時 光，梅 林，張立超

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

球面元件表面AlF3薄膜的光學特性和微觀結構表征

時 光*，梅 林，張立超

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

在模擬球面元件曲率半徑的仿面形夾具上鍍制了AlF3單層薄膜，并對不同口徑位置上的薄膜進行了比較，以表征球面元件表面鍍制薄膜的光學特性和微觀結構。首先，采用紫外可見光分光光度計測量了不同口徑位置上薄膜樣品的透射和反射光譜，反演得出AlF3的折射率和消光系數(shù)。然后，使用原子力顯微鏡觀察了樣品的表面形貌和表面粗糙度。最后，使用X射線衍射儀對薄膜的內(nèi)部結構進行了表征。實驗結果表明：在球面不同位置鍍制的AlF3單層薄膜樣品的光學損耗隨著所在位置口徑的增大而增大?？趶綖?80 mm處的消光系數(shù)是中心位置處消光系數(shù)的1.8倍，表面粗糙度是中心位置的17.7倍。因此，球面元件需要考慮由蒸汽入射角不同帶來的光學損耗的差異。

熱蒸發(fā)；AlF3薄膜；球面元件；微觀結構特性

1 引 言

隨著紫外、深紫外激光在各領域應用的不斷發(fā)展，迫切需求低光學損耗、高穩(wěn)定性、長壽命的光學元件［1］，而元件表面所鍍制的光學薄膜對元件的性能起著至關重要的作用。

由于在紫外和深紫外波段可供選擇的材料較少，氧化物由于吸收強烈已不能使用，氟化物成為主要的鍍膜材料。其中，常用的低折射率材料AlF3由于具有低損耗、低應力和高激光損傷閾值等優(yōu)點［2］而備受關注。在與LaF3組合鍍制減反膜時，AlF3顯現(xiàn)出更高抗激光損傷能力。對AlF3薄膜的制備方法已經(jīng)有很多的研究。Sun Jian［3-4］等人采用熱舟蒸發(fā)法制備了AlF3薄膜并討論了沉積溫度和蒸發(fā)速率對薄膜性能的影響。Huang-Lu Chen［5］等人使用離子束輔助沉積方法，采用SF6作為工藝氣體制備了AlF3薄膜，并對其進行了表征。Cheng-Chung Lee［6］等人使用離子束濺射方法，用Al作為靶材，CF4和O2作為工藝氣體制備了AlF3薄膜，并對工藝氣體的比例進行了討論?？傮w來說，采用離子束濺射、磁控濺射等方法制備的氟化物薄膜結構較為致密，表面粗糙度較低，散射損耗較小，而使用熱舟蒸發(fā)法鍍制氟化物薄膜的光學損耗較小。

以光刻機為代表的紫外深紫外多種光學系統(tǒng)都應用了大量的球面元件，這對鍍膜的整個過程，包括設計、工藝以及薄膜的表征都提出了更高的要求。首先由于曲面元件表面中間和邊緣位置距元件中心和蒸發(fā)源的距離均不相同，在元件徑向方向上不可避免地會出現(xiàn)膜厚的不均勻分布［7］；其次，由于曲面元件表面中間和邊緣位置鍍膜材料沉積的入射角度不同，薄膜的生長狀態(tài)、填充密度和表面粗糙度也會出現(xiàn)差異［8］。前者元件表面不同位置在膜厚上的差異可以通過在鍍膜時使用修正擋板進行去除［9］，但后者由于沉積的入射角不同引起的吸收和折射率不均勻性等差異仍然存在，這時傳統(tǒng)的均勻模型不再適用，應選用考慮了折射率不均勻性的模型［10-11］。

本文采用熱蒸發(fā)方法鍍制了AlF3薄膜。實驗中為真實模擬球面元件表面鍍膜情況，設計了仿球面元件面形的夾具。所鍍制的AlF3薄膜采用紫外可見光分光光度計測量透射和反射光譜，反演得出AlF3的折射率和消光系數(shù)。然后，使用原子力顯微鏡觀察了樣品的表面形貌和表面粗糙度。最后，使用X射線衍射儀對薄膜的內(nèi)部結構進行了表征。

2 不均勻模型

在對樣品透射、反射曲線進行擬合時，應充分考慮在薄膜厚度方向上的折射率變化，即折射率不均勻性。在計算薄膜光學常數(shù)時，使用式（1）、（2）［11］與均勻模型一起進行擬合。

式中，ns和n分別是基底和空氣的折射率，z是薄膜厚度，?（z）表示復折射率。

3 實驗與裝置

3.1 樣品制備

AlF3薄膜是在德國Leybold Optics公司生產(chǎn)的SYRUSpro 1110型鍍膜機［12］上使用鉬舟蒸發(fā)法進行制備的。制備時設備真空度優(yōu)于5× 10-4Pa，沉積溫度均為350℃，沉積速率為0.2 nm/s。AlF3材料均選用Merck公司產(chǎn)品。所選用基底為直徑25.4 mm、厚度1 mm、雙面拋光融石英基底，鍍制前使用乙醚和乙醇混合液擦拭，并使用紫外燈進行輻照。

鍍膜時基底放置在如圖1所示的仿曲面元件面形的鍍膜夾具上，基底中心位置的口徑分別為0、80、120、160、240、280 mm，6片基片中心點所在圓弧曲率半徑為212 mm。在下文中將以上6個位置分別稱為1～6號位置。

圖1 仿曲率半徑為212 mm的凸面夾具Fig.1 Fixture imitating the convex with curvature radius of 212 mm

3.2 測量裝置

鍍膜樣片的透射及反射光譜測量采用Perkin Elmer公司生產(chǎn)的Lambda1050型紫外可見光分光光度計及其反射附件，測量范圍為185～800 nm，步長為1 nm。

鍍膜樣片的表面均方根粗糙度測量采用德國Bruker公司生產(chǎn)的Dimension Edge型原子力顯微鏡（AFM）。采樣數(shù)為512×512，測量范圍為10μm×10μm。

鍍膜樣品薄膜樣品的內(nèi)部結構測量采用德國Bruker公司生產(chǎn)的D8 DISCOVER Diffractometer型X射線衍射儀（XRD），衍射角（2θ）為20～70°，步長為0.02°。

4 實驗結果與討論

4.1 光學常數(shù)

圖2（a）是在曲率半徑為212mm的凸面表面不同口徑位置上鍍制的AlF3單層薄膜在185～8 00nm內(nèi)的透射光譜曲線，圖2（b）為其反射光譜曲線。薄膜在193 nm處的透過率、反射率和光學損耗數(shù)值見表1。表中薄膜的光學損耗等于1-T-R，其中T是透過率，R是反射率。綜合圖2和表1中內(nèi)容可以看到薄膜的光學損耗隨著所在位置口徑的增大而增大，并且膜層λ/2厚度處對應的透射率小于基底透射率，表明薄膜的折射率已經(jīng)呈現(xiàn)出不均勻性現(xiàn)象。

圖2 1～6號位置AlF3薄膜的透過率和反射率Fig.2 Transmittances and reflectances of AlF3layers at different diameters

表1 193 nm處的透過率、反射率和光學損耗Tab.1 Transm ittances，reflectances and optical losses at 193 nm

圖3（a）為使用不均勻模型擬合得到的曲率半徑為212 mm的凸面表面不同口徑位置上鍍制的AlF3單層薄膜的折射率，圖3（b）為AlF3單層薄膜的消光系數(shù)。從圖中可以看到，AlF3的折射率和消光系數(shù)均隨著口徑的增大而增大。當口徑升至280 mm時，消光系數(shù)k是中心位置的1.8倍。這與表1中光學損耗的結果相符合。

圖3 1～6號位置AlF3薄膜的光學常數(shù)Fig.3 Optical constants of AlF3layers at different diameters

4.2 表面粗糙度

薄膜中的光學損耗分為兩大類，吸收A和散射S。衡量吸收的參量消光系數(shù)k已在上節(jié)討論過。描述散射損耗的一個重要參量是表面均方根粗糙度。圖4（a）～（f）分別為使用原子力顯微鏡觀測的在曲率半徑為212 mm的凸面表面0、80、120、160、240、280 mm口徑上鍍制的AlF3單層薄膜的表面形貌，測量范圍為10μm×10μm。表2為原子力顯微鏡結果及測得的相應表面粗糙度數(shù)據(jù)。由圖4和表2均可看出，AlF3薄膜的表面粗糙度隨著口徑的增加而不斷增大，在口徑達到120 mm時有顯著增長，當口徑增大到280 mm時，表面粗糙度值是中心位置的17.7倍。這也意味著，在球面元件表面鍍制AlF3薄膜，其表面散射損耗隨著口徑的增大不斷增大。

圖4 1～6號位置AlF3薄膜原子力顯微鏡結果Fig.4 AFM pictures of AlF3layers at different diameters

表2 1～6號位置AlF3薄膜的表面粗糙度Tab.2 Surface roughnesses of AlF3layers

4.3 內(nèi)部結構

圖5為中心位置和口徑為280 mm位置的樣品的XRD結果。由圖中可見，兩個位置樣品XRD曲線沒有明顯變化。入射角范圍變化對于薄膜的內(nèi)部結構基本沒有影響，仍為非晶結構，符合AlF3薄膜的固有性質(zhì)。

圖5 中心（1號位置）和邊緣（6號位置）位置AlF3薄膜的X射線衍射儀結果Fig.5 XRD results of AlF3layers at center and edge positions

4.4 討 論

綜合前文實驗結果可以看到，在球面元件表面鍍制的AlF3薄膜與傳統(tǒng)的平面元件表面結果有很大的不同。隨著AlF3薄膜樣品所在位置口徑的增加，其折射率、消光系數(shù)和表面粗糙度都有一定的惡化。這一現(xiàn)象可以通過比較平面元件和球面元件的蒸汽入射角得到解釋。

圖6（a）為計算得到的與上文曲率半徑為212 mm的凸面元件放置在同一鍍膜機內(nèi)相同位置的平面元件的蒸汽入射角范圍，圖中中心黑色實線為中心位置蒸汽入射角變化情況（2.4～37.1°）?？梢钥吹诫S著口徑的增加，蒸汽入射角有小幅度的增大，但是仍然圍繞在中心位置黑色實線附近。當口徑增大到300 mm時，最大蒸汽入射角也僅增加了6°左右。

圖6（b）為本文所選用的曲率半徑為212 mm的凸面元件的蒸汽入射角隨口徑的變化情況。圖中黑色實線為中心位置蒸汽入射角變化情況（2.6～39.1°），與平面中心位置基本相同，其微小差異是由于放置在鍍膜機同一位置的平面和凸面元件，凸面元件的中心位置距蒸發(fā)源的垂直距離小于平面元件。當口徑增大時，球面元件蒸汽入射角的范圍也隨之增大，且變化十分明顯。在口徑增大至300 mm時，蒸汽入射角甚至達到16～88.1°，最大值已接近直角。這樣的大角度蒸汽入射和入射角度的劇烈變化必然導致所鍍制膜層的填充密度降低、表面粗糙度增大，這是球面元件表面膜層性能隨口徑增大而降低的主要原因。

圖6 不同面形元件蒸汽入射角范圍Fig.6 Incident angle ranges of elements with different surface shapes

5 結 論

為滿足球面元件鍍膜要求，在仿球面元件面形的夾具上不同位置鍍制了AlF3單層薄膜，并使用紫外可見光分光光度計測量了薄膜的透過率和反射率。計算了光學損耗，并使用不均勻模型得到了薄膜的光學常數(shù)。使用原子力顯微鏡得到了不同位置處AlF3單層薄膜的表面形貌和表面粗糙度。結果顯示：在球面不同位置鍍制的AlF3單層薄膜樣品的光學損耗隨著所在位置口徑的增大而增大?？趶綖?80 mm處消光系數(shù)是中心位置處消光系數(shù)的1.8倍，表面粗糙度是中心位置的17.7倍。分析認為球面元件表面蒸汽入射角隨著口徑增長的劇烈變化是導致這一差異的主要原因，表明對于球面元件除了要消除膜厚的不均勻性外，由蒸汽入射角不同帶來的光學損耗上的差異也是應該考慮的。

參考文獻：

［1］ DETLEV R，STEFANG，SALVADOR B，etal..Ultravioletoptical andmicrostructural properties ofMgF2and LaF3coatings deposited by ion-beam sputtering and boat and electron-beam evaporation［J］.Appl.Opt.，2002，41（16）：3196-3204.

［2］ LIAO B H，LIC C.Antireflection coatings for deep ultraviolet optics deposited by magnetron sputtering from Al targets［J］.Optics Express，2011，19（8）：7507-7512.

［3］ SUN J，LIX，ZHANGW L，et al..Laser-induced damage resistant of AlF3films［J］.SPIE，2013，8786：278620-1-5.

［4］ SUN J，LIX，ZHANGW L，etal..Effects of substrate temperatures and deposition rates on properties ofaluminum fluoride thin films in deep-ultraviolet region［J］.Appl.Opt.，2012，51（35）：8481-8489.

［5］ HUANG L C，JIN CH，PAULW W，etal..AlF3film deposited by IAD with end-Hall ion source using SF6asworking gas［J］.Appl.Surface Sci.，2009，156：1232-1235.

［6］ LEE CC，LIAO BH，LIU M C.Developing newmanufacturingmethods for the improvementof AlF3thin films［J］.Optics Express，2008，16（10）：6904-6909.

［7］ 唐晉發(fā)，顧培夫，劉旭，等.現(xiàn)代光學薄膜技術［M］.浙江：浙江大學出版社，2006. TANG JF，GU PF，LIU X，etal..Modern Optical Thin Film Technology［M］.Zhejiang：Zhejiang University Press，2006.（in Chinese）

［8］ GUO C，KONGM D，LIN DW，et al..Microstructure-related properties ofmagnesium fluoride films at193nm by obliqueangle deposition［J］.Optics Express，2013，21（1）：960-967.

［9］ LIU CD，KONGM D，GUO C，et al..Theoretical design of shadowingmasks for uniform coatings on spherical substrates in planetary rotation systems［J］.Optics Express，2012，20（21）：23790-23791.

［10］ 常艷賀，金春水，李春，等.熱蒸發(fā)紫外LaF3薄膜光學常數(shù)的表征［J］.中國激光，2012，39（8）：0807002-1-4. CHANG Y H，JIN C SH，LICH，et al..Characterization of optical constants of ultraviolet LaF3films by thermal evaporation［J］.Chinese J.Lasers，2012，39（8）：0807002-1-4.（in Chinese）

［11］ 郭春，林大偉，張云洞，等.光度法確定LaF3薄膜光學常數(shù)［J］.光學學報，2011，31（7）：0731001-1-7. GUO C，LIN DW，ZHANGY D，etal..Determination ofoptical constants of LaF3Films from spectrophotometricmeasurements［J］.Acta Optica Sinica，2011，31（7）：0731001-1-7.（in Chinese）

［12］ 張立超，高勁松.長春光機所深紫外光學薄膜技術研究進展［J］.光學精密工程，2012，20（11）：2395-2401. ZHANG L CH，GAO J S.Developments of DUV coating technologies in CIOMP［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20（11）：2395-2401.（in Chinese）

Characterization of optical and m icrostructural properties of AlF3thin films deposited on spherical element

SHIGuang*，MEILin，ZHANG Li-chao
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：nrconnie@163.com

Single AlF3layerswere deposited upon fused-silica substrates placed on a simulated fixture which has the same radius of curvaturewith the sphericalelement to characterize the opticalandmicrostructural properties of the AlF3films.First，transmittance and reflectance spectra of AlF3layers at different positions on the fixture weremeasured by an UV-visible spectrophotometer from 185 nm to 800 nm，and their refractive indexes and extinction coefficientswere obtained.Then the surfacemorphologies and surface roughnesses of AlF3layers were assessed with an Atomic Force Microscopy（AFM）.Finally，the X-ray Diffraction（XRD）was used to characterize themicrostructure of AlF3layers.Experimental results indicate that for AlF3layers deposited at different diameters on the spherical element，their optical losses increase alongwith the diameters.The extinction coefficients of AlF3layers at the edge position are 1.8 times of that at the center，and surface roughness are 17.7 times of that at the center.The results suggest that for the coating on the surface of spherical element，the difference in optical loss along the diameter caused by steam incident angles should be considered.

thermal evaporation；AlF3thin film；spherical element；microstructural property

O484.41

A

10.3788/CO.20130606.0906

時 光（1985—），女，黑龍江雞西人，碩士，助理研究員，2008年、2011年于電子科技大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事深紫外薄膜方面的研究。E-mail：nrconnie@163.com

張立超（1979—），男，吉林省吉林市人，博士，副研究員，2000年、2003年于吉林大學分別獲得學士、碩士學位，2007年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事短波光學薄膜技術方面的研究。E-mail：zhanglc@sklao.ac.cn

梅 林（1985—），男，吉林長春人，碩士，助理研究員，2009年于東北大學獲得學士學位，2011年于哈爾濱工業(yè)大學獲得碩士學位，主要從事深紫外薄膜方面的研究。E-mail：meilin0431@ gmail.com

1674-2915（2013）06-0906-06

2013-09-12；

2013-11-15

國家重大科技專項（02專項）基金資助項目（No.2009ZX02205）