专利名称：低紫外光学损耗的氧化铝薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及光学薄膜，特别是一种低紫外光学损耗的氧化铝薄膜的制备方法。技术背景由于半导体工业和激光材料加工工业的发展，导致了对应用于紫外波段尤其 是远紫外-真空紫外(DUV-VUV)波段的优质高能光学元件的需要急剧上升。而 这些元件多数为镀膜后使用，因此紫外波段薄膜元件性能的优化提高面临着新的 挑战。波长越短，可用的镀膜材料越少，特别是高折射率的镀膜材料。在DUV 波段甚至在低于200nm的波段，氧化铝材料作为一种最常用的高折射率材料广 泛应用于多层介质反射膜中。氧化铝薄膜的光学特性强烈依赖于镀膜工艺条件及 杂质污染等其它因素，要想得到高光学性能的薄膜首先要减少薄膜的光学损耗。为克服光学薄膜的损耗问题，国际上采用各种能量辅助沉积方法来沉积薄 膜，如溅射、离子镀、离子辅助等方法。尽管如此，减少薄膜的光学损耗仍然是 一个难题。经典的电子束热蒸发方法仍然是比较好的氧化铝薄膜的镀膜技术，不 过采用该方法沉积的氧化铝薄膜容易出现失氧及结构疏松等情况。为得到致密的 低损耗的膜层，人们往往会采用反应蒸发或离子辅助技术来沉积薄膜，但附加的 辅助气体和离子源又会带入新的污染从而使吸收损耗增加，而且对镀膜机的真空系统提出了更高的要求。到目前为止，由于沉积工艺等因素的限制，在薄膜沉积中还没有一个好的办 法能够完全解决影响薄膜性能的不利因素。有鉴于此，人们提出了优化薄膜性能 的一些后处理技术，即在薄膜沉积后采用某种技术对薄膜进行后处理，以降低薄 膜的损耗，或者使薄膜中的损耗得到一定程度的稳定，从而达到提高薄膜性能的 目的。
发明内容
本发明的目的在于解决降低氧化铝薄膜在紫外波段的光学损耗问题，提供一 种低损耗的氧化铝薄膜的制备方法。该方法能够显著降低氧化铝薄膜的紫外光学 损耗，而且具有效率高、简单易行及费用较低的特点。本发明采用常规的电子束热蒸发方法。为了简化镀膜过程及工艺，稳定成膜质量，镀膜过程中不充入反应气体，残余气体为空气。为了获得较高的堆积密度， 防止水吸收，同时使薄膜在较长的时间内保持光学性能稳定，采用相对较高的沉 积温度。为了降低沉积温度较高所引起的较高的光学损耗，采用镀膜后退火处理 技术。为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是本发明低紫外光学损耗氧化铝薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包含下 列步骤1. 将颗粒状氧化铝材料放入电子束热蒸发镀膜设备真空室内的坩埚里，氧 化铝材料的纯度标定在99.9%以上；2. 将基片在任意配比的石油醚和水的混合溶液中进行超声波清洗，时间为 1-2分钟；将清洗过的基片用石油醚擦洗后装入真空室内的夹具上；3. 抽真空半小时后开始加烘烤，烘烤温度为30(TC-35(TC;4. 本底真空度达到6.5X10—Spa时开始对材料进行预融，预融后开始镀膜，， 工作真空度为3.5xl(T3-7.5xlO—3Pa，残余气体为空气；5. 将镀膜后的样品冷却后取出，进行镀膜后退火处理，退火处理采用普通 的加热炉，退火气氛为空气，退火温度为300°C-400°C，保温时间为1-2小时， 制得氧化铝薄膜。抽真空后烘烤时，为了使加热均匀，烘烤的同时夹具以10-40r/min的速度低 速旋转；镀膜时可让夹具以60-90r/min高速旋转；成膜工艺的不同会改变薄膜退火前的初始状况，初始光学损耗越高时，需要 在相对较高的退火温度下或者延长退火时间才能够使光学损耗充分降低至稳定 状态。本方法不但适用于氧化铝薄膜，也适用于包含氧化铝膜层的紫外反射膜。 本发明的核心是镀膜过程中不充入反应气体，采用较高沉积温度镀膜，镀膜 后实行退火处理技术，其原理是氧化铝薄膜的紫外光学损耗主要来源于吸收损 耗，电子束热蒸发氧化铝薄膜的性能主要由镀膜过程中的工艺参数决定。在其他 工艺参数一定的情况下，吸收随沉积温度降低而降低。但是沉积温度降低会导致 堆积密度降低，堆积密度降低会造成水吸收和光学性能不稳定。当沉积温度在30(TC以上时，能够获得较高的堆积密度，不会发生水吸收，同时薄膜会在较长 的时间内保持光学性能稳定。然而作为高价金属氧化物的氧化铝膜层，沉积温度过高，如果蒸发气氛中氧 的含量不足，就会使薄膜的化学计量比发生改变，出现失氧现象，该缺陷的产生 使薄膜的吸收随之增加。采用反应蒸发技术，在镀膜过程中向真空室冲入氧气， 能够在一定程度上改善非化学计量比缺陷。但是不利之处是一方面有可能引入其 他的污染，同时对镀膜机提出了更高的要求，另外使镀膜过程变得复杂而不容易 保证成膜质量。综上，为了能够在普通的镀膜机上采用相对简单的镀膜过程及工艺，同时获 得光学性能稳定的薄膜，必须要在吸收方面做出一定的让步。本发明采用常规的电子束热蒸发方法沉积薄膜。镀膜过程中没有反应气体充 入，真空室内的残余气体为空气，镀膜过程及工艺简单，成膜质量稳定。采用 30(TC-350'C这一相对较高的沉积温度，能够获得较高的堆积密度，防止水吸收， 同时使薄膜在较长的时间内保持光学性能稳定。采用镀膜后退火处理技术，能够 显著降低薄膜的紫外光学损耗，进一步提高薄膜的耐久性及稳定性等性能。本发明的优点是1. 可有效降低氧化铝薄膜的紫外光学损耗。比较退火前后氧化铝薄膜的光 学损耗，发现有大幅度的降低。2. 可有效提高氧化铝薄膜的光学稳定性。在空气中存放半年以后进行测量， 紫外光学损耗没有增加，薄膜具有很好的时间稳定性与环境稳定性。3. 本发明方法镀膜设备简单，可实施性强。在镀膜过程中没有采用氧分压， 一方面降低了对镀膜机真空系统的要求，同时简化了镀膜工艺，因此节约了设备 成本，而且镀膜质量稳定。4. 本发明方法的镀膜后退火处理技术设备简单，速度快。镀膜后退火处理 采用普通加热炉，在空气环境中进行。无需对退火设备进行气氛处理，又可以同 时进行多片薄膜的处理，因此效率很高。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明 实施例l:在DMD-450型真空物理气相沉积(PVD-Physical Vapor Deposition)镀膜系 统，采用电子束热蒸发方法沉积氧化铝薄膜。采用的基底材料为JGS1型熔融石 英，基底尺寸为(l)30x3mm，氧化铝材料的纯度标定为99.99%。镀膜前先将基片 放在石油醚和水的混合溶液中进行超声波清洗，然后再用石油醚溶液进行擦洗。 镀膜过程的工作真空度在6.5X10^Pa以上，烘烤温度为300°C。薄膜厚度采用光 控法进行监控，监控波长为620nm，膜层的光学厚度为6个1/4波长。将制备后的氧化铝薄膜在40(TC的退火温度下退火1.5h，退火时采用缓慢升 温与降温的方式，退火炉中的气体为空气。对退火前后的样品进行测量与计算，结果表明退火后消光系数明显减小，在 典型波长248nm处由3.3xlCT3减小至'J 8xl(T4，在典型波长193nm处由8.0x10—3 减小到4.2x10—3。半年后对样品进行测量，光学性能稳定。说明采用上述方法制 备的氧化铝薄膜光学损耗很低，而且具有很好的光学稳定性。 实施例2:在DMD-450型真空物理气相沉积(PVD-Physical Vapor Deposition)镀膜系统， 采用电子束热蒸发方法沉积193nm反射膜。髙反膜的膜系选择(HL)1311，其中H代表J光学厚度的高折射率材料氧化铝膜层，L代表J光学厚度的低折射率材料 氟化镁膜层，角标'13'代表(HL)重复周期数。基底材料为K9玻璃，基底尺寸为 (f)30x3mm，氧化铝材料的纯度标定为99.99%，氟化镁材料的纯度标定为99.999%。 基片清洗采用先在石油醚和水的混合溶液中进行超声波处理，再用石油醚溶液擦 洗的工序。所有薄膜的工作真空度为6.5x10—3Pa，烘烤温度为300°C，每层膜的 厚度由光学控制法进行精确监控。将制备后的193nrn反射膜在400。C的退火温度下退火1.5h，退火时采用缓慢 升温与降温的方式，退火炉中的气体为空气。对退火前后的样品进行测量与计算，结果表明光学损耗明显减小，在波长 193nm处光学损耗由2.3%减小到小于1.5%，半年后测量反射膜的光学损耗没有 升高。说明采用上述方法制备的包含氧化铝膜层的反射膜光学损耗很低，而且时 间稳定性与环境稳定性良好。
权利要求
1、一种低紫外光学损耗氧化铝薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包含下列步骤1)将颗粒状氧化铝材料放入电子束热蒸发镀膜设备真空室内的坩埚里，氧化铝材料的纯度标定在99.9％以上；2)将基片在水中进行超声波清洗，时间为1-2分钟；将清洗过的基片用石油醚擦洗后装入真空室内的夹具上；3)抽真空半小时后开始加烘烤，烘烤温度为300℃-350℃；4)本底真空度达到6.5×10-3Pa时开始对材料进行预融，预融后镀膜，工作真空度为3.5×10-3-7.5×10-3Pa，残余气体为空气；5)将镀膜后的样品冷却后取出，进行镀膜后退火处理，退火处理采用普通的加热炉，退火气氛为空气，退火温度为300℃-400℃，保温时间为1-2小时，即制得氧化铝薄膜。
2、 如权利要求1所述的低紫外光学损耗氧化铝薄膜的制备方法，其特征在 于，所述方法步骤3)中，烘烤的同时夹具以10-40转/分的速度旋转。
3、 如权利要求1所述的低紫外光学损耗氧化铝薄膜的制备方法，其特征在 于，所述方法步骤4)中，镀膜时夹具以60-90转/分的速度旋转。
全文摘要
一种低紫外光学损耗的氧化铝薄膜的制备方法，该方法主要包括下列步骤首先将基片在水中进行超声波清洗，再用石油醚经过仔细擦洗。然后将基片和材料放入真空室内的夹具上和坩埚里，采用电子束热蒸发方法镀氧化铝薄膜。镀膜过程中不充入反应气体，残余气体为空气，工作真空度为3.5×10<sup>-3</sup>Pa-7.5×10<sup>-3</sup>Pa，沉积温度为300℃-350℃。最后采用镀膜后退火处理技术对沉积的薄膜进行后处理，退火炉中的气体为空气。本发明方法可大幅度降低氧化铝薄膜的紫外光学损耗，而且具有效率高、工艺简单和成本较低的特点。
文档编号C23C14/08GK101220455SQ200810033200
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者周文煊, 尚淑珍, 赵祖欣, 俊 黄 申请人:华东理工大学