真空紫外反射膜特性及相关技术研究

论文摘要

真空紫外反射镜在太阳物理、宇宙物理、生命科学、同步辐射等高科技领域应用广泛。近年来,随着国民经济的高速发展,科技能力的快速提升,国内相关行业对真空紫外（VUV）光学元件的需求越来越多。对VUV反射镜制作工艺进行系统、深入的研究显得十分必要。本课题的目的是研究几种常用薄膜材料在50～200nm波长范围内（VUV波段）的反射特性及相关因素对反射率的影响,在此基础上,为制作高反射率真空紫外反射镜及相关光栅涂层提供优化参数。本文主要包括三个方面的内容:1.VUV反射膜反射特性研究基于国内外VUV反射镜研究现状,针对不同的应用波长,分别选定Au、Ir作为50-100nm波段反射镜膜材、Al+MgF2作110-200nm波段反射镜膜材。建立了基底为吸收材料时的单层金属膜和双层吸收膜数学计算模型。以光学工程中常用材料熔融石英、K9玻璃及Si为基底,计算了不同厚度的Au膜、Ir膜和Al+MgF2膜在不同基底上的反射率,并确定了最高VUV反射率时所对应的膜厚。分别以不同的工艺参数和不同的沉积方法（离子束溅射,电子束蒸发）,在K9、石英玻璃和Si基片上镀制了不同厚度的薄膜,在科大国家同步辐射实验室“光谱辐射标准和计量线站”上测试了镀制的反射膜在115-140nm波段上的反射率,系统、深入地研究了其反射特性与各种工艺参数间关系。结果表明:1)基片材料对真空紫外反射镜反射率有重要影响。宜以石英或K9玻璃作基底,两者区别不明显,Si明显差。115-140nm波长范围内正入射反射率Au膜达24%,Ir膜近30%,Al+MgF2膜75%;2)膜厚对反射率有重大影响。在采用镀前离子清洗的情况下,石英基片上最佳Au膜厚度约为30nm,Ir膜约12nm;K9基片上稍厚（Au:30nm～40nm,Ir:12～18nm）;而对Si片,厚膜好;对Al+MgF2膜,Al膜厚度应在60nm以上,MgF2厚度则需根据入射波长优化;3)镀膜前用能量适当的离子束对基片进行离子清洗,可明显降低基片表面粗糙度,有益于VUV反射率的提高;4)离子束溅射沉积时,溅射离子能量对反射率影响大,存在一最佳值。离子束能量低于此值,反射率明显下降。高于此值,膜反射率几乎不变;5)与电子枪热蒸发相比,离子束溅射得到的反射膜晶粒平均尺寸较小,与玻璃基底的附着力好,镀制过程相对简单,膜厚好控制,稳定性、重复性好;6)为提高Au膜与基底附着力而使用的过渡层越薄越好。过渡层材料对反射率影响不大;7)厚度较薄的膜层对表面具有明显的“均匀化”效应,即粗糙度大的表面覆盖一层薄膜后,粗糙度会得到改善,而光滑表面覆盖一层薄膜后,粗糙度会变差。成膜后的表面粗糙度对反射率影响比基片表面粗糙度要大得多;鉴于这一结果,对基片表面粗糙度提出的要求不必过高,1nm左右即可。8)热处理后膜应力有所释放,但晶粒平均尺寸变大,反射率下降。9)相对于Au膜,Ir膜获得的VUV反射率较高。就膜-基附着力来看,也以Ir为佳;10)镀前溶剂清洗工艺对反射率无明显影响。2.反射率计测试误差分析对反射率测试装置（反射率计）的测试误差进行了详细分析,有针对性地提出了提高测试效率和测试精度的方法,保证了测试结果的可靠性;3.用多重分形谱评价光学表面粗糙度针对实验过程中遇到的光学表面粗糙度评价问题,第一次将多重分形谱（MFS）引入光学表面粗糙度评价体系中,以克服常规评价方法下评价值随取样尺寸、位置发生变化的弊端。计算了熔融石英、K9玻璃及Si片的表面的MFS谱线,表明MFS能够区分不同的光学表面状态,受取样点位置、取样尺寸影响小。本论文的主要创新点体现在:第一次从理论和实验两个方面全面、系统地研究了各种工艺参数对真空紫外反射率的影响,给出了制作高反VUV反射镜的优化工艺参数;对反射率计的测试误差进行了系统、深入的分析;第一次将多重分形谱（MFS）引入光学表面粗糙度评价体系中,获得了一些有价值的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引论
• 1.1 真空紫外反射镜发展现状
• 1.1.1 金属膜
• 1.1.2 复合膜和介质膜
• 1.1.3 小结
• 1.2 本课题的目的和预期
• 1.2.1 本课题的目的
• 1.2.2 本课题的预期
• 1.3 本论文的主要工作
• 1.4 本论文构成
• 第2章 真空紫外反射镜膜厚优化及反射率计算
• 2.1 光学薄膜设计一般方法
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 薄膜光学的一些重要公式
• 2.1.3 光学薄膜计算方法
• 2.2 金属薄膜光学原理概述
• 2.3 真空紫外反射镜膜厚优化及反射率计算
• 2.3.1 Au膜反射率优化计算
• 2.3.2 Ir膜反射率优化计算
• 2膜反射率优化计算'>2.3.3 Al+MgF₂膜反射率优化计算
• 第3章 真空紫外反射镜制作
• 3.1 实验用材及设备概述
• 3.2 Au反射镜制作
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 镀膜条件
• 3.2.3 基片、膜厚、辅源和镀前清洗工艺对Au膜真空紫外反射率影响
• 3.2.4 基片表面粗糙度对Au膜真空紫外反射率影响
• 3.2.5 过渡层对Au膜真空紫外反射率影响
• 3.2.6 离子束清洗对基片和薄膜表面粗糙度的影响
• 3.2.7 Au膜相关结论
• 3.3 IR反射镜制作
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 离子束溅射Ir膜反射率
• 3.3.3 电子束蒸发Ir膜反射率
• 3.3.4 两种镀膜方式比较
• 3.3.5 与Au膜比较
• 3.3.6 Ir膜相关结论
• 3.4 AL+MGF2反射镜制作
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 测试结果
• 3.4.3 原因分析
• 3.4.4 结论
• 第4章 反射率计误差分析及解决办法
• 4.1 反射率计结构及工作原理概述
• 4.2 反射率计测试误差源分析
• 4.2.1 光源
• 4.2.2 探测器
• 4.2.3 反射率计光轴与样品转动中心不重合
• 4.2.4 样品安装
• 4.2.5 入射光斑尺寸
• 4.3 减少和消除误差办法
• 4.3.1 对光源
• 4.3.2 对探测器
• 4.3.3 对反射率计光轴与样品转动中心不重合
• 4.3.4 样品安装
• 4.3.5 入射光斑尺寸
• 4.4 提高反射率计测试效率和精度的建议
• 第5章 光学基片表面评价新方法初探
• 5.1 概述
• 5.2 MFS方法简介
• 5.3 计算结果及分析
• 5.4 小结
• 第6章 论文的工作总结与展望
• 6.1 论文的工作总结
• 6.2 论文的主要创新点
• 6.3 建议及有待改进的问题
• 6.4 展望
• 附录1 椭圆偏振光反射率R计算式推导
• 附录2 常见材料在真空紫外波段光学常数
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢