、2……M，M為總膜層數(shù)，t_j為第j層膜層的厚度系數(shù)；

②根據(jù)公式(2)依次計算膜層應力為σ_Tj時的臨界層厚度h_cj：

當h_cj≤(t₁/n₁+t₂/n₂+...+t_j/n_j)×λ_D/4時，令臨界層判據(jù)F_j＝1；否則，令F_j＝0；

③輸出每層膜的臨界層判據(jù)；

3)基底清洗：對基底進行清洗并晾干；

4)薄膜制備：

①將基底加熱至120℃～250℃；當真空度優(yōu)于9.0×10^-3Pa時，開始鍍膜：

②令m＝1，

③開始鍍制第m層膜：

如果F_m＝0，采用電子束沉積技術(shù)鍍制該膜層，如該膜層為HfO₂層，氧分壓為1.5×10^-2Pa～5.0×10^-2Pa，沉積速率為0.05nm/s-0.3nm/s；如該膜層為SiO₂層，氧分壓為本底真空至3.0×10^-2Pa，沉積速率為0.3nm/s～1.0nm/s；

否則如果F_m＝1，采用離子束輔助沉積技術(shù)鍍制該膜層，打開等離子體源，將等離子體偏壓設置為70V～170V，鍍完該膜層后關(guān)閉等離子體源：

④令m＝m+1，當m+1>M時，進入步驟⑤，否則返回步驟③，

⑤完成鍍膜。

本發(fā)明的技術(shù)效果：