怎么进行离子束溅射来优化UV光学镀膜

本文介绍了怎么进行离子束溅射来优化UV光学镀膜。

离子束溅射（IBS）技术因为能够为紫外（UV）激光应用沉积高质量的光学薄膜，在过去的25年中有力推动了UV激光光学元件的发展（见图 1）。高质量的光学元件操纵和引导激光束，对于激光性能和寿命至关重要。得益于IBS技术，生物医学、半导体加工、微加工及其他UV激光应用持续增长。

虽然UV光学薄膜面临诸多挑战，但IBS技术的出现，使沉积高质量的UV光学薄膜成为可能。

应对UV激光光学元件的挑战

UV激光光学元件面临的挑战包括两方面：一是吸收增强，这会降低激光功率；二是散射增强，这会减弱激光的强度。如果薄膜应力、化学计量或薄膜密度没有得到优化，光学薄膜可能会进一步受损。涂层是最薄弱的环节，如果改进关键的加工步骤，如光学涂层设计、基底清洁、沉积和沉积后处理，光学涂层将会得到优化。

研究重点涉及光学镀膜的各个生产环节，包括靶材选择、氧气压力、溅射能量和退火时间等，其目的就是提高IBS系统的光学镀膜质量（见图2）［1］。近年来研究了不同工艺条件和沉积后退火对HfO2和SiO2光学薄膜的影响。分析的参数包括：

-金属和电介质溅射靶对UV性能的影响；-氧 （O2） 分压对化学计量和薄膜性能的影响；-离子辅助源和光束能量对薄膜和沉积特性的影响；-退火对化学计量、应力和薄膜性能的影响。

氧化物薄膜可由氧化物或金属靶溅射而成［2］。金属靶的吸收率较低，但溅射率较高。只要其他薄膜参数满足要求，较高的溅射率会提高镀膜效率。沉积HfO2薄膜时，O2的分压是一个至关重要的工艺参数，如果O2分压不满足要求，则薄膜容易出现结构缺陷。特别是，氧缺乏产生的亚带隙电子状态，会诱导激光对光学元件的损伤。低氧含量的非均衡HfO2薄膜吸收率高、不透明，不能满足UV激光光学元件的要求。

离子束能量和退火

离子束能量是另一个关键的工艺要素。在镀SiO2薄膜时，降低离子束能量可以降低SiO2薄膜的吸收率，从而提高激光系统的性能。不过，这也是有代价的。虽然降低离子束能量可以提高薄膜质量，但同时也会降低沉积速率，从而影响生产效率。在SiO2工艺中，采用辅助光束有助于提高传输速率。

对于HfO2薄膜来说，其抗激光损伤能力随着辅助光束能量的增加而降低。显然，溅射能量的优化对薄膜的质量起着至关重要的作用。

退火也对薄膜质量起着关键作用，因为退火是获得最低损耗和最高抗激光损伤能力的关键步骤。在溅射过程中，由于高能沉积，沉积的薄膜会产生压应力和缺陷。退火有助于释放张力，并消除溅射过程中产生的悬垂键。

退火过程也会稍微改变薄膜的化学计量比。理想情况下，退火应该会降低薄膜应力，并获得最佳光学性能。研究表明，退火可以改善沉积薄膜的特性，但是退火时间过长或温度过高也会造成损害。当退火条件不当时，界面粗糙度会增加，薄膜也会发生晶化。不同UV激光应用的光学薄膜的层数和成分都可能不同，因此应优化每个膜层的退火时间。

参考文献：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）。

审核编辑：黄飞