Ionstråleforstøvningsteknologi (IBS) har i høj grad avanceret UV-laseroptik i løbet af de sidste 25 år på grund af dens evne til at afsætte optiske film af høj kvalitet til ultraviolet (UV) laserapplikationer (se figur 1). Optik af høj kvalitet manipulerer og dirigerer laserstrålen og er afgørende for laserens ydeevne og levetid. Biomedicinsk, halvlederbehandling, mikrobearbejdning og andre UV-laserapplikationer fortsætter med at vokse takket være IBS-teknologi.
Mens UV-optiske film står over for mange udfordringer, har fremkomsten af IBS-teknologi gjort det muligt at deponere højkvalitets UV-optiske film.
At møde udfordringerne ved UV-laseroptik
De udfordringer, som UV-laseroptik står over for, er todelt: absorptionsforbedring, som reducerer lasereffekten, og spredningsforøgelse, som mindsker laserens intensitet. Optiske film kan blive yderligere beskadiget, hvis filmspænding, støkiometri eller filmdensitet ikke er optimeret. Belægning er det svageste led, og optiske belægninger vil blive optimeret, hvis der foretages forbedringer af vigtige bearbejdningstrin såsom optisk belægningsdesign, substratrensning, afsætning og efterbelægning.
Vores forskning fokuserer på forskellige produktionsaspekter af optisk belægning, herunder målvalg, oxygentryk, sputterenergi og udglødningstid, med det mål at forbedre kvaliteten af optiske belægninger til IBS-systemer (se figur 2) [1]. Effekterne af forskellige procesbetingelser og post-deposition annealing på HfO2 og SiO2 optiske tynde film er blevet undersøgt i de senere år. De analyserede parametre omfatter:
- Effekt af metalliske og dielektriske sputteringsmål på UV-egenskaber;
- Effekt af oxygen (O2) partialtryk på støkiometri og filmegenskaber;
- Effekten af ion-assisterede kilder og stråleenergi på film- og aflejringsegenskaber;
- Effekten af udglødning på støkiometri, stress og filmegenskaber.
Dette projekt hos Veeco fokuserer på optiske belægninger i Nd:YAG-lasere. Oxidfilm kan sputteres fra oxid- eller metalmål. [2] Metalmål har lavere absorption, men højere forstøvningshastigheder. En højere forstøvningshastighed vil forbedre belægningseffektiviteten, så længe andre filmparametre er opfyldt. Ved aflejring af HfO2 tyndfilm er partialtrykket af O2 en afgørende procesparameter, og hvis O2 partialtrykket ikke opfylder kravene, er filmene tilbøjelige til strukturelle defekter. Især producerer iltmangel elektroniske tilstande under båndgab, der inducerer laserskade på optiske komponenter. Uligevægt HfO2-film med lavt iltindhold er meget absorberende og uigennemsigtige og kan ikke opfylde kravene til UV-laseroptik.
Ionstråleenergi og udglødning
Ionstråleenergi er et andet kritisk proceselement. Ved plettering af SiO2-film reducerer sænkning af ionstråleenergien absorptionen af SiO2-filmen og forbedrer derved lasersystemets ydeevne. Dette kommer dog til at koste. Mens sænkning af ionstråleenergien forbedrer filmkvaliteten, reducerer det også aflejringshastigheden, hvilket påvirker produktiviteten. I SiO2-processen hjælper brugen af en hjælpestråle til at øge overførselshastigheden.
For HfO2-film falder modstanden mod laserskader med stigende hjælpestråleenergi. Det er klart, at optimeringen af sputterenergi spiller en afgørende rolle for filmens kvalitet.
Udglødning spiller også en nøglerolle i filmens kvalitet, da det er et kritisk trin for at opnå det laveste tab og den højeste modstand mod laserskader. Under sputteringsprocessen er de aflejrede film udsat for trykspændinger og defekter på grund af højenergiaflejring. Udglødning hjælper med at frigøre spændingen og eliminere dinglende bindinger, der dannes under sputteringsprocessen.
Udglødningsprocessen ændrer også lidt det støkiometriske forhold mellem filmen. Ideelt set bør udglødning reducere filmspændingen og resultere i optimale optiske egenskaber.Veecos forskning har vist, at udglødning kan forbedre egenskaberne af aflejrede film, men udglødning i for lang tid eller ved for høj temperatur kan også være skadelig. Når udglødningsbetingelserne ikke er korrekte, øges grænsefladeruheden, og filmen kan krystallisere. Antallet af lag og sammensætningen af optiske film kan variere for forskellige UV-laserapplikationer, så udglødningstiden bør optimeres for hvert lag.
