HfO2/SiO2高反射薄膜的应力控制技术研究

物理气象沉积的薄膜通常都有应力.为了防止高反膜应力破坏基底的面型,采用数字波面干涉仪对电子束蒸发方法制备的薄膜的应力进行了测量,并讨论了影响光学介质薄膜应力的多种因素.使用了一种交替沉积HfO2和SiO2薄膜的技术路线,HfO2薄膜作为高折射率材料体现出张应力,SiO2薄膜作为低折射率材料体现出压应力.结果表明,在稳定了很多实验条件的情况下,通过调整镀膜时的充氧量和镀膜材料的蒸发速率实现了应力的平衡;高反射薄膜有比较高的损伤阈值.     

热处理对双离子束溅射SiO2薄膜力学及热力学特性的影响

光学薄膜的力学及热力学特性决定了光学系统性能的优劣。采用双离子束溅射的方法在硅110和肖特石英Q1基底上制备了SiO2薄膜,并对制备的膜层进行退火处理。系统研究了热处理前后SiO2薄膜的力学及热力学特性。研究结果表明,750℃退火条件下SiO2薄膜的弹性模量（Er）增加到72 GPa,膜层硬度增加到10 GPa。镀完后未经退火处理的SiO2薄膜表现为压应力,但是应力值在退火温度达到450℃以上时急剧降低,说明热处理有助于改善SiO2薄膜内应力。经退火处理的SiO2薄膜泊松比（vf）为0.18左右。退火前后SiO2薄膜的杨氏模量（Ef）都要比石英块体材料大,并且750℃退火膜层杨氏模量增加了50 GPa以上。550℃退火的SiO2薄膜热膨胀系数（f）从6.7810-7℃-1降到最小值5.2210-7℃-1。     

高反射镜膜层应力耦合研究

为了控制高损伤阈值高反射镜膜层的应力,研究了沉积过程中沉积倾角、充氧量对高、低折射率单层膜应力大小的影响.研究发现这两个参数对控制薄膜应力有很大影响,SiO2薄膜在沉积倾角较小和充氧量增大时应力都逐渐减小,SiO2薄膜应力为压应力;HfO2薄膜在充氧量增大时薄膜应力变小,HfO2薄膜应力为张应力.因此,根据SiO2和H...     

1064nm激光多脉冲下HfO2/SiO2高反膜损伤规律

利用小口径元件损伤测试平台对HfO2/SiO2高反膜的1 064 nm激光多脉冲损伤规律进行了研究。研究结果表明:多脉冲作用下HfO2/SiO2高反膜损伤在形态上主要分为色斑和层裂两类,在一定条件的多发次脉冲作用下,色斑损伤存在向层裂损伤转换的趋势;层裂损伤尺寸随脉冲发次呈指数递增后趋于极大值的变化规律,且终态尺寸与辐照激光能量密度呈近似线性关系;色斑S-on-1损伤阈值与脉冲发次关系不明显,而层裂S-on-1损伤阈值随脉冲发次增加呈指数衰减后趋于极小值的变化规律。采用衰减公式拟合手段,对元件抗损伤能力退化规律进行了初步的定量分析。     

电子束蒸发SiO2薄膜残余应力在不同湿度环境下的对比

采用电子束蒸发方法在BK7基底上制备SiO2单层膜,通过台式探针轮廓仪分别测量了大气(45%RH)和干燥环境(5%RH)中不同沉积温度下制备的SiO2单层膜残余应力,同时使用分光光度计和原子力显微镜对样品的折射率和表面形貌进行研究。测试结果表明:SiO2薄膜的残余应力在两个环境中均表现为压应力,且随沉积温度的升高均逐渐增大。干燥环境下与大气环境相比,应力值减小了约100MPa。此外,随沉积温度的升高,薄膜折射率不断增大,表面粗糙度逐渐减小。说明:随着沉积温度的变化,SiO2薄膜的微结构发生了改变。相应地,由水诱发的应力随薄膜致密度的增加而逐渐减小。     

HfO2/SiO2多层高反膜脉冲YAG激光预处理机理的研究

本文研究了HfO2 /SiO2 多层高反膜脉冲YAG激光预处理提高抗激光损伤阈值的机理。通过分析和计算 ,我们提出了一种物理模型 ,即热扩散模型。由于扩散结果 ,导致HfO2 膜层的折射率增加 ,致使HfO2 、SiO2 膜层交界处光驻波波峰降低 ,从而提高了薄膜抗激光损伤阈值     

高折射率材料吸收特性对193 nm HfO2/SiO2,Y2O3/SiO2,Al2O3/SiO2多层膜反射特性的影响

由单层HfO2，SiO2，Y2O3，Al2O3膜求出其折射率和消光系数色散曲线，据此计算出HfO2／SiO2，Y2O3／SiO2，Al2O3／SiO2的193nm多层膜反射膜曲线，并用电子束热蒸发的方法进行镀制。由分光光度计测量样品的透射率和绝对反射率，求出了各种膜层的吸收曲线。结果发现HfO2／SiO2，Al2O3／SiO2反射率实验结果与理论结果吻合得很好，而Y2O3／SiO2的理论曲线偏高。通过模拟Y2O3／SiO2的反射率曲线发现Y2O3的消光系数远大于由单层膜实验得出的结果。这说明Y2O3膜层的吸收特性与薄膜的制备工艺密切相关。     

PECVD法制备SiO2薄膜的热应力影响研究

研究了等离子体增强化学气相淀积(PECVD)法生长SiO2薄膜的应力与测量温度以及热处理温度的关系。借助FLX-2320-S应力仪测量计算了SiO2薄膜的应力,通过改变薄膜热处理时的温度以及测量时的温度,分析了这些参数对SiO2薄膜应力的影响。同时讨论了应力产生的原因以及随温度条件变化的机理,对热处理条件的选择有一定的参考意义。     

沉积温度对电子束蒸发HfO2薄膜残余应力的影响

采用电子束蒸发沉积方法在BK7玻璃基底和熔融石英基底上沉积了HfO2薄膜,研究了不同沉积温度下的应力变化规律。利用ZYGO干涉仪测量了基片镀膜前后曲率半径的变化,计算了薄膜应力。结果发现在所考察的实验条件下HfO2薄膜的残余应力均为张应力,应力值随沉积温度的升高先增大后减小。两种基底上薄膜的残余应力的主要产生机制不同。对于BK7玻璃基底HfO2薄膜的残余应力起决定作用的是内应力,熔融石英基底上HfO2薄膜的残余应力在较低沉积温度下制备的薄膜起决定作用的是热应力,在沉积温度进一步升高后内应力开始起决定作用。通过对样品的X射线衍射(XRD)测试,发现在所考察的温度范围内,HfO2薄膜的结构发生了晶态转换,这一结构转变与薄膜残余应力的变化相对应。两种基底上薄膜微结构的演变及基底性能差异是两种基底上薄膜应力不同的主要原因。     

1064nm激光预处理对HfO2/SiO2反射膜损伤形态转化影响研究

实验研究了不同激光预处理参数对于纳秒激光多脉冲作用下HfO2/SiO2反射膜损伤形态转化的影响。通过对比两类损伤扩张性和对薄膜功能性破坏机制,提出激光预处理技术的重要意义在于抑制损伤形态转化过程。通过薄膜损伤形态分析揭示了激光预处理作用机制为节瘤缺陷的去除和亚表面吸收前驱体的形成两方面的综合作用。实验结果表明:预处理后薄膜损伤形态转化特征曲线向更高通量和更多发次方向平移。针对现有工艺下的薄膜,采用高通量、两台阶的预处理参数组合能够获得兼顾效率的最佳收益,其零几率损伤形态转化阈值最高可以提升140%。     

不同制备工艺下氧化硅和氧化铪薄膜的椭偏光谱

椭偏技术是一种分析表面的光学方法,通过测量被测对象(样品)反射出的光线的偏振状态的变化情况来研究被测物质的性质。结合XRD和原子力显微镜等方法,利用椭圆偏振光谱仪测试了单层SiO2薄膜(K9基片)和单层HfO2薄膜(K9基片)的椭偏参数,并用Sellmeier模型和Cauchy模型对两种薄膜进行拟合,获得了SiO2薄膜和HfO2薄膜在300～800 nm波段内的色散关系。用X射线衍射仪确定薄膜结构,用原子力显微镜观察薄膜的微观形貌,分析表明:SiO2薄膜晶相结构呈现无定型结构,HfO2薄膜的晶相结构呈现单斜相结构;薄膜光学常数的大小和薄膜的表面形貌有关;Sellmeier和Cauchy模型较好地描述了该波段内薄膜的光学性能,并得到薄膜的折射率和消光系数等光学常数随波长的变化规律。     

非制冷红外探测器多孔硅绝热层的研究

以多孔硅作为绝热层材料,采用超高真空对靶磁控溅射镀膜法,在多孔硅样品表面和硅基底表面沉积氧化钒薄膜。实验采用电化学腐蚀法制备多孔硅,利用场致发射扫描电子显微镜观测了孔隙率为50%,60%,70%三个多孔硅样品的微观形貌。利用显微喇曼光谱法测量其热导率,分别为8.16,7.28和0.624W/mK;利用纳米压入仪测量氧化钒薄膜的显微硬度和杨氏模量,测得沉积在孔隙率为50%,60%,70%的多孔硅基底上氧化钒薄膜的显微硬度分别为1.917,0.928和0.13GPa,杨氏模量分别为31.087,16.921和2.285GPa,而沉积在单晶硅基底的氧化钒薄膜的显微硬度和杨氏模量分别为10.919GPa和193.792GPa,并分析了微观结构差异对多孔硅绝热性能和机械性能的影响,为非制冷红外探测器的工艺制作过程提供一定的热学力学参数。     

H2 carrier gas dependence of Young's modulus and hardness of chemical vapor deposited polycrystalline 3C-SiC thin films

This paper presents the mechanical properties of poly (polycrystalline) 3C-SiC thin films according to 0%, 7%, and 10% carrier gas (H₂) concentrations using nano-indentation. When H₂ concentration was 10%, it has been proved that the mechanical properties, Young's modulus, and hardness of poly 3C-SiC films are the best of them. In the case of 10% H₂ concentration, Young's Modulus and hardness were obtained as 367 and 36 GPa, respectively. The surface roughness according to H₂ concentrations was investigated by AFM (atomic force microscope). When H₂ concentration was 10%, the roughness of 3C-SiC thins was 9.92 nm, which is also the best of them. Therefore, in order to apply poly 3C-SiC thin films to MEMS (micro-electromechanical system) applications, H₂ concentration's rate should increase to obtain better mechanical properties and surface roughness.     

离子束溅射制备氧化物薄膜沉积速率调整方法

采用正交试验设计方法,系统研究了离子束溅射HfO2、Ta2O5 和SiO2 薄膜的沉积速率与工艺参数（基板温度、离子束压、离子束流和氧气流量）之间的关联性。采用正交表L9（34）设计了9 组实验,采用时间监控的离子束溅射沉积方法,分别制备HfO2、Ta2O5 和SiO2 薄膜,并对三种薄膜的27 个样品采用椭圆偏振法测量并计算物理厚度,继而获得沉积速率。实验结果表明:对Ta2O5 和SiO2 薄膜沉积速率影响的工艺参数相同,影响权重从大到小依次为离子束流、离子束压、氧气流量和基板温度;对 HfO2 薄膜沉积速率影响的工艺参数按权重从大到小依次为离子束流、离子束压、基板温度和氧气流量。研究结果为调整HfO2、Ta2O5 和SiO2 薄膜沉积速率提供了依据。     

HfO2薄膜折射率非均质性生长特性研究

在加热的BK7基板上,采用电子束蒸发(EB)工艺制备了一系列不同厚度的HfO2单层膜,对HfO2薄膜生长过程中的折射率非均质性进行了研究。光谱分析表明薄膜非均质性与其厚度息息相关。X射线衍射(XRD)测试表明不同非均质性薄膜对应不同的微观结构;薄膜的微观结构主要由薄膜的生长机制决定。当膜厚较薄时,薄膜不易结晶,呈无定形态,此时薄膜呈正非均质性。如果沉积温度足够高,则薄膜达到一定厚度后开始结晶,此后薄膜折射率就会逐渐下降。随着薄膜继续生长,薄膜晶态结构保持恒定不再变化,非均质性也会因此保持不变达到极值。     

Ion implantation impurity profiles in HfO/sub 2/

We implanted B, As, and P ions in a 110-nm-thick layer of HfO/sub 2/ and extracted the parameters of a Pearson IV function. The projected range of the ion implantation was about half of that in SiO/sub 2/. Thus, when impurities were ion implanted in an Si substrate through a thin layer of HfO/sub 2/ or SiO/sub 2/, a smaller dose was retained in the substrate in the former than in the latter case. This effect was demonstrated with P-ion implantation.