一种低吸收低热畸变薄膜的实现方法
阅读说明：本技术 一种低吸收低热畸变薄膜的实现方法 (Method for realizing low-absorption low-heat distortion film ) 是由 王胭脂 王志皓 邵建达 张宇晖 陈昌 朱晔新 晋云霞 邵宇川 易葵 贺洪波 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：一种低吸收低热畸变薄膜及其制备方法,包括基础膜系选择、膜系优化、基板的超声清洗、基板的真空离子束清洗、离子束溅射制备薄膜、退火后处理；将膜系分为低吸收控制层和低热畸变控制层两部分分别优化的膜系优化方法,并通过镀膜前的基板处理及镀膜后的退火后处理降低薄膜内部的吸收性缺陷,使用双离子束溅射的沉积方式并通过沉积过程中的参数调控进一步改善薄膜的热畸变。本发明可以在整个工艺流程上获得和保障反射率大于99.995％的高反射膜,同时与普通工艺制备出的薄膜相比吸收降低99％。采用本发明制备出的薄膜在长时间工作下损耗低,具有工艺重复性好、可控性强、可靠性高等优点,适用于引力波探测、激光陀螺等高精度测量和高稳定性光学系统的使用。(A low-absorption low-heat distortion film and a preparation method thereof comprise the steps of selecting a basic film system, optimizing the film system, ultrasonically cleaning a substrate, cleaning a vacuum ion beam of the substrate, preparing a film by ion beam sputtering, and annealing post-treatment; the method is a film system optimization method which divides a film system into a low absorption control layer and a low heat distortion control layer to be optimized respectively, reduces the absorption defects in the film through substrate treatment before film coating and annealing post-treatment after film coating, and further improves the heat distortion of the film by using a deposition mode of dual ion beam sputtering and parameter regulation and control in the deposition process. The invention can obtain and guarantee the high-reflection film with the reflectivity of more than 99.995 percent on the whole process flow, and simultaneously, the absorption is reduced by 99 percent compared with the film prepared by the common process. The film prepared by the invention has low loss under long-time work, has the advantages of good process repeatability, strong controllability, high reliability and the like, and is suitable for high-precision measurement such as gravitational wave detection, laser gyro and the like and the use of high-stability optical systems.)
技术领域
本发明涉及一种适用于空间引力波探测、激光陀螺的低吸收低热畸变薄膜及其实现方法，属于薄膜光学技术领域。
背景技术
发展空间引力波探测和激光陀螺对国家的军事国防安全和科技发展具有战略意义。而在这些需要进行高精度测量和具有高稳定性光学系统中，薄膜元件的热畸变和热吸收是限制其发展的关键因素之一。
如为满足空间引力波探测的需求，在光学望远镜系统中须减小使用过程中因材料热畸变而引起的像差。激光系统也需要高稳定的激光输出，而长时间工作下薄膜损耗的增加会导致反射镜反射率下降，从而造成激光器性能的不稳定。因此对于其中应用的高反膜薄膜的研制目标是反射能量尽可能高，并且在长时间工作下热稳定性好，具有高可靠性和长寿命。
在低热畸变高反射薄膜制备的过程中，从基础膜系选择、膜系优化到基板的超声清洗、基板的真空离子束清洗、离子束溅射制备薄膜再到退火后处理要对进行整个流程进行控制，单一工艺的控制对最终获得超低损耗高反射镜是有限的，必须将整个工艺流程串联起来，形成完整的低吸收低热畸变薄膜的实现方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题实现低吸收低热畸变薄膜的制备，提出了基础膜系选择、膜系优化、基板的超声清洗、基板的真空离子束清洗、离子束溅射制备薄膜、退火后处理的一种高反射率、低吸收低热畸变薄膜的设计以及工艺流程，具体流程如下：
一种低吸收低热畸变薄膜的膜系为Sub/(aHbL)^n H(cLdM)^m/Air，H＝Ta2O5， L＝SiO2，M＝Al2O3，a、b、c、d为四分之一波长光学厚度的系数。(aHbL)^n H为低吸收控制层，作用为调控薄膜实现低吸收损耗；(cLdM)^m为低热畸变控制层，作用为调控薄膜实现低热畸变。n为低吸收控制层中aHbL的周期数，m为低热畸变控制层中cLdM的周期数，n＝15-30，m＝1-5。
本发明中，四分之一波长光学厚度的系数a、b分别根据H、L两种材料的吸收系数进行调整，a、b随层数x的变化关系为：a＝1.3-0.12(x-1),b＝1.3+0.12(x-1)，直至a＝1，b＝1时后面周期中的a、b值保持为1不再变化；c、d分别根据M、L两种材料的热膨胀系数进行调整，c、d随层数y的变化关系为：c＝1+2-y,d＝1-2-y。
本发明中，低吸收低热畸变薄膜的实现方法包括如下步骤：
(1)基板的超声清洗：将基板放入超声波清洗槽中，使用洗涤剂清洗表面有机物，然后用纯水超声清洗，超声清洗后用烘烤灯烘干；
(2)基板的真空离子束清洗：将步骤(1)清洗后的基板进行装夹后，安装到镀膜机中，控制真空度为1×10-4torr～4×10-4torr，使用氩气和氧气混合气体对基板表面进行清洗，流量分别为5sccm和5sccm，离子束清洗时间为5～15分钟，离子束电压为550～700V，离子束电流为150～300mA；
(3)基板上镀膜：首先利用高纯钽靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在步骤(2)得到的基板上按照(aHbL)^n的膜系结构交替沉积Ta2O5和SiO2，得到低吸收控制层；再利用高纯钽靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上沉积一层氧化钽；最后利用高纯铝靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上按照(cLdM)^m的膜系结构交替沉积Al2O3和SiO2，得到低热畸变控制层；即完成低吸收低热畸变薄膜的沉积；
(4)薄膜的退火处理：对步骤(3)得到的低吸收低热畸变薄膜进行3次退火处理，3次的温度依次上升。
本发明中，所述步骤(1)中基板材料为蓝宝石、微晶中的一种，基板材料镀膜区域为超光滑，镀膜区域原子力测量表面粗糙度<0.1nm。
本发明中，所述步骤(3)中控制超声波的频率为40～100KHZ，超声波功率为 1～2KW；所述清洗剂为mirco-90，溶度1～2％，超声时间为8～15分钟；清洗剂超声清洗后再用去离子水超声清洗，纯水超声清洗时间为8～15分钟，水温为30～40度；清洗结束后用烘烤灯干燥，温度80～100度。
本发明中，所述步骤(4)中离子束使用氩气和氧气等离子体，氩气的纯度大于99.999％；离子束清洗时间为5～10分钟，离子束电压为600-750V，离子束电流为 150-300mA。
本发明中，所述步骤(5)中镀膜材料采用金属钽靶(H：Ta)、金属铝靶(M： Al)和金属硅靶(L：Si)，靶材纯度均为99.99％，分别和高纯氧气反应生成Ta2O5、Al2O3和SiO2，纯氧的浓度99.999％。沉积薄膜时基板温度为100-150℃，充氧量为 30-60sccm，沉积速率为0.18-0.21nm/s。
本发明中，所述步骤(6)对薄膜进行退火处理，退火共进行3次，温度依次为 200℃-300℃，300℃-350℃，350℃-400℃，每次退火时长为5h-10h。
本发明中，该薄膜对于波长1064nm的入射光，在较长工作时间下反射率高于99.995％的关键在于提出了一种低吸收低热畸变薄膜的膜系优化方法，通过对低吸收控制层和低热畸变控制层的膜系进行重新优化调整，并将设计与制备方法相结合获得整套的工艺流程控制。为了满足低吸收低热畸变薄膜的研制需求，基板采用低热膨胀系数的蓝宝石、微晶等材料，镀膜材料采用紫外波段吸收损耗较小且张应力较小的Ta2O5、Al2O3、SiO2等材料。薄膜制备方法方面，采用双离子束溅射沉积的方法，通过基板超声清洗、全流程工艺控制以及镀膜后退火处理，降低膜层表面粗糙度，减少缺陷形成，改善薄膜与基板结合力，进一步提高了薄膜的反射率，降低了其光学损耗。
本发明具有以下优点：
1、通过对基础高反膜系进行优化调整，将低吸收和低热畸变分层控制，并采用温度逐渐增加的退火处理方式，有效降低了薄膜的吸收和热畸变；
2、根据低吸收控制层中两种材料的吸收系数，对低吸收控制层每层的四分之一波长光学厚度的系数进行调整。对于波长1064nm的入射光，薄膜吸收低于 0.5ppm，与普通方法设计制备出的薄膜相比吸收降低99％；
3、根据低热畸变控制层中两种材料的热膨胀系数，对低吸收控制层每层的四分之一波长光学厚度的系数进行调整。薄膜在长时间工作环境下热畸变小， 24h工作时间下薄膜形变量低于0.01％；
4、使用双离子束溅射镀膜的方法，有效降低了沉积膜层的消光系数，保障了高反射薄膜的反射率：对于波长1064nm的入射光，反射率高于99.995％；
5、通过整套工艺流程的控制，大大提高了低吸收低热畸变薄膜的制备生产效率。
附图说明
图1是低吸收低热畸变薄膜的膜层结构图。
图2为低吸收低热畸变薄膜的实现流程图，其中各字母依次表示的工艺流程为：A：基础膜系选择；B：膜系优化；C：基板的超声清洗；D：基板的真空离子束清洗；E：离子束溅射制备薄膜；F：退火后处理。
图3为实施例1的薄膜反射率。
图4为实施例2的薄膜反射率。
图5为实施例3的薄膜反射率。
具体实施方式
结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：在蓝宝石基板上制备低吸收低热畸变薄膜：膜系为Sub/(aHbL)^15 H(cLdM)^4/Air，H＝Ta2O5，L＝SiO2，M＝Al2O3。将低吸收控制层中的每个周期aHbL 按照a、b随层数x的变化符合a＝1.3-0.12(x-1),b＝1.3+0.12(x-1)，低热畸变控制层中的每个周期cLdM按照c、d随层数y的变化符合c＝1+2-y,d＝1-2-y进行重新优化调整。将表面粗糙度小于0.1nm的蓝宝石基板放入超声波清洗槽中，控制超声波的频率为 80KHZ，超声波功率为1.5KW；所述清洗剂为mirco-90，溶度2％，超声时间为8 分钟；基板清洗剂超声后再用去离子水超声清洗，纯水超声清洗时间为8分钟，水温为35度；清洗结束后用烘烤灯干燥，温度100度；将清洗后的基板进行装夹后，安装到镀膜机中去，设备为Veeco公司的Spector 1.0镀膜机，镀膜机有16cm和12cm 两个离子源，12cm离子源使用氩气和氧气混合气体对基板表面进行清洗，流量分别为5sccm和5sccm，离子束清洗时间为5分钟，离子束电压为650V，离子束电流为 300mA。利用高纯钽靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在基板上按照(aHbL)^15的膜系结构交替沉积Ta2O5和SiO2，得到低吸收控制层，制备Ta2O5膜时基板温度为120度，充氧量为60sccm，沉积速率为0.2nm/s，制备SiO2膜时控制基板温度为 120度，充氧量为30sccm，沉积速率为0.19nm/s；再利用高纯钽靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上沉积一层氧化钽；再利用高纯铝靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上按照(cLdM)^4的膜系结构交替沉积Al2O3和 SiO2，得到低热畸变控制层，制备Al2O3膜时基板温度为120度，充氧量为50sccm，沉积速率为0.18nm/s。再对薄膜进行退火处理，退火共进行3次，温度依次为200℃， 300℃，400℃，每次退火时长为8h。完成整个流程后的样品，对薄膜的反射率进行测量，反射率达到99.998％。对薄膜进行1064nm弱吸收测试，测试结果为0.42ppm，而普通工艺制备出的薄膜1064nm弱吸收为150ppm，采用本发明制备出的薄膜吸收降低99.72％。对薄膜进行稳定性测试，在24h工作时间下薄膜形变量低于0.01％；
实施例2：在蓝宝石基板上制备低吸收低热畸变薄膜：膜系为Sub/(aHbL)^30 H(cLdM)^2/Air，H＝Ta2O5，L＝SiO2，M＝Al2O3。将低吸收控制层中的每个周期aHbL 按照a、b随层数x的变化符合a＝1.3-0.12(x-1),b＝1.3+0.12(x-1)，低热畸变控制层中的每个周期cLdM按照c、d随层数y的变化符合c＝1+2-y,d＝1-2-y进行重新优化调整。将表面粗糙度小于0.1nm的蓝宝石基板放入超声波清洗槽中，控制超声波的频率为 60KHZ，超声波功率为1.5KW；所述清洗剂为mirco-90，溶度2％，超声时间为12 分钟；基板清洗剂超声后再用去离子水超声清洗，纯水超声清洗时间为8分钟，水温为35度；清洗结束后用烘烤灯干燥，温度100度；将清洗后的基板进行装夹后，安装到镀膜机中去，设备为Veeco公司的Spector 1.0镀膜机，镀膜机有16cm和12cm 两个离子源，12cm离子源使用氩气和氧气混合气体对基板表面进行清洗，流量分别为5sccm和5sccm，离子束清洗时间为15分钟，离子束电压为600V，离子束电流为150mA。利用高纯钽靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在基板上按照(aHbL)^30的膜系结构交替沉积Ta2O5和SiO2，得到低吸收控制层，制备Ta2O5膜时基板温度为120度，充氧量为60sccm，沉积速率为0.2nm/s，制备SiO2膜时控制基板温度为120度，充氧量为30sccm，沉积速率为0.19nm/s；再利用高纯钽靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上沉积一层氧化钽；再利用高纯铝靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上按照(cLdM)^2的膜系结构交替沉积 Al2O3和SiO2，得到低热畸变控制层，制备Al2O3膜时基板温度为120度，充氧量为 50sccm，沉积速率为0.18nm/s。再对薄膜进行退火处理，退火共进行3次，温度依次为200℃，350℃，500℃，每次退火时长为8h。完成整个流程后的样品，对薄膜的反射率进行测量，反射率达到99.999％。对薄膜进行1064nm弱吸收测试，测试结果为0.48ppm，而普通工艺制备出的薄膜1064nm弱吸收为150ppm，采用本发明制备出的薄膜吸收降低99.68％。对薄膜进行稳定性测试，在24h工作时间下薄膜形变量低于0.01％；
实施例3：在微晶基板上制备低吸收低热畸变薄膜：膜系为Sub/(aHbL)^22 H(cLdM)^3/Air，H＝Ta2O5，L＝SiO2，M＝Al2O3。将低吸收控制层中的每个周期aHbL 按照a、b随层数x的变化符合a＝1.3-0.12(x-1),b＝1.3+0.12(x-1)，低热畸变控制层中的每个周期cLdM按照c、d随层数y的变化符合c＝1+2-y,d＝1-2-y进行重新优化调整。将表面粗糙度小于0.1nm的微晶玻璃基板放入超声波清洗槽中，控制超声波的频率为50KHZ，超声波功率为1.5KW；所述清洗剂为mirco-90，溶度2％，超声时间为 15分钟；基板清洗剂超声后再用去离子水超声清洗，纯水超声清洗时间为8分钟，水温为35度；清洗结束后用烘烤灯干燥，温度100度；将清洗后的基板进行装夹后，安装到镀膜机中去，设备为Veeco公司的Spector 1.0镀膜机，镀膜机有16cm和12cm 两个离子源，12cm离子源使用氩气和氧气混合气体对基板表面进行清洗，流量分别为5sccm和5sccm，离子束清洗时间为8分钟，离子束电压为750V，离子束电流为 200mA。利用高纯钽靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在基板上按照(aHbL)^22的膜系结构交替沉积Ta2O5和SiO2，得到低吸收控制层，制备Ta2O5膜时基板温度为120度，充氧量为60sccm，沉积速率为0.2nm/s，制备SiO2膜时控制基板温度为 120度，充氧量为30sccm，沉积速率为0.19nm/s；再利用高纯钽靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上沉积一层氧化钽；再利用高纯铝靶和高纯硅靶，使用双离子束溅射的方法在低吸收控制层上按照(cLdM)^3的膜系结构交替沉积Al2O3和 SiO2，得到低热畸变控制层，制备Al2O3膜时基板温度为120度，充氧量为50sccm，沉积速率为0.18nm/s。再对薄膜进行退火处理，退火共进行3次，温度依次为300℃， 350℃，400℃，每次退火时长为8h。完成整个流程后的样品，对薄膜的反射率进行测量，反射率达到99.998％。对薄膜进行1064nm弱吸收测试，测试结果为0.45ppm，而普通工艺制备出的薄膜1064nm弱吸收为150ppm，采用本发明制备出的薄膜吸收降低99.7％。对薄膜进行稳定性测试，在24h工作时间下薄膜形变量低于0.01％。
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