[发明专利]解决电子束沉积多层膜龟裂的临界层应力的调控方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜，特别是一种解决电子束沉积多层膜龟裂的临界层应力的调控方法。

背景技术

膜层应力是光学薄膜元件性能的参数之一，膜层应力会导致基底在镀膜前后发生形变。当膜层张应力过大时，甚至会引起膜层龟裂，导致薄膜元件无法使用。膜层应力与膜系设计、沉积技术和沉积工艺密切相关。高功率应用的大尺寸薄膜元件通常采用电子束沉积技术制备，而电子束沉积技术制备的多层膜元件在膜层沉积过程和低湿环境下往往呈现较大的张应力，对于一定的张应力，当薄膜厚度超过临界厚度，多层膜拉伸强度大于断裂强度，将导致薄膜出现龟裂。以大尺寸偏振膜为例，其膜层厚度远高于一般的反射膜，接近8μm，常易发生膜层龟裂问题。在美国NIF、法国LMJ原型、日本LFEX和GEKKO装置等大型高功率激光装置的建设或运行过程中，均曾遭遇偏振膜龟裂的困扰。该问题得到最终解决的证据是2012年罗切斯特大学发表的学术论文(Optics Express，20(15)：16596，2012)，采用的技术措施是利用Al₂O₃膜层补偿HfO₂/SiO₂膜层应力。但该方法涉及三种材料，除增加了膜系设计难度以外，极大地增加了实际制备工艺难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种解决电子束沉积多层膜龟裂的临界层应力的调控方法，该方法能够解决电子束沉积较厚膜层时，因膜层张应力太大导致的膜层龟裂问题，且不会增加膜系设计难度和实际制备工艺难度。

本发明的技术解决方案如下：

一种解决电子束沉积多层膜龟裂的临界层应力的调控方法，其特点在于：采用离子束辅助沉积技术沉积应力临界层，采用电子束沉积技术沉积应力临界层之外的其他膜层，包括以下步骤：

1)向计算机输入参数：

包括设计波长λ_D、高折射率材料折射率n_H、低折射率材料折射率n_L、高折射率材料在沉积环境的应力σ_H、低折射率材料在沉积环境的应力σ_L、所需镀制的膜系、薄膜的抗裂强度Г、取决于裂纹特性的无量纲参数Z、多层膜的杨氏模量E_f、多层膜的泊松比V_f；

2)计算应力临界层所处层数：

①根据公式(1)依次计算第j层膜沉积完成后的多层膜应力σ_Tj：

其中：j＝1、2……M，M为总膜层数，t_j为第j层膜层的厚度系数；

②根据公式(2)依次计算膜层应力为σ_Tj时的临界层厚度h_cj：

当h_cj≤(t₁/n₁+t₂/n₂+...+t_j/n_j)×λ_D/4时，令临界层判据F_j＝1；否则，令F_j＝0；

③输出每层膜的临界层判据；

3)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；

4)薄膜制备：

①将基底加热至120℃～250℃；当真空度优于9.0×10^-3Pa时，开始镀膜：

②令m＝1，

③开始镀制第m层膜：

如果F_m＝0，采用电子束沉积技术镀制该膜层，如该膜层为HfO₂层，氧分压为1.5×10^-2Pa～5.0×10^-2Pa，沉积速率为0.05nm/s-0.3nm/s；如该膜层为SiO₂层，氧分压为本底真空至3.0×10^-2Pa，沉积速率为0.3nm/s～1.0nm/s；

否则如果F_m＝1，采用离子束辅助沉积技术镀制该膜层，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为70V～170V，镀完该膜层后关闭等离子体源：

④令m＝m+1，当m+1>M时，进入步骤⑤，否则返回步骤③，

⑤完成镀膜。

本发明的技术效果：