劉保劍 段微波 李大琪 余德明 陳剛 王天洪 劉定權

(中國科學院上海技術物理研究所,上海 200083)

1 引 言

隨著航天遙感技術的不斷發(fā)展,星載激光測高儀以其測量分辨率高、多功能的優(yōu)勢,在對地觀測、深空探測以及大氣探測等領域獲得了廣泛的應用[1?3].介質膜反射鏡是激光測高儀光學系統(tǒng)中不可缺少的光學薄膜元件,主要功能是實現(xiàn)光信號高效傳遞,是系統(tǒng)中需要做精確控制的環(huán)節(jié)之一.五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)是介質反射膜鍍制時兩種常用的高、低折射率材料.Ta2O5光譜透過范圍寬(0.3—10.0 μm),具有較低的光學吸收,同時具有較高的折射率,被廣泛地應用于各種光學器件[4?7].一般情況下,介質反射膜要達到反射率99%以上的要求,高、低折射率材料往往需要鍍制十多層甚至幾十層,膜層中的應力會使基底產(chǎn)生彎曲,進而影響反射鏡面形.當反射鏡的面形精度較低時,將會使傳輸?shù)牟ㄇ盎?導致輸出光束質量顯著下降,直接影響探測系統(tǒng)測速測距的分辨率和精度[8,9].因此,開展介質膜反射鏡面形控制相關技術的研究,以消除或減小膜層應力對鏡面面形的影響顯得迫切和必要.

熱處理是最常用的薄膜后處理工藝之一,薄膜在退火后可以改變其微觀結構、光學性能和應力特性.當前,己有不少學者對光學薄膜熱退火處理進行了研究[10?15].季一勤等[16,17]分析了熱處理對離子束濺射SiO2薄膜結構與力學特性的影響,結果表明當退火溫度為550 ℃,離子束濺射SiO2薄膜的短程有序范圍最大,結構穩(wěn)定,并且熱處理有助于改善SiO2薄膜內應力.Shen等[18]研究了退火對電子束蒸發(fā)制備HfO2/SiO2多層膜殘余應力的影響,結果表明當退火溫度為200 ℃時,HfO2/SiO2多層膜由壓應力轉變?yōu)閺垜?并且隨著退火溫度的升高而增大.但是,目前的研究主要集中于退火對光學材料單層膜以及HfO2/SiO2多層膜的影響研究.而針對不同退火溫度對Ta2O5/SiO2多層反射膜應力特性以及反射鏡面形影響的研究,尚未見相關的報道.反射膜膜層結構和應力特性是影響介質膜反射鏡面形狀態(tài)的關鍵因素.因此,有必要研究不同退火溫度對Ta2O5/SiO2多層反射膜結構和應力特性的影響.

本文通過離子束輔助電子束蒸發(fā)工藝在石英基底上沉積了Ta2O5/SiO2多層反射膜,然后對薄膜樣品在200—600 ℃的溫度下進行了退火處理,研究了不同退火溫度對Ta2O5/SiO2多層反射膜結構、光學性能和應力特性的影響.本文的研究內容對退火工藝在Ta2O5/SiO2介質膜反射鏡面形控制技術方面的應用具有重要意義.

2 實 驗

2.1 樣品制備

Ta2O5/SiO2多層反射膜膜系結構為(HL)12H,其中,H為光學厚度為l/4高折射率材料Ta2O5膜層,L為光學厚度為l/4低折射率材料SiO2膜層,工作角度為 17°,設計波長l為 1100 nm.基底為F30 mm×3 mm 的 JGS-1 石英基片.基片經(jīng)過拋光,面形精度均方根粗糙度(RMS)優(yōu)于1/(50l)(l=632.8 nm).Ta2O5/SiO2多層反射膜的制備在德國Leybold公司生產(chǎn)的LAB900型真空鍍膜機上進行.該設備的極限真空可達 5×10–5Pa.蒸發(fā)源為: 兩把 e 型電子槍,高壓均為 10 kV,可根據(jù)需要自由選擇環(huán)形或多穴坩堝.膜厚監(jiān)控采用4探頭石英晶振 + OMS5100光學自動控制系統(tǒng).輔助源為: RF 射頻離子源,柵網(wǎng)口徑 12 cm,最大束流可達 500 mA.當真空室真空達到 1×10–3Pa 時,打開工件轉動,轉速設定為50 r/min,打開離子源對基片進行清潔 5 min.Ta2O5,SiO2膜層的沉積采用電子束蒸發(fā)加離子輔助的方式沉積,離子源通入 28 sccm O2和 3 sccm Ar (1 sccm=1 mL/mim),真空室壓強約為 2.8×10–2Pa,離子源的束流設置為 250 mA,Ta2O5和 SiO2兩種材料的沉積速率分別為 0.20 nm/s和 0.8 nm/ s.沉積結束后,將薄膜樣品放入自動控溫石英管式爐中,分別在200,300,400,500 和 600 ℃ 的空氣中退火,保溫時間 2 h,保溫時間達到后隨爐冷卻,保溫時的溫度誤差最大為 ± 1 ℃.

2.2 樣品表征

采用德國布魯克公司的X射線衍射儀(XRD,Cu-Ka)研究樣品微觀結構,測量角度為 20°—80°,采用的步進尺度(2θ)為0.02°.采用Veeco公司的Nanoscope Multimode IV型 原子力顯微鏡(AFM)測量樣品的表面形貌并測量反射膜表面粗糙度.為了減少測量誤差,每個樣品選取3個不同區(qū)域進行測量,計算平均值作為樣品的最終表面粗糙度.通過使用美國Perkin Elmer公司的Lambda900型分光光度計測量薄膜樣品的反射率(掃描波長范圍為 800—1400 nm).通過使用 ZYGO公司的GPI-HS型激光干涉儀分別測量鍍膜前后基片的曲率半徑,計算出基片曲率的改變量,并由Stoney公式[19]可得到Ta2O5/SiO2多層反射膜的殘余應力

其中Es為基片楊氏模量,us為基片泊松比,tf為薄膜厚度,ts為基片厚度,R1與R2分別為鍍膜前后基片的曲率半徑.石英基片的楊氏模量和泊松比分別為72 GPa和0.17.

3 結果與討論

3.1 結構特性

為了研究退火溫度對Ta2O5/SiO2多層反射膜結構的影響,對所得樣品進行了XRD測試.Ta2O5/SiO2多層反射膜在不同溫度退火后的XRD衍射譜如圖1所示,可以看出,圖譜中沒有出現(xiàn)尖銳的衍射峰,說明所制備的薄膜并沒有結晶,同時,在衍射譜2θ為27°附近存在一定寬度的彌散峰,說明膜層結構存在短程有序.由此表明,經(jīng)過200 ℃到600 ℃退火處理,Ta2O5/SiO2多層反射膜結構沒有發(fā)生明顯改變,均為非晶態(tài)結構.

薄膜的表面形貌是光學薄膜的重要特性之一,粗糙的表面會使薄膜表面的散射變大,從而影響光學損耗.圖2為原子力顯微鏡(AFM)觀測樣品的表面形貌測量結果,掃描范圍為 5 μm×5 μm.通過對測量的表面形貌圖進行分析,獲得了不同溫度退火后Ta2O5/SiO2多層反射膜的RMS如圖3所示.從圖中可以看出,沉積態(tài)的Ta2O5/SiO2多層反射膜表面粗糙度較大,RMS 為 0.916 nm.隨著退火溫度的升高,表面形貌得到很大程度的改善,樣品的表面顆粒尺寸逐漸減小,膜層變得致密、平整,當退火溫度為400 ℃時RMS值達到最小,為0.368 nm; 當繼續(xù)增加退火溫度,Ta2O5/SiO2多層反射膜的表面粗糙度逐漸變大,同時可以看到樣品表面存在較大型顆粒的聚集,導致表面粗糙度變大,但是仍比沉積態(tài)的薄膜表面粗糙度小.

圖1 Ta2O5/SiO2 多層反射膜在不同溫度下退火后的XRD譜圖Fig.1.XRD patterns of Ta2O5/SiO2 multilayer reflective coatings annealed at different temperatures.

3.2 光學性能

退火溫度對Ta2O5/SiO2多層反射膜反射率的影響如圖4所示,可以看出隨著退火溫度的升高,反射率曲線整體向長波方向移動.當退火溫度達到600 ℃時,反射率光譜大約往長波方向移動了12 nm.退火后 Ta2O5/SiO2多層反射膜光譜漂移的原因與薄膜光學厚度的變化有關.膜層光學厚度為薄膜物理厚度與折射率的乘積,退火后薄膜的聚集密度和折射率均發(fā)生了變化.若膜層光學厚度大于退火前,則光譜曲線向長波方向漂移,反之則向短波方向漂移.同時,退火后Ta2O5/SiO2多層反射膜在1064 nm處的反射率,相比沉積態(tài)均有略微升高,反射率由沉積態(tài)時的99.5%變?yōu)?00 ℃退火后的99.8%.反射率變化的原因一方面是由于在大氣中退火可以有效消除薄膜中存在的氧空位,降低膜層的吸收; 另一方面,退火后Ta2O5膜層折射率變大[20],進而Ta2O5/SiO2折射率比值增大,使得多層反射膜反射率升高.

3.3 應力特性

圖2 經(jīng)不同溫度退火后 Ta2O5/SiO2 多層反射膜表面形貌 AFM 測試圖 (a) 沉積態(tài); (b) 200 ℃; (c) 300 ℃; (d) 400 ℃; (e) 500 ℃;(f) 600 ℃Fig.2.AFM images of Ta2O5/SiO2 multilayer reflective coatings annealed at different temperatures: (a) As-deposited; (b) 200 ℃;(c) 300 ℃; (d) 400 ℃; (e) 500 ℃; (f) 600 ℃.

圖3 經(jīng)不同溫度退火后 Ta2O5/SiO2 多層反射膜表面RMSFig.3.Surface RMS of Ta2O5/SiO2 multilayer reflective coatings annealed at different temperatures.

圖4 經(jīng)不同溫度退火后 Ta2O5/SiO2 多層反射膜反射率光譜曲線Fig.4.Reflectance spectra of Ta2O5/SiO2 multilayer reflective coatings annealed at different temperatures.

表1給出了Ta2O5/SiO2多層反射膜經(jīng)不同溫度退火后基片變形以及膜層殘余應力值.表中應力值為正時,表示薄膜受到張應力作用,基片變形為正值,鍍膜面呈凹形; 反之,若應力值為負時,表示薄膜受到壓應力作用,基片變形為負值,鍍膜面呈凸形.從表中可以看出,退火前Ta2O5/SiO2多層反射膜具有較高的壓應力,其值約為–90 MPa,由膜層應力引起的基片變形在–282 nm左右.隨著退火溫度的增加,壓應力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.反射膜經(jīng) 200 ℃ 退火后,膜層壓應力最大,其值高達–117.0 MPa,基片變形為–375.3 nm.退火溫度在200—400 ℃時,膜層壓應力有輕微下降,但變化不明顯.當退火溫度為500 ℃時,反射膜殘余應力有了明顯釋放,降低到了–28.6 MPa,基片變形變?yōu)楱C67.1 nm.當退火溫度進一步升高到 600 ℃時,反射膜殘余應力轉變?yōu)閺垜?其值為52.9 MPa,基片變形變?yōu)?213.3 nm.Ta2O5/SiO2多層反射膜樣品在高溫退火后,殘余應力呈現(xiàn)出由壓應力向張應力轉變的趨勢,使基片變形由上凸向下凹方向轉變.可能的原因是,退火消除了薄膜中存在的微孔和缺陷,薄膜體積發(fā)生收縮,從而使反射膜殘余應力向張應力轉變[21].另外,退火排除了薄膜中的一些吸附水,也有利于殘余應力向張應力發(fā)展.

Ta2O5/SiO2多層反射膜退火后,由反射膜與基底構成的介質膜反射鏡面形狀態(tài)如圖5所示.沉積態(tài)的介質膜反射鏡由于膜層壓應力的作用,表面呈凸形,鏡面面形參數(shù)峰谷(PV)值為0.470l(l=632.8 nm); 當退火溫度低于 400 ℃ 時,介質膜反射鏡面形PV值略有升高,最高值達到了0.731l;當退火溫度繼續(xù)升高到500 ℃,介質膜反射鏡鏡面面形有了明顯改善,PV值減小到了0.177l; 當退火溫度為600 ℃時,反射膜應力由于轉變?yōu)榱藦垜?反射鏡面形呈現(xiàn)了凹形,PV值增大到了0.372l.

為了進一步研究Ta2O5/SiO2多層反射膜在500—600 ℃退火溫度范圍內膜層應力的轉變過程,分別對反射膜在 525,550 ℃ 及 575 ℃ 溫度下進行了退火處理.表2給出了Ta2O5/SiO2多層反射膜在500—600 ℃退火后基片變形以及膜層殘余應力值,圖6給出了Ta2O5/SiO2多層反射膜在500—600 ℃退火后介質膜反射鏡面形狀態(tài).實驗結果表明,當退火溫度在525 ℃時,反射膜殘余應力得到了有效釋放,應力值降到了最小,為–4.3 MPa.同時,膜層應力導致的反射鏡面形變化得到了有效改善,使介質膜反射鏡具有了較好的面形狀態(tài),PV值優(yōu)于0.1l,RMS值優(yōu)于0.02l.

表1 經(jīng)不同溫度退火后Ta2O5/SiO2多層反射膜基片變形和殘余應力值Table 1.Substrate deflection and residual stress of annealed Ta2O5/SiO2 multilayer reflective coatings.

表2 Ta2O5/SiO2多層反射膜在500—600 ℃退火后基片變形和殘余應力值Table 2.Substrate deflection and residual stress of Ta2O5/SiO2 multilayer reflective coatings annealed at the temperature range from 500 to 600 ℃.

圖6 經(jīng) 500—600 ℃ 退火后介質膜反射鏡面形圖 (a) 525 ℃; (b) 550 ℃; (c) 575 ℃Fig.6.Surface figures of dielectric mirrors annealed at the temperature range from 500 to 600 ℃: (a) 525 ℃; (b) 550 ℃; (c) 575 ℃.

4 結 論

采用離子束輔助電子束蒸發(fā)工藝在石英基底上沉積 Ta2O5/SiO2多層反射膜,并在 200—600 ℃的空氣中做退火處理,系統(tǒng)研究了退火溫度對Ta2O5/SiO2多層反射膜結構、光學性能以及應力特性的影響.研究結果如下: Ta2O5/SiO2多層反射膜在200—600 ℃范圍退火后,膜層均為非晶態(tài)結構;退火溫度對Ta2O5/SiO2多層反射膜表面粗糙度影響較大,隨著退火溫度的升高,膜層表面粗糙度先減小后逐漸增大,但均小于沉積態(tài); Ta2O5/SiO2多層反射膜退火后,反射光譜略向長波方向漂移,反射率略微升高,光譜性能整體穩(wěn)定; 反射鏡在500—600 ℃退火后,殘余應力由壓應力向張應力轉變,鏡面面形由凸形向凹形轉變.結果表明: 采用合適的溫度退火可以有效釋放Ta2O5/SiO2薄膜的殘余應力,消除膜層應力造成的基片變形,進而改善介質膜反射鏡面形狀態(tài),同時退火后反射膜層結構與光譜性能穩(wěn)定,可使介質膜反射鏡能夠滿足星載激光測高儀應用要求.